基于机器学习的FY-4A气溶胶光学厚度反

我国新一代静止气象卫星FY-4A搭载了先进静止轨道辐射成像仪(advanced geostationary radiation imager,AGRI),为了针对AGRI数据的特点开发基于机器学习算法的高时空分辨率AGRI气溶胶数据集,利用2021年中国及周边地区67个全球地基气溶胶自动观测网络系统(aerosol robotic network,AERONET)站点数据,选取AGRI数据中表观反射率数据、观测角度数据、高程和MODIS的地表反射率等因子,采用随机森林(random forest,RF)、梯度增强回归(gradient boosting regression tree,GBRT)、极端梯度增强(extrme gradient boosting,XGBoost)和反向传播神经网络(back propagation neural network,BPNN)4种机器学习方法反演气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)。根据模型评价指标选择最优模型,实现基于FY-4A的AOD反演,空间分辨率4 km,并与时刻相近的MODIS气溶胶产品进行对比分析。结果表明:4种机器学习建立的AOD反演模型相关系数R均在0.90以上,平均绝对误差(mean absolute error,MAE)和均方根误差(root mean square error,RMSE)均在0.09和0.14以下,机器学习模型对AOD反演具有一定的可行性;GBRT模型在4种机器学习中反演精度最优,验证误差中R为0.82,MAE为0.16,RMSE为0.25,47%的反演结果落在期望误差内,表明GBRT反演出的FY-4A AOD与站点观测值基本一致;将GBRT模型反演的AOD结果与MODIS气溶胶产品进行对比验证,发现FY-4A AOD反演结果与MODIS AOD在空间分布上具有较好的一致性,83.57%的网格偏差集中在[-1.0,0)之间,FY-4A AOD反演值相对MODIS AOD略高。

宽带消光法反演气溶胶光学厚度与AERONET北京站探测结果的对比研究

该文简要介绍了遥感气溶胶光学厚度的宽带消光法,重点比较与分析了2001～2002年间北京地区宽带消光法和全球气溶胶探测网(AERONET)气溶胶光学厚度的探测结果。对比结果表明,两类探测结果在无云晴天的条件下具有很好的吻合,二者的相关系数达到90%以上。另外,作者还针对宽带消光法反演月平均气溶胶光学厚度问题,提出了一个减小云对反演结果影响的方法,即月平均光学厚度约束法,并与全球气溶胶探测网探测结果做对比分析。二者结果的一致性表明该约束方法的有效性。

2003—2022年东北地区气溶胶光学厚度变化特征

利用2003—2022年我国东北地区MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)大气气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)数据和中国多尺度排放清单模型(multi-resolution emission inventory for China,MEIC),分析东北地区AOD的空间分布特征及年际变化趋势,讨论气象因子和人为排放对东北地区AOD变化的影响。结果表明:辽宁AOD较高,最大值为0.6,出现在辽宁中部,其次是吉林西部,AOD平均值为0.4,黑龙江AOD平均值为0.3。东北地区AOD高值区出现在春季和夏季,AOD空间分布在秋季呈减小趋势,冬季分布范围增加。不同季节AOD最高值均出现在辽宁,东北地区夏季AOD增加主要与环境湿度有关,边界层气象条件对冬季AOD具有一定影响。辽宁AOD在[0.1,0.2)和[0.2,0.3)范围内年平均发生频率最高为50%,吉林和黑龙江AOD在[0.1,0.2)范围的年平均发生频率最高为25%~30%,特别是黑龙江极端清洁状况AOD在[0.0,0.1)范围内年平均发生频率最高为15%。东北地区AOD区域平均值在2003年和2014年较高,主要受到边界层气象要素和人为排放SO_(2)、PM_(2.5)、有机碳和NO_(2)影响。东北地区夏季AOD年代际变化趋势从2012年之前的增长趋势(0.1·(10 a)^(-1))向2013以后的减少趋势(-0.3·(10 a)^(-1))转变。

利用MODIS资料反演北京及其周边地区气溶胶光学厚度的方法研究

基于 6S辐射传输模式 ,文中同时采用暗像元法和结构函数法建立了利用EOS Terra/MODIS 0 .6 6和 0 .4 7μm通道数据反演陆地气溶胶光学厚度的遥感模型 ,用于获取北京及其周边地区的气溶胶光学厚度。同时 ,利用与卫星观测同步的地基太阳光度计观测资料估计的气溶胶光学厚度数据验证卫星资料反演结果。研究结果给出了如何选择算法、卫星通道数据和气溶胶模型的最佳组合获取理想气溶胶光学厚度的方法。采用 4种气溶胶模型供反演计算选择。在研究中发现 ,暗像元法不适用于城市地区气溶胶光学厚度反演 ,这不仅与亮地表条件的限制有关 ,而且具有强吸收特性的城市气溶胶也是重要影响因素。两种算法由相同气溶胶模型假定误差造成的气溶胶光学厚度反演误差方向 (增加或减小 )相反。反演试验获取的气溶胶光学厚度分布指出 ,石家庄—北京—天津一线易出现气溶胶光学厚度高值带。

利用太阳光度计CE318反演气溶胶光学厚度改进算法的研究

针对影响太阳分光光度计精度的各种因素误差分析,分别在太阳天顶角,大气光学质量,Rayleigh光学厚度,臭氧总量等方面做了方法上的改进,以提高气溶胶光学厚度的反演精度。利用一般的文献上的处理方法做为比较,先考虑各种影响因素单独影响,再综合考虑各因素的影响结果,提出了太阳分光光度计处理的高精度算法,并应用于太湖等实际测量的反演中。实验处理表明本文改进算法对提高气溶胶光学厚度反演的精度有着良好的效果。将为仪器的使用,数据的处理提供有益的参考。

激光雷达测量大气气溶胶光学厚度方法研究

介绍一种激光雷达常数标定和气溶胶光学厚度(AOD)测量的新方法。利用太阳辐射计,获得大气气溶胶的光学厚度,激光雷达可以获得35-40 km高度的回波信号,在这一高度区间可忽略气溶胶的存在,大气模式可以提供大气分子散射系数,根据激光雷达方程计算出激光雷达常数。反之,标定激光雷达常数后,根据激光雷达方程,以激光雷达35-40 km的大气分子后向散射回波信号来确定气溶胶的光学厚度。激光雷达测量结果与太阳辐射计的测量结果一致性较好,说明该方法是可行的。这种新方法既可以用于白天的气溶胶光学厚度测量,也可以用于夜间测量。

基于改进暗目标法山区HJ CCD影像气溶胶光学厚度反演

国产HJ CCD影像在环境与灾害监测预报方面具有巨大的应用潜力,但其缺少中红外波段无法直接应用传统暗目标法反演气溶胶光学厚度,尤其山区受地形影响,气溶胶时空分布变化显著,影响了HJ CCD影像的大气校正精度。基于山区森林植被分布广的特点引入红波段直方图阈值法自动提取山区浓密植被暗像元,构建红蓝波段地表反射率间的线性关系,利用6S辐射传输模型建立查找表反演暗像元的气溶胶光学厚度,并通过空间插值推演到整幅影像。HJ CCD影像反演结果与MODIS气溶胶产品的空间分布趋势一致性非常好,且前者具有更高的空间分辨率特性,更适合山区气溶胶的遥感监测。二者的散点图拟合曲线为y=0.828 6x-0.001,R2达到0.984 3,表明改进暗目标法能有效地反演山区HJ CCD影像气溶胶光学厚度。工作中对传统暗目标法的改进有效地解决了HJ CCD影像只有可见光、近红外波段,在求解辐射传输方程时信息不足的问题,同时,改进方法中充分考虑了山区复杂地形环境的影响,为山区HJ CCD影像进行逐点大气校正奠定了基础,并为其自动化处理提供了可能。分析还显示,红波段直方图阈值法提取浓密森林暗像元比NDVI阈值法具有明显的优势;查找表建立和暗像元红、蓝波段地表反射率关系都会显著的影响气溶胶光学厚度的反演精度,是进一步改善算法、提高反演精度的重要研究方向。

利用水平面太阳直接辐射日曝辐量反演大气气溶胶光学厚度的方法研究

本文发展了一个从宽带水平面太阳直接辐射日曝辐量(总辐射与散射辐射日曝辐量之差)反演光谱大气气溶胶光学厚度的方法,包括建立一个"等效"的瞬时太阳天顶角模型,并提出了一个基于气溶胶标高的云影响甄别方法。对该反演方法的数值模拟和误差分析表明:"等效"瞬时太阳天顶角模型的不稳定性引起的光学厚度反演误差平均为3.66%;光学厚度日变化对一段较长时间的平均光学厚度的影响不显著;订正造成的散射辐射误差≤20%时,光学厚度平均偏差≤4%。通过与AERONET产品的比对验证表明:本文发展的光学厚度反演方法和云影响甄别方法都是有效的;晴空反演的0.75μm光学厚度与AERONET的相关系数超过0.95,平均误差约0.02;云甄别方法计算的季节和年平均光学厚度与AERONET具有较好的一致性。

气溶胶光学厚度反演查找表法误差初步解析

大气气溶胶是影响气候变化的重要因子之一,利用遥感手段不仅可以获得气溶胶的分布信息,也可以得到相关的气溶胶光学特性参数。气溶胶卫星遥感反演已经成为国际热点,但是反演方法基本上都是采取建立查找表的方法。针对该方法进行了一定的误差分析,将插值结果与真实结果进行比较,得到了一些初步结果。

基于分区暗像元和Spline插值方法估算太湖气溶胶光学厚度

传统暗像元大气校正算法认为研究区域上空的气溶胶光学厚度呈均匀分布状态。对于Ⅱ类水体,尤其是气溶胶类型复杂的内陆湖区,暗像元算法的均匀性假设将不再适用。针对传统暗像元算法的不合理性,本研究将太湖湖区划分为9个子区域,每个子区域利用传统暗像元算法估算其气溶胶光学厚度,然后结合Spline插值算法获取整个太湖的气溶胶光学厚度信息,并以传统暗像元大气校正算法作为参照,探讨与分析分区暗像元算法的精度状况。通过本文的研究可知:气溶胶光学厚度是遥感大气校正的关键参数;在2003年10月28日,受西北风的影响,太湖上空的气溶胶光学厚度呈湖南低,湖北高的分布模式;分区暗像元大气校正算法获取的气溶胶光学厚度平均值为0.79,标准偏差为0.099,标准偏差与平均值的比值为12.58%,与传统暗像元算法相比,分区暗像元算法综合考虑了水体上空气溶胶光学厚度空间分布的不均匀性,进而有利于改善大气校正的精度。

利用地物光谱仪测算大气气溶胶光学厚度方法

气溶胶光学厚度是进行大气校正的重要参数 ,本文提出了一种通过地物光谱仪测量太阳辐射来测算气溶胶光学厚度的方法 ,并将测算结果与 6S大气辐射传输模型的模拟结果进行比较 ,详细分析了误差来源。研究表明该方法是一种实用有效的方法 。

改进的浓密植被法反演Landsat-8 OLI气溶胶光学厚度

针对利用传统浓密植被法难以准确确定地表反射率的不足,分析了Landsat-8 OLI影像红蓝波段的地表反射率与归一化植被指数、散射角对短波红外波段(2.1μm)地表反射率的关系。分析表明,红、蓝波段与短波红外波段(2.1μm)地表反射率之间的比例关系随归一化植被指数和散射角的改变而不同,据此提出构建用于确定红、蓝波段地表反射率的关系模型,用于实现气溶胶光学厚度的反演。选取美国中东部云覆盖较小的地区进行气溶胶反演,使用AERONET站点数据进行反演结果的验证。结果表明,使用该模型得到反演结果与AERONET站点的实测值具有很好的一致性,拟合结果较好;大约70%的数据位于误差线内,反演结果满足精度要求。

能见度分级约束下的大气气溶胶光学厚度特征

利用ＰＩＳ太阳光谱仪观测了北京地区１９９３年３月—１９９５年３月晴天和少云天气的太阳直接辐射光谱，波长范围为０．４０－１．０４μｍ。光谱分辨率１．２５ｎｍ，共有１０６４组数据。观测期间，将地面能见度分为五级。由太阳直射谱获得了各能见度下大气气溶胶光学厚度谱。研究表明，北京地区大气气溶胶光学厚度虽然其总体季节统计规律为春夏大，秋冬小，然而，当加入能见度分级约束后，各能见度下气溶胶光学厚度的季节变化，近于消失。这表明少数“反常”垂直结构不影响能见度分级的平均结果。而不分级的光学厚度季节起伏主要由各季节的几率能见度决定。文中还把年平均五种能见度下的光谱光学厚度与ＬＯＷＴＲＡＮ模式作了对比。由光学厚度谱反演出了气溶胶粒子谱分布。

大气气溶胶光学厚度的卫星双通道遥感方法

提出了一种在晴空条件下、均匀下垫面上利用ＮＯＡＡ－１４极轨卫星甚高分辨率辐射计（ＡＶＨＲＲ）可见光和近红外两个通道观测的反射率资料，遥感整层大气气溶胶光学厚度的双通道方法。该方法把气溶胶散射的波长关系加以推广，把近红外通道的光学厚度均值引入可见通道，使单个通道中地表反射率和大气因子参数化的误差得以抵消，从而极大地提高了反演精度（＞９０％）。

基于MODIS数据的城市气溶胶光学厚度反演方法

遥感的方法为大面积获取气溶胶光学厚度提供了手段。目前使用MODIS(中分辨率成像光谱仪)数据反演气溶胶光学厚度常用的是暗像素方法以及对比法。由于城市地区符合暗像素标准的像素较少,而且城市地区的气溶胶成分复杂,难以确定其具体成分,所以暗像素方法会产生较大误差。根据MODIS第7、3、1波段对气溶胶的不同响应,以三者的反射率为自变量,结合地面实地观测数据,给出了计算北京地区气溶胶光学厚度的计算公式,误差分析表明该方法更适合城市地区。

柴达木盆地气溶胶光学厚度时空分布特征及气象要素影响分析

基于MODIS MCD19A2气溶胶数据集,利用线性趋势、Spearman相关性分析及?ngstr?m指数内插法,探究柴达木盆地2001-2021年大气气溶胶光学厚度的时空分布特征及气象因子影响。结果表明:在年际尺度上,柴达木盆地AOD波动上升,年增幅为3.74%,年均值为0.110±0.002;在季节尺度上,AOD季节性变化明显,其值由高到低分别为春季、夏季、秋季、冬季,其中,春夏季AOD呈波动变化,秋冬季AOD无明显变化;月尺度上,AOD呈单峰型,峰值为4月。在空间上,AOD高值区位于柴达木盆地腹部,呈现中间高四周低的分布特征,低值区位于昆仑山脉和祁连山脉等高海拔地区及植被覆盖率较高的区域。气象要素对AOD都有着一定影响,其中风速、温度、相对湿度、云量和降水都与AOD呈正相关,风速和温度对AOD的影响最大。

大气气溶胶光学厚度的宽带消光遥感方法及其应用

该文发展了遥感气溶胶光学厚度的一个宽带消光遥感方法 ,它应用地面上太阳直射表探测的宽波段太阳直射信息反演 0 75 μm大气柱光学厚度。这方法的主要误差因子是气溶胶谱的不确定性。数值试验表明 ,气溶胶谱分布的误差所引起光学厚度解的误差一般小于 5 %。 1995年 1— 10月进行的 12 6 7组对比实验表明 ,由本方法探测的气溶胶光学厚度与光度计探测的气溶胶光学厚度的标准差为 10 5 % ,两者平均结果的偏差只有 0 7%。该文还应用这个方法 ,从气象台站辐射观测资料反演得到北京、沈阳等 10个地方 1980— 1994年间晴天气溶胶光学厚度资料 。

气溶胶光学厚度的双角度多光谱反演方法研究

给出了利用角度和光谱两方面信息进行气溶胶光学厚度反演的方法,依据反演方法要求研制了机载双角度多光谱大气辐射计,并通过航空模拟实验验证了用其进行空间对地气溶胶光学厚度反演的可行性.实验结果显示,利用双角度和多光谱的方法,可以摆脱传统方法对地面反射率数据的依赖,在一般区域能够实现实时空间对地气溶胶光学厚度的反演,从而显示出了该方法在对卫星光学遥感数据校正和研究全球气溶胶对气候影响上的潜力.

高分十四号多光谱数据的气溶胶光学厚度反演

高分十四号(GF-14)是我国“高分辨率对地观测系统”专项十三五收官星,多光谱传感器是搭载在高分十四号上的主要载荷之一,GF-14多光谱传感器具有高空间分辨率的特点,在大气气溶胶的遥感监测方面具有良好的应用前景,但目前还未有针对GF-14多光谱影像的气溶胶反演研究。文章旨在建立从GF-14原始影像到气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)反演结果的全部流程,通过计算波段太阳平均辐照度将原始影像校正为表观反射率,在暗像元和亮地表像元处分别采用改进暗像元算法和深蓝算法反演AOD,得到两种算法融合的AOD产品。反演结果经过交叉验证,与MODIS AOD数据集相关系数达到0.89,与AERONET地基站点数据相关系数达到0.87,表明GF-14 AOD融合产品具有较高的精度,可以应用于大气环境监测、大气校正和定量遥感等领域,并为相关研究提供有益借鉴。

利用多元回归方法反演中国陆地地区AVHRR气溶胶光学厚度

AVHRR陆地气溶胶光学厚度（AOD）反演算法的开发对研究长时间气溶胶的变化规律有重要意义。通过建立AVHRRLevel 1b的观测量与同时进行观测的MODIS的AOD产品的对应关系,利用多元回归的数学算法进行AVHRR陆地AOD的反演。以2008~2011年两者的匹配数据作为回归样本获得多元回归系数,再应用到2003~2007年中国陆地地区AVHRR的观测上得到了AOD的时空分布,结果表明其空间分布特征与MODIS一致。将反演结果与同期的Aqua/MODIS及AERONET的AOD对比分析得到,AVHRR和MODIS的AOD的变化趋势具有很好的一致性。北京、香河等AERONET的观测值与AVHRR反演的AOD相关系数也在0.6以上。以上结果表明,此多元回归方法对历史AVHRR陆地AOD数据集的反演具有巨大潜力。