应用风云三号D星微波数据估算北极海冰面积和边缘线的精度评估

风云三号D星搭载的微波成像仪(microwave radiation imager,MWRI)可提供被动微波数据以实现全北极尺度的海冰面积和海冰边缘线研究。基于MWRI数据获取北极海冰面积和海冰边缘线的相关研究较少,且精度验证工作不足。使用基于6种算法的MWRI数据的海冰密集度结果,提取北极的海冰面积和海冰边缘线,将专用传感器微波成像仪/探测仪(special sensor microwave imager/sounder,SSMIS)和先进微波扫描辐射计(advanced microwave scanning radiometer 2,AMSR2)数据作为对比,使用中分辨率成像光谱仪(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)融合产品(2019年8月26日—12月31日)评估精度。结果表明,MWRI数据的海冰面积随时间变化的趋势与MODIS融合产品基本保持一致。MWRI提取的海冰边缘线相比SSMIS更接近MODIS融合产品获得的结果,均方根误差约为20~30 km。这些差异主要和数据间时空分辨率有关。总之,MWRI具有较优的性能,在北极海冰参数的监测研究中极具潜力。

FY-3D MWRI在轨交叉辐射定标和海表温度反演

海表温度(sea surface temperature,SST)在气候监测、海洋学研究、渔业经济研究和污染监测等多个方面起着重要作用。本文利用风云三号D星(FY-3D)微波成像仪(Microwave Radiation Imager,MWRI)数据对海表温度进行了反演。首先,以全球降水测量(Global Precipitation Measurement,GPM)卫星微波成像仪(GPM Microwave Imager,GMI)作为参考传感器,采用基于海洋微波辐射传输模型(radiative transfer model,RTM)的双差异方法对FY-3D MWRI进行交叉辐射定标,消除了其在轨辐射定标偏差,为精确反演海表温度奠定了基础;然后,在波段选择的基础上提出耦合微波海表发射率的海表温度多波段反演新算法,与传统的多波段反演算法相比,新反演算法的均方根误差从0.74 K减少至0.69 K;最后,用新反演算法从2020年的FY-3D MWRI数据反演得到全球的海表温度,并用时空匹配的iQuam浮标数据和GMI海表温度产品对反演结果进行精度验证,误差分别为0.04±1.13 K和−0.07±1.18 K。另外,在相同的条件下,用传统多波段算法反演得到的海表温度的误差分别为0.30±1.17 K和0.10±1.17 K。新算法的理论精度和实际反演精度均优于传统的多波段算法,说明本文发展的耦合微波海表发射率的多通道反演新算法是有效和精确的。

风云三号D(FY-3D)星地面应用系统产品生成系统设计与实现

本文基于卫星仪器观测的L1数据,结合辅助数据,综合利用多种信息定量提取方法,从多个谱段资料反演生成能反映大气、云、陆表、海表和空间环境等特征的各种地球物理参数产品进行设计,建设了一个可对FY-3D卫星仪器的L1数据进行信息加工和提取处理的PGS业务应用软件系统。

基于机器学习模型FY⁃3D MWRI海面风速反演

风云三号D星(FY-3D)微波成像仪(MWRI)L1级亮温数据可用于全球海面风速反演,本文讨论了在晴空区和云区使用多元线性统计回归模型和机器学习模型反演海面风速的情况,在晴空区将4 d测试集分别放入多元线性统计回归模型,采用随机森林(RF),支持向量回归(SVR),卷积神经网络(CNN)和Stacking融合(SF)模型对海面风速进行反演,最优的均方根误差(RMSE)分别为1.56、1.31、1.24、1.29和1.27 m/s;在云区2 d测试集上的最优RMSE分别为2.12、1.98、1.87、1.89和1.89 m/s。为了进一步验证晴空区海面风速反演的可靠性,选取美国国家浮标数据中心(NDBC)实测的浮标风速对海面反演风速进行验证,CNN反演风速与NDBC实测风速的RMSE为0.74 m/s,决定系数(R^(2))为0.80;SF反演风速与NDBC实测风速的RMSE为0.85 m/s,R^(2)为0.74。结果证实了通过机器学习模型能够很好地完成FY-3D MWRI亮温反演全球海面风速的任务。

全球风云三号D星MERSI/NDVI产品质量评估

MERSI/NDVI是风云三号D星的一个关键业务产品,深入了解其质量状况对推广产品应用、改进产品算法都具有重要意义。文中针对业务化运行后的全球MERSI/NDVI产品(2019年5月至2020年12月),以同期Terra MODIS/NDVI产品(MOD13A2)为参考,通过空间格局和时间序列的对比、APU(准确度Accuracy,精密度Precision,不确定性Uncertainty)指标计算以及回归分析等手段,评估MERSI/NDVI数据质量和可用性。结果显示,MERSI/NDVI和MODIS/NDVI在空间分布和时序特征方面具有较高一致性,但MERSI/NDVI有对高值低估、低值高估的倾向,故动态范围略窄;在全球平均水平上,MERSI/NDVI比MODIS/NDVI系统性偏低0.02-0,P和U值为0.06-0.08,MERSI/NDVI与MODIS/NDVI的差别由小到大的顺序大致为:裸土荒漠、稀疏灌丛和草地、密闭灌丛与农田、除常绿阔叶林以外的森林、常绿阔叶林;以MODIS/NDVI为自变量、MERSI/NDVI为因变量的线性回归模型精度较高(R2:0.91-0.95,RMSE:0.048-0.068),回归系数具有一定的时间变化(斜率:0.87-0.94,截距:0.02-0.04)。本研究是首次对风云三号D星MERSI/NDVI产品开展近乎全样本的对比检验,证明该产品基本可以替代MODIS/NDVI在全球开展物候信息提取、植被长势监测等应用。

风云三号卫星监测海洋浒苔、赤潮和溢油

风云卫星对海洋环境灾害(浒苔、赤潮和溢油)的定量遥感监测业务能力需要提升。利用风云三号D星中分辨率光谱成像仪MERSI-II资料以及部分高分卫星数据,探索解决大气校正和云检测两个技术难点问题的方法,分别依据浒苔、赤潮和溢油的光谱特征,建立相关的遥感监测算法,实现对海洋浒苔、赤潮和溢油的判识,并在相应个例中取得较好的监测效果。

风云三号D星的中分辨率光谱成像仪的轨道间数据融合技术

FY-3D极轨卫星搭载的中分辨率光谱成像仪MERSI载荷具有最高分辨率达250 M的可见光遥感图像,包含了丰富的植被、山区等地表信息。风云三号卫星对遥感应用监测等具有重要作用。但是作为极轨卫星,FY-3D每间隔102min覆盖一轨数据,由于每轨数据的卫星天顶角、太阳高度角等条件存在差异,再加上风云三号是星上实时定标,每条轨道也存在定标上的差异,因此在全球拼图时不同轨道反射率数据亮度差异明显,有很明显的缝隙,再加上云的移动和变化,因此不同轨道间的云数据也明显出现断层,从而影响整个MERSI-II全球数据的应用,尤其在植被监测、城市热岛监测的应用上更是影响精度。本文以风云三号D星业务系统的全球拼图浏览系统为工作平台,创新提出了基于一定优选算法,利用卫星天顶角进行轨道间数据融合的技术,设计和开发了相应的工程化模块,来消除轨道间数据差异,业务实践证明,该技术效果明显,可显著提高后续MERSI-II载荷的遥感产品应用。

风云三号D星微波温度计条带噪声抑制研究

利用主成分分析法(Principal Components Analysis,PCA)分析了风云三号D星微波温度计(Microwave Temperature Sounder,MWTS)观测数据中条带噪声的分布特征,描述了存在条带噪声的主要模态。基于集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)方法对存在条带噪声的模态所对应的时间系数进行了分解并滤波。通过重构观测亮温实现了对条带噪声的抑制。在定性验证条带噪声抑制效果的基础上,通过将观测亮温与模态亮温进行比较来定量评估条带噪声抑制后的数据精度。统计结果表明,经过条带噪声抑制后,观测亮温与模态亮温的标准差减小约0.018 K,进一步提升了MWTS的数据精度。

运用主成分分析方法诊断和消除风云三号B星微波湿度计观测数据中的噪音

风云三号A星和B星上的微波湿度计（MWHS）在183GHz附近有3个水汽探测通道（通道3～5）。搭载在MetOp和NOAA卫星上的微波湿度计（MHS）在相同频率上也有3个水汽探测通道。MWHS和MHS都是跨轨扫描仪器。通过对比MWHS观测亮温和用辐射传输模式模拟得到的亮温，发现在这3个通道的观测中都存在着沿轨道方向、随扫描角变化的直线形噪音。即使对足够长时间里的大量资料进行平均分析，该噪音也没有消除，说明噪音并不是由大气或地表的自然变化引起的。通道3～5噪音的大小分别是0.3，0.2和0.2K。用主成分分析方法（PCA）对MWHS一个月的资料进行研究，发现MWHS的直线形噪音主要存在于第一模态中，MWHS的直线形噪音叠加在该模态所主要描述的观测亮温随扫描角变化特征，即跨轨仪器的主要特性。对于这3个水汽探测通道，第一主成分解释了超过99.91%的总方差。将第一主成分进行5点平滑再对原观测数据重构可以有效地去除MWHS资料中的噪音。重构后的资料随扫描角的变化变得比较平滑，与MHS偏差随扫描角的变化特征一致。

FY-3D-MWRI陆表温度的全国气象台站检验

针对FY-3D-MWRI卫星数据L2级陆表温度产品精度及可用性问题,对2019年1—12月全国区域内卫星遥感陆表温度(Ta)与2 000多个气象台站同步地面温度(Tg)和草面(雪面)温度(Ts)进行标准差对比与相关性分析检验。结果表明:利用FY-3D-MWRI数据反演的陆表温度与地面观测结果基本一致,瞬时值产品平均标准偏差小于6.4℃,数据相关性0.54以上,旬月产品更精确,能够比较准确反映我国各地陆表温度的时空分布特征。同时,对于非均匀下垫面,反演的陆表温度与地面温度和草面地温的相关性一般,但Ts-Ta与Tg-Ta存在显著线性正相关关系,且相关系数稳定。

FY-3D卫星姿轨误差标校及对定位影响研究

卫星轨道及姿态误差是影响图像地理定位精度的关键因素,以风云三号D星(Fengyun-3D,FY-3D)中分辨率光谱成像仪(medium resolution spectral imager,MERSI)为例分析了轨道及姿态实测数据,分析结果表明,FY-3D轨道及姿态均存在多种因素导致的误差,为确定该误差来源,利用卫星搭载的全球卫星导航系统掩星探测仪高精度星历对星上姿态数据全链条计算进行分析,确定姿态误差来源于星上算法存在误差,提出订正优化方案并分析其可行性,进而利用订正后的姿态及轨道数据进行图像地理定位。实测结果表明,MERSI的1 km图像地理定位精度在沿轨和跨轨方向均提升了约20%,达到亚像元级,分析结果表明,通过标校姿轨误差以提高定位精度的方法行之有效。

基于GDAL库的LINUX环境下的FY-3D和FY-4A遥感数据处理

基于GDAL库的功能和其开源、可对栅格空间数据操作的特点,将GDAL与C++语言的完美结合,可极大得发挥其在开发遥感图像处理软件中的优势,并可跨平台应用于不同操作系统下的遥感图像数据处理软件系统中。本文介绍了最新一代的气象卫星风云三号D星极轨卫星数据特点及格式和风云四号A星静止卫星数据特点及格式,以及以FY-3D和FY-4A官网发布数据为例,详细讲述了如何利用GDAL库和C++语言,对HDF5和NETCDF格式的遥感数据进行通道合成、植被指数计算等遥感图像处理的实现,为遥感软件的开发提供了参考。

风云三号D星天基BDS实时定位性能分析

随着北斗三号卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system-3,BDS-3)开始向全球提供导航服务,独立使用BDS为在轨运行的卫星提供全球覆盖、全时段的定位服务成为可能。结合风云三号D星(FengYun-3D,FY-3D)全球卫星导航系统掩星探测仪(global navigation satellite system occultation sounder,GNOS)的真实在轨数据对天基BDS的定位性能进行了详细的分析。首先,使用BDS真实广播星历计算了在不同轨道高度下的可见卫星数和定位精度因子(position dilution of precision,PDOP),并结合精密星历分析了广播星历的轨道误差、时钟误差及空间信号测距误差(signal-in-space range error,SISRE)。仿真结果表明,在95%的置信水平下,从地面到2000 km的轨道高度,BDS在全球范围内最小可见卫星数为6,最大PDOP小于5,星座可用性已经达到100%,全球平均可见卫星数BDS比GPS(global positioning system)高50%以上;BDS广播星历的轨道误差为1.5 m,时钟误差为2.4 ns,SISRE达到了0.79 m,BDS-3的卫星时钟精度已达到GPS相当的水平。然后,使用GNOS在轨数据测试了BDS的可见卫星数、信号强度、伪距测量精度、定位精度等,重点对BDS-2卫星的码偏移进行了详细的分析。在轨数据分析表明,只使用BDS-2信号时在服务区域内可实现100%的定位,三维定位精度为5.53 m;确认了北斗地球同步轨道、倾斜地球同步轨道、中地球轨道卫星均存在随仰角变化的码偏移,其中北斗地球同步轨道卫星在仰角低于40°时的码偏移是直接测量得到;使用BDS双频测量数据获得了836 km轨道高度以上顶部电离层的全球相对分布,电离层对伪距的相对延时在0.6 m左右。研究对于BDS的天基应用有重要意义,为天基BDS接收机的设计奠定基础。

风云三号D卫星GPS信号功率调整及干扰分析

全球定位系统(global positioning system,GPS)卫星的IIR和IIF卫星能够在各个信号分量之间重新分配其发送信号的功率,一个或多个GPS信号可以在指定区域根据需要进行功率调整或者关闭。分析GPS信号的变化特征对于地面和空间应用有重要的意义。风云三号D(FengYun-3D,FY-3D)卫星是中国极轨气象卫星之一,利用FY-3D卫星实际测量数据可以帮助GPS用户全面了解GPS功率调整的特点。首先,利用FY-3D运行轨道全球覆盖的特点分析GPS信号的强度,特别是GPS信号功率调整时间段信号变化的特点;然后,使用在轨数据研究了全球范围L波段信号干扰的特征,得到了干扰对全球导航卫星系统掩星探测仪掩星天线的自动增益控制和基底噪声的影响。结果表明:从2020-02-14开始的GPS功率调整以[35°N,37°E]和[35°N,69°E]为中心,覆盖半径约为7500 km,在该区域内GPS P(Y)码功率增加约10 dB;GPS L1和L2频段在中东地区持续受干扰的影响,该区域的基底噪声比其他区域增加约3~10倍;干扰区域中心点和GPS功率调整区域中心点大致在同一位置。GPS卫星的功率调整和信号干扰对GPS用户,特别是低轨卫星的定位有明显的影响,在GNSS接收机设计时应引起重视。

CSES/FY3C掩星与数字测高仪探测电离层特征参数比较分析

为了进一步提高当前风云三号系列卫星(FY3C)以及张衡一号电磁监测试验卫星(CSES)等具备北斗卫星导航系统(BDS)及全球定位系统(GPS)无线电掩星(RO)观测能力的低轨卫星所得电离层峰值参数的反演精度,提出一种以数字测高仪探测数据为参考,采用多种时空匹配窗口对掩星反演结果进行电离层特征参数验证分析的方法:实验结合2018-7-20—2018-8-20共计20551次掩星事件,及6094个数字测高仪观测电子密度廓线数据,从峰值密度、峰值高度及临界频率等多方面对FY3C与CSES卫星掩星观测进行对比分析;同时为避免由于不同观测数据时空不一致引入的差异,分析不同时空匹配窗口对掩星与数字测高仪观测结果比对的影响。结果表明:低轨卫星掩星所得峰值参数与数字测高仪观测资料在不同匹配准则下的比较结果存在差异;当空间(时间)窗口不变时,随着时间(空间)窗口增大,无论是低轨卫星掩星同数字测高仪探测数据的比较,还是低轨卫星自身之间的比较,其电离层峰值参数数据匹配的相关性(一致性)都将下降,进而导致相关系数与拟合精度的减小;在相同的时空匹配窗口中,CSES与FY3C掩星反演出的电离层峰值密度相关性较强,而电离层峰值高度相关性较弱;CSES卫星更适合于低纬地区低高度与中高纬地区低中高度的电离层掩星探测,而FY3C卫星则适合于低纬地区中高高度与中高纬地区高于CSES卫星轨道高度的电离层掩星探测。

FY-3D星微波湿温探测仪通道响应函数的影响分析

微波湿温探测仪(MWHTS)的通道响应函数(SRF)一般被认为近似于矩形函数,然而从实际SRF的测试数据来看,MWHTS各个频段不同通道的SRF存在一定的带内波动。本文利用大气辐射传输模拟器(ARTS)模拟了MWHTS中118 GHz各通道不同场景的亮温谱,并输入至前期建立的MWHTS系统仿真模型中,通过定标得到了仪器的输出亮温,进而评估实测SRF对亮温测量及其反演的大气温度廓线的影响,并利用卫星实测数据进行了对比验证。结果表明,亮温偏差与实际SRF的带内波动呈现线性正相关的关系,当带内波动大于3 dB时,亮温偏差可以达到0.2—0.5 K。SRF的带内波动会造成大气温度廓线反演误差,特别是在高度为1.8 km时,误差最大可以达到0.8—0.9 K,该仿真结果与卫星实测数据结果一致。因此在使用数据同化方法对数值天气预报(NWP)进行模拟时,需要特别注意具有较大SRF带内波动的通道所引起的亮温偏差,这对于未来卫星数据的应用具有重要的研究价值。

风云三号C星SEM高能粒子数据检验及应用

风云三号C星(FY-3C卫星)空间环境监测器(SEM)可监测轨道高度上的高能带电粒子(质子、电子和重离子)辐射环境及其引起的辐射剂量和表面充电等空间天气效应,是空间天气监测预警业务不可或缺的自主数据源之一。为验证FY-3C卫星高能粒子探测数据的有效性,需开展数据的定量检验工作。本文采用与同类卫星同类数据进行交叉比对的方式来进行检验。首先,根据一定的假设条件,对比对数据进行归一化处理,尽量消除不同卫星间观测时间、空间(星下点经、纬度和高度)、方向和能量范围等差异对高能粒子分布的影响,然后进行比对,最后计算比对数据间的相关系数、斜率和标准偏差等统计参数,并据此评价比对数据的一致性。通过空间天气平静期高能质子和高能电子与NOAA-18和FY-3B卫星数据的交叉比对可以看出,FY-3C卫星高能粒子数据与比对卫星数据具有较好的一致性。由于工作原理和技术指标相同,FY-3C与FY-3B卫星高能粒子数据的一致性更好,也证明了载荷技术状态的稳定性。通过对太阳质子事件和高能电子暴的观测实例证明,FY-3C卫星高能粒子数据能够准确地反映空间天气扰动事件的特征和强度。以上结果表明,FY-3C卫星高能粒子数据可信度较高,能够用于空间天气监测、预警以及研究工作。

FY-3D MERSI-Ⅱ地表温度遥感反演与验证

地表温度是是决定地表辐射能量收支的重要变量,在岩石圈、水圈、生物圈和大气圈的能量平衡和水量平衡研究中起着重要作用。利用热红外遥感技术可实现区域和全球尺度地表温度的快速获取,其受到了研究者的广泛关注。目前,FY-3D是国内光谱分辨率最高的对地观测卫星,极大的提高了对地观测能力,其搭载的中分辨率光谱成像仪(MERSI-Ⅱ)经过大幅升级改进,性能有了显著提升,热红外数据的空间分辨率达到了250 m。本文使用大气辐射传输模型MODTRAN 5模拟了MERSI-Ⅱ传感器热红外通道星上观测数据。在此基础上,构建了通用劈窗地表温度反演模型,结合ASTER GED全球地表发射率产品以及MERSI-Ⅱ自身大气水汽反演算法,发展了地表温度遥感反演方法。最后,利用2019-08内蒙古乌海沙漠地区及美国SURFRAD多个站点的实测地表温度数据对本文提出的方法进行了验证。研究结果表明,相较地表实测数据,构建的劈窗算法反演的地表温度RMSE在1.6—2.6 K,反演精度达到了预期目标,还具有较高的空间分辨率,可以用于业务化的地表温度的反演,同时也说明其辐射定标精度有了一定保证,有效满足了区域和全球尺度地表温度遥感监测应用需求。