中国遥感卫星辐射校正场陆表热红外发射率光谱野外测量

中国遥感卫星辐射校正场陆表发射率光谱是利用陆表场地进行遥感器红外通道绝对辐射定标的关键因子之一。基于光谱平滑的温度与发射率分离反演迭代算法,利用高精度的BOMEMMR154傅里叶变换红外光谱仪和红外标准板,对敦煌戈壁陆表发射率光谱进行测量。获得了不同时间和地点测量的陆表发射率光谱数据,并与利用CE312通道式红外辐射计在相同区域的测量结果进行比较分析。结果表明各个通道发射率的差别均在0.012以内,具有较好的一致性。利用该发射率光谱测量结果,可以在敦煌戈壁——中国遥感卫星辐射校正陆面场,对目前国内外主流的遥感卫星热红外通道进行在轨场地绝对辐射定标。

可在轨溯源的太阳反射波段光学遥感仪器辐射定标基准传递链路

分析了现行光学遥感仪器辐射定标方法的局限性,以满足定量化遥感的精度及多数据融合比对研究的需求。设计了以空间低温辐射计为初级辐射基准,以太阳为光源,包括太阳单色仪、太阳光谱仪、传递辐射计、太阳漫反射板等组件在内的可在轨溯源的光学遥感仪器辐射定标基准传递链路。首先以低温辐射计和太阳光源建立的光谱辐射基准定标传递辐射计和太阳光谱仪;然后利用传递辐射计定标太阳漫反射板,建立对地光谱辐亮度基准;继而将基准传递至地球光谱成像仪作为对地观测标准,从而实现对其它卫星光学遥感器的交叉定标。对光学遥感仪器辐射定标基准传递链路各个环节的分析显示,辐射定标基准传递链路的测量相对不确定度为0.75%。结果表明,以此辐射基准传递链路构建覆盖我国空天一体的遥感定标网络可为建立平行于地面基准体系的空间数据质量保障体系奠定技术基础。

利用大洋浮标数据和NCEP再分析资料对FY-2C红外分裂窗通道的绝对辐射定标

介绍利用大洋浮标数据和NCEP再分析资料对FY-2C红外分裂窗通道进行在轨绝对辐射定标的方法,并选择了2006年10个时次的卫星数据进行辐射定标试验.将利用这种方法获得的定标结果与FY-2C卫星数据产品中提供的定标查找表进行比较分析,结果表明两套不同的定标系数反演的大气层顶(TOA)亮度温度的主要差别集中在云顶、冰雪覆盖区域等低温像元;而在常温区的陆表和海表像元定标结果差别较小,反演的TOA亮温差在2K左右.提出的替代定标方法可以极大地提高定标频次,为实现FY-2C红外分裂窗通道的实时绝对辐射定标提供了重要的方法基础.

利用MODIS对FY-2E/VISSR红外窗区和水汽通道的交叉绝对辐射定标

介绍了利用高精度的TERRA/MODIS观测资料对FY-2E红外窗区和水汽吸收通道进行绝对交叉定标的方法,并选用2010年5、7和12三个月的卫星数据进行了交叉定标计算。结果表明,交叉定标系数计算亮温与MODIS匹配点处实测结果非常接近,约90%的亮温偏差小于1K,其中高温区结果更稳定,偏差小于低温区,这主要是由于低温区杂散光影响显著造成的。总的说来,借助TERRA/MODIS可以实现对FY-2E/VISSR的高频次高精度的绝对定标,为FY-2E在轨替代定标提供重要的方法基础.

红外高光谱干涉仪辐射定标误差敏感性因子的仿真分析

鉴于对高精度高时空分辨率大气探测资料日益增长的科研和业务需求,我国正大力发展星载红外高光谱探测系统。星载红外高光谱干涉仪光机结构复杂,仪器状态会显著影响其定标精度。本文通过理论分析和仿真实验,分别讨论了内黑体发射率、低温黑体发射率、内黑体与环境温度差、非线性系数以及直流电压演算等误差敏感性因子影响辐射定标精度的特征。分析表明定标辐射偏差的绝对值与内黑体/低温黑体发射率呈线性关系,且与内黑体与环境温度差、非线性系数、直流电压呈正相关;提高内黑体发射率和低温黑体发射率到0.985以上、控制内黑体与环境温度差在0.6 K左右、控制干涉仪的非线性效应系数低于0.04,这些方案均是实现0.1 K辐射定标精度的必要条件;辐射定标参数对定标辐射的影响特征结合地面真空实验的定标参数估计,可以迭代得到已测得和未知的定标参数的最优估计,从而提高定标精度。本文的研究结果对于红外高光谱干涉仪的参数设计以及辐射定标误差来源的识别和订正有着十分重要的意义。

中国遥感卫星辐射校正场热红外通道在轨场地辐射定标方法精度评估

基于中国遥感卫星辐射校正场对在轨运行的遥感卫星热红外通道进行在轨绝对辐射定标,利用TERRA/AQUA MODIS卫星观测数据,对中国遥感卫星辐射校正场热红外通道在轨场地辐射定标方法进行精度评估与分析。将MODIS观测的入瞳亮温与外场实测数据通过辐射传输模式模拟到卫星入瞳的亮温进行比较,结果表明对热红外窗区通道的定标精度优于1.0 K（@300 K）。目前应用于我国在轨风云气象卫星热红外通道的中国遥感卫星辐射校正场绝对辐射定标方法本身具有很好的定标精度：对10.5～11.5μm通道,误差在0.747 K以内;对11.5～12.5μm通道,误差在0.851 K以内。

FY-3C/可见光红外扫描辐射计中红外通道太阳污染的识别和修正

基于风云-3C/可见光红外扫描辐射计（FY-3/CVIRR）的中红外通道（3.7μm）的太阳污染现象和发生规律,分析了太阳污染出现的时空特征,提出了初步判识并修正北半球太阳污染数据的方法,并就太阳污染对定标系数和黑体亮温的影响做了定量的评估。结果表明,对于FY-3C/VIRR的中红外通道,太阳光线照射到定标黑体时所形成的北半球高纬度太阳污染主要出现在太阳天顶角在85°~118°之间的位置时;由太阳污染导致的该区域地球观测亮温日平均偏差为4.5K左右,最大偏差达到15K左右。通过对逐日太阳污染数据进行识别,并采用污染前后定标系数进行线性求差值,可以初步修正太阳污染对定标系数带来的异常影响。

风云三号红外高光谱探测仪的光谱定标

风云三号D星(FY-3D)于2017年11月15日成功发射,是我国第二代极轨气象卫星,其上搭载了红外高光谱大气探测仪(HIRAS),实现了地气系统的高光谱分辨率红外高精度观测,由于光谱频率的精确性会直接影响辐射精度,红外干涉仪器必须进行逐通道的光谱定标。首先对干涉图数据进行傅里叶变换获得粗定标结果,再基于仪器参数计算仪器线型函数,进行光谱精校正,开发了风云三号D星HIRAS的光谱定标技术,并用发射前和在轨数据进行了精度验证。光谱定标方法能有效订正由于仪器离轴探元设计引起的光谱位置偏差,基于地面单色激光测量数据验证,长波4个探元20×10^(-6)左右的偏差可订正到0.5×10^(-6)(1和2探元)和7×10^(-6)(3和4探元)以内;中波1四个探元50×10^(-6)左右的偏差可分别订正到6×10^(-6)(1和3探元)、8×10^(-6)(2探元)和13×10^(-6)(4探元)以内;基于在轨数据验证三个波段光谱订正后光谱精度偏差和标准差均可达到5×10^(-6)以内。三个波段光谱定标结果均满足卫星使用技术指标10×10^(-6)的要求,有效保证了辐射精度评估和后端遥感产品开发应用的要求。

FY-2D红外探测器窗区通道非线性特性及其定标订正方案

利用实验室定标与基于高光谱探测器IASI的交叉匹配样本,分析了FY-2D红外探测器在窗区通道的非线性特征,结果显示,VISSR在信号两端都存在非线性特征,但对低信号端的影响最为显著.与实验室测量结果比较,线性定标在低温端会带来大于10 K的亮温偏差.为了同时保证定标结果的质量及其稳定性,采用分段定标方案,高温端为线性定标而中低温端为非线性.从一致性以及台风个例分析等方面对定标方案进行了验证,分析结果表明,分段定标方案稳定,对低温端的定标精度改进显著,与线性结果比较台风监测亮温精度提升大于7K.

锡林浩特草原陆表热红外发射率光谱野外测量

锡林浩特草原陆表发射率光谱是利用陆表场地进行卫星遥感器红外通道绝对辐射定标和产品真实性检验的关键因子之一。基于光谱平滑的温度与发射率分离反演迭代算法,利用高精度的波曼(BOMEM MR154)傅立叶变换红外光谱仪和红外标准板,对锡林浩特草原陆表发射率光谱进行测量。获得了不同时间和观测条件下测量的陆表发射率光谱数据。利用该发射率光谱测量结果,可以利用锡林浩特草原对目前国内外主流的遥感卫星热红外通道进行在轨场地绝对辐射定标,并对热红外遥感产品进行真实性检验。

温室气体吸收带重叠对CO_2红外辐射效应的影响

利用精确的逐线积分模式,研究了大气主要温室气体H2O、CO2、O3、N2O和CH4吸收带重叠对红外冷却率的影响。同时,通过CO2浓度加倍的敏感性试验,详细讨论了重叠效应对CO2辐射效应的影响。结果表明:气体吸收带重叠对大气红外辐射计算具有重要的影响。在这5种大气主要的吸收气体中,N2O和CH4的重叠效应对总冷却率影响很小,在实际应用中可以忽略两者的重叠作用,采用近似方法处理其贡献。重叠效应对CO2辐射效应影响的总趋势是减弱由于其浓度增加而导致的温室效应的增强,主要贡献来自于CO215μm带的两翼,以及以960 cm-1和1064 cm-1为中心的次级弱吸收区。在垂直方向上,重叠效应主要表现在减弱了地表大气的增温强度,并使对流层大气由原来的冷却作用转变为增暖作用,而对平流层大气的影响很小。此外,由于大气H2O含量的变化,重叠效应还表现出明显的季节性和纬度变率。

FY-2水汽通道光谱响应测量大气污染评估和订正

由于无法实现真空测量,大气吸收作用会对实验室光谱响应(SRF)测量产生污染。为了提高光谱定标精度,通过敏感性试验定量评估了大气污染对水汽通道实验室光谱响应测量的影响,并以FY-2D为例进行了光谱响应污染订正,分析了光谱污染带来的通道辐射计算误差。不同测量环境的敏感性模拟结果表明:大气吸收导致光谱测量曲线产生显著波动,强吸收光谱处的响应减弱,致使依赖于SRF的通道辐射计算结果被高估。光谱污染带来的通道亮温偏差随着水汽含量的增加呈指数增长趋势,偏差大于0.5K且仅在等效水平路径小于1m相对湿度低于15%的干燥环境下小于1K。4m水平路径35%相对湿度的情况下,亮温偏差可大于4K。FY-2系列卫星水汽通道的光谱响应都存在不同程度的大气污染现象。利用水平大气透过率光谱,通过光谱比值的方法,对FY-2D的SRF进行订正。订正后SRF的异常波动被基本消除,曲线分布更加光滑合理。理论分析结果表明:大气污染导致FY-2D在典型大气条件下大气层顶的通道亮温模拟偏高2.2K,黑体辐射进而辐射定标高估7.6%。大气吸收对实验室光谱定标的影响非常显著,不仅对水汽通道对所有气体吸收通道都不能忽略。实验室光谱定标不能忽略大气吸收的影响,应该通过扣除大气透过率的影响的方式对测量光谱响应进行订正。

FY-3B MERSI短波红外波段温度响应与在轨定标分析

风云三号B星(FY-3B)中分辨率光谱成像仪(Medium resolution spectral imager,MERSI)的两个短波红外波段(1.64和2.13μm)采用光伏碲铬汞探测器,由于辐冷问题导致短波红外波段探测器的实际工作温度远高于设计值,影响了其在轨辐射特性。对处于高温工作状态的FY-3B MERSI短波红外波段的长时间序列在轨辐射特性进行了较为系统的研究分析。采用冷空观测和遥测温度时间序列数据开展了工作温度对遥感器响应的影响分析,发现短波红外波段的冷空值与探测器温度之间存在正相关关系。采用线性模型描述仪器响应的温度依赖性,获得了温度校正因子;温度每变化1度,1.64和2.13μm波段冷空观测值分别变化约0.7%和5%。进行温度校正后,冷空观测时间序列的波动显著降低。采用全球多目标定标方法获得了短波红外波段的在轨辐射响应变化,在参考温度下,2011年11月至2016年12月,1.64和2.13μm波段的总衰减分别约为6%和11%。通过与Aqua中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution imaging spectroradiometer,MODIS)的多年交叉比对分析,发现不管是否在定标过程中进行温度校正,采用基于长时间序列趋势建模的日定标更新后MERSI与MODIS的辐射偏差较为稳定,可以满足7%的定标指标要求。

三峡库区森林叶面积指数多模型遥感估算

叶面积指数(leaf area index,LAI)是定量研究森林生态系统能量交换的一个重要结构参数。本文利用野外观测LAI,以及Landsat TM计算的7种常用植被指数和5个自定义植被指数,通过筛选建立了不同森林类型的LAI估算模型,其中,针叶林采用多元逐步回归模型,阔叶林与混交林采用主成分分析模型,最终通过多个模型估算三峡库区区域尺度森林LAI。利用样地实测LAI数据进行精度验证,针叶林、阔叶林和混交林的均方根误差分别为0.829 4,1.111 5 和1.790 9,判定系数 R 2 均达到了0.77以上。研究结果将为森林生态系统和碳循环研究提供基础数据。

风云二号气象卫星红外通道交叉辐射定标光谱匹配

着重介绍了宽通道红外遥感器对应通道间的交叉辐射定标光谱匹配方法,并以FY-2CIR1、IR2与Terra/Aqua MODIS 31、32通道为切入点,进行通道间的光谱匹配计算,获取了两通道的光谱匹配因子,为实现这两种传感器红外分裂窗通道的交叉定标奠定了基础。该方法可以很好地应用于各种类型卫星红外遥感器的对应通道间交叉定标光谱匹配,为实现不同类红外遥感数据的辐射归一化提供了重要的方法借鉴,为建立一致的全球红外遥感观测数据库奠定了基础。

FY-3A陆表温度反演及高温天气过程动态监测

采用FY-3A/VIRR数据,利用Becker局地分裂窗改进算法反演得到逐日陆表温度(LST),对2009年一次高温天气过程进行动态监测,并分析不同下垫面的热环境变化。结果显示:此过程中可见光红外扫描辐射计(VIRR)陆表温度产品在敦煌辐射校正场地两次验证的误差为-0.17 K和1.77 K,与同时间过境的MODIS产品均方根误差为2.64 K,直方图对比陆表温度的频数分布基本一致;对高温天气过程监测发现,此次出现以华北的石家庄、郑州、北京等地和西北地区东部的西安等地为中心的两个陆表温度高值区,部分地区达到了320.2 K以上;城市剖面资料证实城市热岛现象存在,并发现工矿用地的热岛效应不容忽视,主要是大面积的工矿用地周围植被破坏严重,地表增温更为显著。

FY-2静止卫星红外通道的高光谱交叉定标

介绍利用高光谱探测器IASI和AIRS对FY-2静止气象卫星VISSR红外通道进行绝对交叉定标的方法,并且基于FY-2E业务运行以来的历史数据对该方案进行可靠性检验和误差分析。结果表明,基于两个独立仪器得到的高光谱定标结果间具有很好的一致性;高光谱定标的亮温偏差基本上呈正态随机分布没有明显的系统偏差,平均亮温偏差小于0.07K,标准差约1.4K,其中亮温大于290K时,平均偏差小于0.2K,亮温大于220K时,平均偏差小于1K,低温端平均偏差约为3K;本文方法与目前FY-2EL1文件中提供的定标结果相比有明显改善,精度平均提高大于1K,低温端2—3K。长时间统计分析结果证明文中采用高光谱交叉定标方案稳定可靠,精度能够满足定量应用需求。

激光雷达GLAS与ETM联合反演森林地上生物量研究

在实现大脚印激光雷达GLAS森林冠顶高度反演算法基础上,建立了复杂地形条件下森林地上生物量神经网络反演模型,制作了研究区森林地上生物量分布图。总体上,激光雷达GLAS森林冠顶高度和地上生物量估算精度较高。森林冠顶高度针叶林精度最好(R2=0.692);阔叶林次之(R2=0.5062);地上生物量反演结果与实测结果十分接近,在空间分布上与土地覆盖分布特征非常一致。

卫星遥感洞庭湖主汛期水体时空变化特征及影响因子分析

基于1989-2011年的长时间序列卫星遥感数据,利用综合水体信息提取方法提取了洞庭湖区6-9月主汛期的水体信息,通过较高分辨率卫星遥感数据验证,水体面积提取精度达到90%以上。洞庭湖年平均径流入湖量、NCEP再分析资料计算的湖体上空和流域累计月平均降水量分别与水体面积变化的关系进行分析,结果表明：1989-2011年间洞庭湖水体面积最大值主要分布在7和8月,这两个月也是洞庭湖区域发生洪涝灾情的高风险期;洞庭湖水体面积与年平均径流入湖水量的相关系数为0.67（置信度为95%）;2003年以前,洞庭湖主汛期间水体面积波动比较大,2003年三峡水库运行后,洞庭湖的面积波动有所减少;洞庭湖上空累计月平均降水量对于水体面积存在正相关性,相关系数为0.68（置信度为99%）;2003年以前,洞庭湖流域累计月平均降水量和水体面积相关系数为0.50（置信度为90%）,2003年三峡水库运行后,两者相关性有所减弱。

FY-2E与FY-2C红外分裂窗通道光谱响应差异的对比分析

在遥感数据定量应用中,卫星通道的光谱响应函数是影响定量产品反演算法、精度和获取的地球特征物理量的关键因素之一。针对FY-2E红外分裂窗通道光谱响应函数的调整,利用NOAA AVHRR卫星相应通道的定标查找表、青海湖实测的水面辐亮度和大气状态数据,以及利用PLANK方程模拟的全动态范围内的辐亮度等数据对FY-2E与FY-2C红外分裂窗通道的差异进行了深入分析,发现由于光谱响应调整导致通道的探测波段发生变化,将影响到卫星探测的下垫面物理特性反演。同时,由于对FY-2E光谱响应函数的调整,使其红外分裂窗通道的亮温差相对于FY-2C在整个动态范围内都明显的增加,将进一步提高FY-2E卫星红外分裂窗通道的定量反演能力。