中国区域MODIS与VIIRS气溶胶遥感产品的性能评估及其时空演变分析

基于气溶胶地基观测网络数据(AERONET),对MODIS与VIIRS的六种气溶胶光学厚度(AOD)产品在反演精度、空间覆盖范围、空间分布特征、时间反演频率以及对个例的极端天气事件的反演性能等方面进行评估,并从土地利用类型、气溶胶模态、季节变化等角度分析其误差来源.结果表明:从与AERONET地基观测对比来看,MODIS AOD产品反演精度优于VIIRS AOD反演产品,其中以MAIAC AOD产品精度最高,其相关系数R值为0.83,落入期望误差(EE)内的比例达65.03%;从空间覆盖范围以及时间反演频率来看,VIIRS AOD产品显著优于MODIS;从对个例的极端天气事件反演性能来看,MODIS AOD产品对沙尘事件的反演性能优于VIIRS,但所有产品对森林火灾的反演性能还需进一步提升;土地利用类型、气溶胶模态和季节变化对AOD产品反演精度有着显著的影响:六种AOD产品在建设用地的反演精度较高,在农用地的反演精度则较低;六种AOD产品对粗模态气溶胶以低估为主,而对细模态气溶胶则以高估为主;六种AOD产品在秋冬季节反演精度最高,夏季最低.

基于DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜光影像的中原城市群城市扩张的时空演变及驱动力分析

掌握城市扩张空间格局和驱动机制,有助于中原城市群可持续发展。基于DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜间灯光影像,采用统计数据比较法提取了中原城市群1993—2018年间建成区范围;并从整体和地级市2个尺度研究了1993—2018年城市扩张的时空演变特征;在此基础上构建驱动力模型,研究其时空扩张驱动力。结果表明:①空间上,以郑州为中心,东北至西南方向为参考,各城市建成区面积及扩张规模总体上呈现出“中间大、两边小”的分布格局;以2010年为分界点,扩张类型由边缘式转向飞地式,扩张模式由面状扩张向多中心的点状扩张和沿主要交通线路的线状扩张转变;②时间上,不同城市扩张面积、扩张速度、扩张强度差异显著,扩张速度和扩张强度均为正且大体呈“W”型波动式变化;建成区重心经历了“西南-东北-东北-西-西北-东南”的变动过程,重心在郑州市和开封市之间“徘徊游走”;③城市群扩张的主要驱动力来源于经济因素,其次是社会、交通和环境因素。对城市扩张影响前5的驱动指标依次为一般公共预算收入、GDP、实际利用外资额、教育支出和人口密度。

基于NPP/VIIRS夜间灯光数据的华北地区碳排放时空分布模拟研究

获取准确的碳排放空间分布信息,能够为推进碳达峰碳中和工作提供重要数据支撑。研究基于NPP/VIIRS夜间灯光及统计年鉴数据,对华北地区2013年和2018年碳排放时空分布开展监测。在城市尺度构建了碳排放量和夜间灯光亮度及GDP等辅助信息的拟合模型,估算了2013年和2018年华北地区碳排放量,并分析了碳排放空间分布及影响因素。结果表明:2018年华北地区碳排放量明显高于2013年,华北地区碳排放量由东部向西部和北部减少。北京和天津碳排放量高于其它城市,而内蒙古自治区大部分城市碳排放量较低。

基于NPP VIIRS数据和SEBS模型的河南省冬小麦蒸散量估算与时空特征

农田蒸散量(evapotranspiration,ET)是农田水热交换过程的关键变量,准确估算农田ET对了解农田土壤水分变化动态,监测预测作物旱情,指导科学灌溉等具有重要作用。将Suomi NPP(National Polar-orbiting Partnership)卫星的新型遥感数据源可见光红外成像辐射仪(visible infrared imaging radiometer suite,VIIRS)数据用于ET反演,基于地表能量平衡理论,将NPP VIIRS反演的地表温度、地表反照率等参数和优化计算的VIIRS NDVI(normalized difference vegetation index)数据,与SRTM DEM数据和气象观测数据输入地表能量平衡系统(surface energy balance system,SEBS)模型,估算了2016—2018年河南省冬小麦关键生育时期——返青期至灌浆期的农田ET(VIIRS ET)。分别对比了VIIRS ET与彭曼公式(Penman-Monteith,P-M)计算的P-M ET、大型土壤蒸渗仪实测Real ET和MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)数据估算ET(MODIS ET)的结果,并进行了ET时空变化特征分析。结果表明,VIIRS ET与Real ET的RMSE为0.203 mm·d^(–1),且VIIRS ET与P-M ET和MODIS ET均具有较高的一致性。该方法可为利用NPP VIIRS数据和SEBS模型估算ET提供方法、技术上的支持。研究区冬小麦关键生育时期ET的时间特征表现为自返青期后逐日上升,抽穗期达到最大值,灌浆期开始下降的趋势,与冬小麦生长发育规律具有较好的一致性。综合空间特征来看,在关键生育时期河南省冬小麦ET均呈现中部和东南部较高,向西北部和西南部逐渐降低的趋势,与灌溉条件具有较强的对应性。河南省冬小麦ET时空特征可为河南省农业水资源管理、分配和高效利用等提供重要依据。

基于VIIRS数据的哈尔滨市秸秆焚烧火点监测

采用哈尔滨市2020年秋收季开始至2021年春耕季结束的VIIRS SDR 742 m分辨率下的第5、7、11波段反射率产品和13、15、16波段亮温值产品,分析火点像元亮温特征及与背景亮温的偏差来提取哈尔滨市秸秆焚烧火点信息,对VIIRS卫星影像数据提取算法进行验证,同时对火点监测算法监测到的哈尔滨市秸秆焚烧火点进行时空分布研究。结果表明,此算法监测率较高,可以为监管部门提供重点有效的监测信息,提高对重点区域的监管力度。

县域NPP/VIIRS夜间灯光信息影响及区域差异研究

夜间灯光数据在社会经济活动方面得到广泛应用,有必要研究夜间灯光信息的影响因素。文章针对2020年度NPP/VIIRS合成灯光数据,从县域单元尺度,采用回归分析法及区域分析法,研究人口数量、GDP和区域开发强度对县域灯光值的影响。结果表明:三次函数、二次函数、幂函数和线性函数对于灯光均值和总值都有较好的拟合效果,效率上,幂函数最适合模拟灯光值与社会经济数据的关系;三因素模型的拟合效果优于双因素模型的拟合效果,双因素模型的拟合效果优于单因素模型的拟合效果;县域处于开发早期的灯光信息更受不透水面率影响,开发中期同时受不透水率、人口和GDP的影响,开发完成期主要受人口和GDP的影响;人口数对于灯光总值、不透水面率对于灯光均值强相关,GDP对于灯光总值较强相关,仅京津冀考虑三因素时与灯光最大值相关性较好。结果可为应用NPP/VIIRS提供参考。

利用VIIRS DNB数据分析特殊时段旅游时空演变特征——以2013至2020年国庆黄金周为例

基于社会统计与手机信令数据的传统旅游研究存在数据成本高、覆盖窄、客观性差等问题。遥感数据成本低、范围大、动态快速且客观,尤其是夜间灯光数据具有反映人类活动的特性,在旅游时空演变的研究上具有优势。文章基于VIIRS DNB数据提出一种分析特殊时段旅游时空演变特征的方法。该方法提出区域夜灯变动指标的概念,并将其作为旅游发展特征研究的替代量,多角度探究我国31个省级行政区2013—2020年国庆黄金周旅游发展的时空演变特征。结果表明,研究期内华中地区发展迅猛,西北地区稳定增长,旅游地理重心主频呈现向西北方向迁移的现象。

基于NPP/VIIRS夜光灯光数据的沈阳市建成区扩张分析

基于NPP/VIIRS夜间灯光数据,采用统计数据比较法提取沈阳市2012、2015、2018和2021年建成区面积,采用城市扩张速度、强度、紧凑度、分形维数及重心变化剖析了沈阳市建成区时空演变特征。结果表明:沈阳市2012-2021年城市扩张趋势明显,扩张速度和强度呈缓慢增长波动,城市主要是外部扩张,重心整体向东北方向偏移;紧凑度水平和不规则程度整体较低呈降低的趋势;可能存在人口增长与用地比例失调的情况,但变化趋势逐渐变好。结果有助于更好地认识和理解城市化发展、空间格局变化以及城市时空演变特征。

基于VIIRS的夜间PM_(2.5)浓度遥感估算

PM_(2.5)作为主要空气污染物之一,长期影响人类健康和生态环境。目前主流的大气PM_(2.5)遥感监测依赖于日间过境的气溶胶光学厚度AOD产品,夜间时效连续性受到限制。为此,本文在大气辐射传输原理的基础上,顾及气象、土地利用等与PM_(2.5)排放、传输相关的因素,构建基于VIIRS的夜间PM_(2.5)浓度遥感估算方法。以北京市2013—2014年大气重污染事件为例,定性分析、定量评估大气重污染过程下PM_(2.5)浓度与夜间灯光辐射强度的相关性,开展夜间灯光遥感数据融合多源地理要素的夜间PM_(2.5)浓度估算。结果表明:随着PM_(2.5)浓度的显著上升,夜间灯光遥感影像的同一个区域亮度明显下降,PM_(2.5)浓度值和夜间灯光辐射值的平均相关系数达-0.69(P<0.001);融合夜间灯光数据与多源地理要素可以较好模拟夜间PM_(2.5)浓度,模型精度R2达0.83,RMSE为38.03μg/m3。利用VIIRS夜间灯光遥感数据估算区域夜间PM_(2.5)浓度具备可行性和有效性,可为制定空气污染防控措施提供支撑。

基于NPP/VIIRS夜光遥感影像的作业灯光围网渔船识别

为对远洋灯光渔船作业信息进行实时动态监测,该研究基于可见光红外辐射仪(visible infrared imaging radiometer suite,VIIRS)夜光遥感影像,根据远洋灯光渔船作业时其集鱼灯灯光在VIIRS白天/夜晚波段(day/night band,DNB)影像上的辐射特征,采用峰值中值指数(spike median index,SMI)对灯光渔船与背景像元间的辐射差异进行拉伸,在此基础上设计了基于最大熵法(maximum entropy method,Max Ent)阈值分割以及局部峰值检测(local spike detection,LSD)的作业远洋灯光渔船识别算法,并采用2015年西北太平洋公海灯光围网渔场内作业渔船船位监控系统(vessel monitoring system,VMS)数据对该算法的识别精度进行检验。验证结果显示,该文提出的作业远洋灯光渔船自动识别算法对实际作业灯光渔船的识别精度在92%以上,可以满足远洋灯光渔船日常监测的需求,可为进一步评估远洋光诱渔业捕捞努力量、推进远洋光诱渔业信息化管理以及打击非法、未申报和无管制的(illegal,unregulated,unreported,IUU)捕捞活动提供技术支持。

基于VIIRS数据洪泽湖悬浮物浓度估算算法研究

基于2012~2015年洪泽湖4次星地同步试验数据,建立了较高精度的水体悬浮物浓度单波段(671 nm)模型(R^2=0.74,RMSE=8.58 mg/L),并进行了验证(R^2=0.72,RMSE=11.98 mg/L);然后,将该算法成功应用到了2012~2015年464景VIIRS无云影像上.结果表明,洪泽湖悬浮物浓度呈现春夏低、秋冬高的季节特征和东、中部高,西、北部低的空间分布特征;在年际变化尺度上,悬浮物浓度年均值呈现较小的减少趋势.总体来说,VIIRS在浑浊水体悬浮物浓度上表现了较好的探测能力,在湖泊水色遥感领域具有较大潜力.

NPP/VIIRS和DMSP/OLS夜光数据模拟社会经济参量对比

鉴于新一代夜间灯光数据NPP/VIIRS比传统DMSP/OLS数据具有更高空间分辨率和更宽的辐射范围,提出对比两种夜间灯光模拟社会经济参量的潜力。以环渤海区域为研究区,选取全市年平均人口、市辖区年平均人口、全市生产总值、市辖区生产总值、客运总量、全社会用电总量、工业用电、城乡居民用电、建设用地、居住用地、城市道路共11个社会参量指标,分别构建基于NPP/VIIRS和DMSP/OLS两种夜光数据夜光总值参量与11个社会经济参量的回归模型。结果表明:相比DMSP/OLS数据,NPP/VIIRS数据与除全市年平均人口外的10个社会经济指标相关性更高,模拟残差也小于DMSP/OLS数据,表明NPP/VIIRS在模拟社会经济参量上具有优势。

基于VIIRS夜间灯光数据的城市建筑密度估算--以南京主城区为例

城市建筑密度在研究城市内涝的过程中与城市不透水率分布情况紧密相连,它还是城市发展规划的一个重要指标。通过使用Suomi-NPP/VIIRS夜间灯光影像,结合GIS手段分析了2012年南京市主城区灯光图像强度值与建筑密度之间的关系,并建立了相应的建筑密度估算模型,结果表明VIIRS夜间灯光强度数据具有实现建筑密度估算以及其他社会经济数据空间网格化的巨大潜力。

基于DNB验证的VIIRS夜间云检测方法

针对夜间云检测验证中低云和雾难以区分的困难,提出了对于南方山区有效的云检测和验证方案。通过分析可见光红外成像辐射仪套件(visible infrared imager radiometer suite,VIIRS)传感器数据的新特性和云检测的原理,给出了适合VIIRS夜间云检测的方法。对白天/夜间波段(day and night band,DNB)数据对云检测验证的适用性进行了分析。结果表明:在月亮天顶角小于60°时,DNB波段能够较好地用于夜间云检测验证;在扫描角小于15°时,云检测精度不低于91%;使用VIIRS的M12和M13通道的亮温差值BTM12-BTM13辅助M12和M15通道的亮温差值BTM12-BTM15进行低云检测,能够去除大部分山谷中雾的影响;检测阈值对扫描角大小变化敏感,当扫描角较大时,设定的阈值在检测精度上不如扫描角较小时理想。

VIIRS-TVDI法反演干旱区农田土壤湿度

在国内首次使用MODIS/AVHRR的后继VIIRS产品,依其每日地表反射率产品(GIGTO-VI1~5BO)计算NDVI,结合每日陆表温度产品(GMTCO-VLSTO),计算新疆农七师125团2015年6月29日~7月10日的TVDI结果,利用同期地面实测土壤含水率进行验证,R^2=0.846,两者之间不相关的双尾检验值<0.001。结果表明,构建的土壤湿度模型对农田土壤含水率有较好的反应,并将该模型推广到全天山北坡经济带地区。利用VIIRS数据构建的TVDI特征空间表现优秀,拟合结果良好;该数据因其自身幅宽、高时间分辨率等优势,应用于新疆农田土壤湿度监测,具有一定优势,可弥补VIIRS产品在我国该领域使用的空白。

VIIRS在中国渤海的遥感反射率产品验证

采用星星交叉检验方法,比对了VIIRS和MODIS在中国渤海遥感反射率获取能力。由对比结果得出:在近岸海区VIIRS和MODIS观测能力相似,在浑浊水体VIIRS的遥感反射率高于MODIS。同时基于2012年9月辽东湾航次获取的现场遥感反射率数据对VIIRS在渤海海区的反演能力进行了星地检验。结果表明:VIIRS在中国近岸二类水体的反演效果较好,但出现了低估现象,在反演精度上,VIIRS卫星Rrs产品的反演误差远离近红外波段而增大,随水体悬浮颗粒浓度的增加而增大。

基于MODIS和VIIRS遥感图像的苏禄-苏拉威西海内孤立波特征研究

苏禄海和苏拉威西海是内孤立波频发海域,本文基于2016年10月至2019年9月的中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)和可见光红外成像辐射计(Visible Infrared Imaging Radiometer,VIIRS)光学遥感数据开展了苏禄海和苏拉威西海的内孤立波特征分析研究。空间分布特征表明,苏禄群岛的西北部海域(118°—121°E,6°—10°N)和苏拉威西海南部海域为内孤立波多发区域。苏拉威西海南部海域存在南向和西向交叉传播的内孤立波。苏禄海和苏拉威西海的内孤立波波峰线最长可达400—500km,主要集中在100—150km范围内。利用射线追踪法结合遥感图像分析表明,锡布图岛和锡穆努尔岛附近海域存在4个内波发生源,生成的内孤立波分别向苏禄海的西北方向和苏拉威海的东南方向传播。遥感观测表明苏拉威西海也存在自东向西传播的内孤立波,共有3个发生源,位于邦加岛与比亚罗岛附近海域。苏禄海的内孤立波主要向西北方向传播,其传播速度在2m/s左右。苏拉威西海自东向西传播的内孤立波的速度在3.1m/s左右,自北向南传播的内孤立波的速度为3.0m/s左右。

基于改进非线性劈窗算法的VIIRS中红外海面耀斑区反射率计算

传感器入瞳处接收到的中红外波段(3~5μm)能量包含反射的太阳能量与地物自身的发射能量。通常该波段反射的太阳能量很弱,但在海面太阳耀斑区等特定情况下,被中红外通道探测到的反射太阳能量是比较可观的,且其对大气影响的敏感性较低,同时,对于搭载有在轨定标系统的卫星传感器,使用黑体定标后的中红外波段的在轨辐射性能相当稳定的。因此,考虑将中红外波段的海面耀斑区反射率作为用于反射太阳波段交叉定标的基准。基于这个想法,构建了改进的、适用于VIIRS(visible infrared imaging radiometer)中红外波段的非线性劈窗模型来计算南印度洋海面耀斑区中红外反射率。首先统计得到VIIRS M12和M13波段海面反射率的限定关系,然后使用非线性劈窗算法模拟计算海面反射率,模拟模型的不确定度为0.83%。在此基础上使用VIIRS的M12波段(中心波长为3.697μm)太阳耀斑区数据计算选取的样本区的海面反射率。然后使用两种方法对反射率精度进行验证,精度分别为0.29%和0.23%,假设M12和M13波段海面反射率相等的反射率计算结果精度分别为2.48%和1.03%。该计算模型大大提高了精度,说明该模型用于VIIRS M12中红外波段计算海洋耀斑区反射率是有效可行的,其精度能够满足中红外波段海面反射率作为波段间定标基准的需求。

植被覆盖区VIIRS与MODIS遥感指数的相关性

连续一致的遥感植被指数是获取地表植被动态变化的基础和前提。MODIS遥感指数具有较高时间分辨率且记录时间长,是快速、大面积获取植被信息的重要数据。然而,MODIS处于超期服役阶段,VIIRS是MODIS传感器的继承和发展,研究2种传感器同类植被指数的关系,以实现二者的联合应用,具有重要的应用价值。采用探索性数据分析方法,探究植被覆盖区VIIRS NDVI和MODIS NDVI的定量关系,结果发现:农田、林地、草地的VIIRS NDVI和MODIS NDVI均表现出显著的线性相关,相关系数最高可达0.96(P<0.01),均值在0.8以上。经验证,面向农田、林地和草地的综合模型能精确反映植被区VIIRS NDVI和MODIS NDVI的线性关系。农田、林地、草地的MODIS NDVI的时序特征和综合模型反演NDVI的时序特征具有一致性,综合模型可有效应用于两者间的转换和时序应用。

VIIRS-TVDI法反演干旱区农田土壤湿度

通过在国内首次使用MODIS/AVHRR的后继VIIRS产品,依其每日地表反射率产品（GIGTO-VI1-5BO）计算NDVI,结合每日陆表温度产品（GMTCO-VLSTO）,计算新疆农七师125团2015年6月29日-7月10日的TVDI结果,利用同期地面实测土壤含水率进行验证,R^2=0.846,两者之间不相关的双尾检验值〉0.001。结果表明：构建的土壤湿度模型对农田土壤含水率有较好的反应,并将该模型推广到全天山北坡经济带地区。利用VIIRS数据构建的TVDI特征空间表现优秀,拟合结果良好;该数据因其自身幅宽、高时间分辨率等优势,应用于新疆农田土壤湿度监测,具有一定优势,可弥补VIIRS产品在我国该领域使用的空白。