一种应用于卫星中红外遥感的辐射传输简化计算方案

作为可见光-近红外和热红外的连接谱段,中红外(MIR)兼具短波辐射的反射特性和长波辐射的发射特性,对于温度探测、目标识别等应用场景有十分重要的意义。目前,MIR谱段辐射传输(RT)计算仍然面临背景参数输入多且不易获取的问题。基于此,提出了一种应用于卫星MIR遥感的RT简化计算方案。使用MODTRAN模型(MM),对MIR白天RT过程中所涉及的背景地表和大气参数定量模拟分析,得到影响RT的关键参数,据此形成一套基于MM的参数简化方案(SS)。在MODIS 6个MIR通道的中心波长处,对SS和MM计算的总辐亮度做对比验证,RMSE均小于0.004399,具有较高精度。SS仅依赖于表面温度、表面发射率、大气廓线类型、水汽和云光学厚度,不需要输入气溶胶、CO_(2)和O_(3)数据。相比MM,SS将输入参数从8类降低到5类,计算的时间效率提升了9.02%。在有限的计算资源下,本文所提的SS能够为MIR图像快速处理、大场景遥感仿真等应用领域提供支撑。

高分辨率卫星在环境保护领域中的应用

高分辨率卫星在我国环境保护领域具有巨大的应用潜力。为促进我国环境遥感应用水平的提高,结合我国环境保护工作特点,系统总结了高分辨率光学卫星、高分辨率雷达卫星和高光谱分辨率卫星在我国大气环境、水环境和生态环境保护领域中最新应用情况;指出我国目前主要存在应用系统化和业务化程度较低等不足;未来研究的重点包括高分辨率卫星图像的高精度处理技术、尺度效应和信息提取技术、高精度反演技术及地面真实性检验技术等方面。高分辨率卫星遥感技术的发展和我国高分辨率对地观测系统专项系列卫星的陆续发射,将大大提升我国环境监测监管的定量化和精细化水平。

雷达遥感在环境保护工作中的应用

雷达遥感具有穿透力和全天候作业的优势,在环境保护领域中应用需求广泛。面对国家日益严峻的环保形势和最新发射的环境雷达卫星,急需系统介绍雷达遥感技术在环保领域中的应用。文章通过全面分析合成孔径雷达(SAR)在溢油、水华、土壤湿度、植被长势、生物量以及应急监测等环境保护中的应用,为已经发射的环境一号雷达卫星提供明确的应用目标,并为构建全天候、全天时的环境天地一体化监测体系提供重要的技术参考。

非二氧化碳温室气体氧化亚氮的卫星遥感研究综述

氧化亚氮(N_(2)O)已成为全球第三大温室气体,氮氧化物污染与治理也成为我国“十四五”生态环保工作重点,气候变化评估与环境保护均对N_(2)O卫星遥感提出了较高的要求.本文回顾了N_(2)O卫星遥感的主要进展,卫星载荷方面,从天底、临边、掩星3种观测方式介绍了N_(2)O卫星观测的历史进程;反演算法方面,根据观测方式的不同分别介绍了最优估计算法、剥洋葱算法、差分光学吸收光谱法.相较于国际上N_(2)O卫星遥感起步早且已具备了较为成熟的理论和技术,我国的N_(2)O卫星遥感监测能力还有较大的发展空间.本文通过对研究现状的梳理和总结,提出了N_(2)O卫星遥感的发展趋势和建议,并对未来发展前景进行了展望.

高分一号卫星环境遥感监测应用示范研究

高分一号卫星成功发射以来,在大气环境、水环境和生态环境中的精细化和定量化遥感监测方面发挥了积极作用。作为高分一号卫星的主要用户,环境保护部卫星环境应用中心利用高分一号卫星数据开展了大量应用示范工作,本文以其对气溶胶光学厚度、水华、水质、自然保护区人类活动等遥感监测和评价内容为例,介绍了高分一号卫星在环保领域中的应用示范情况。

国家生态保护重要区域植被长势遥感监测评估

国家生态保护重要区域植被长势对于维持区域生态系统结构和功能的稳定性至关重要。以国家重点生态功能区、国家重要生态功能区、国家生物多样性保护优先区和国家级自然保护区等四类生态保护重要区域为研究区,选取年累积NDVI作为指示因子,监测评估了1998—2007年间国家生态保护重要区域的植被长势特征。结果表明:(1)国家生态保护重要区域总面积为536.59万km2,占全国陆地国土面积的55.89%。国家生物多样性保护优先区与国家重点生态功能区、国家重要生态功能区的重叠面积较大,分别占到相应生态功能区总面积的53.36%和50.20%。国家级自然保护区与其他三种类型区域的空间叠加关系较好,尤其与国家重点生态功能区,重叠面积占国家级自然保护区总面积的75.10%。国家重点生态功能区和国家重要生态功能区的重叠面积分别占各自面积的63.73%和39.15%。(2)对于植被长势总体状况,国家生态保护重要区域中东部的植被状况好于西部。植被状况较差的区域面积为10.59%,植被状况一般的区域面积为29.59%,植被状况好的区域面积为23.44%,植被状况较好的区域面积为36.39%。国家级自然保护区和生物多样性保护优优先区的植被状况好于国家重要生态功能区和国家重点生态功能区。国家级自然保护区的空间分布差异最大。(3)对于植被长势变化趋势,国家生态保护重要区域的植被状况整体呈现出变好趋势。62.39%区域面积的植被状况较为稳定,22.69%区域面积的植被状况呈现出变好趋势,14.93%区域面积的植被状况呈现出变差趋势。国家重要生态功能区的植被变好趋势最为明显,其次为国家生物多样性保护优先区。国家生物多样性保护优先区的植被变化趋势空间差异最大,国家级自然保护区的植被变化趋势空间差异最小。

基于环境减灾二号A/B卫星HSI数据的太湖叶绿素遥感监测研究

叶绿素a(Chl-a)是湖泊富营养化和初级生产力评价的关键指标。在传统地面观测受限于时空尺度的问题下,高光谱遥感为光学特性复杂的内陆湖泊监测提供了新的思路。文章针对环境减灾二号A/B卫星高光谱成像仪(HJ-2A/B HSI)数据的湖泊叶绿素定量监测能力问题,选择太湖为研究区域,结合地面同步观测数据和准同步的哨兵-2(Sentinel-2)卫星多光谱(MSI)数据,系统评估了HJ-2A/B HSI数据的遥感反射率数据质量,构建了太湖叶绿素HJ-2A/B HSI遥感反演模型。模型的平均绝对百分比误差(MAPE)为37.5%,均方根误差(RMSE)为0.0078 mg/L,HJ-2A/B HSI与Sentinel-2 MSI影像提取的叶绿素浓度整体空间趋势基本一致。结果表明:HJ-2 HSI可为内陆湖泊叶绿素及其它水质参数的遥感定量监测提供有效的数据支撑,并仍可在辐射数据质量、大气校正等方面进行进一步的优化,以满足水环境遥感业务化监测的应用需求。

高分五号卫星在轨测试生态环境遥感监测应用

高分五号卫星是我国首颗光谱分辨率最高、定量化要求最高、探测手段最多的高光谱综合观测卫星,是我国高光谱卫星遥感发展的里程碑,是实现国家高分辨率对地观测能力的重要标志。高分五号卫星于2018年5月9日成功发射,在国防科工局的指导下和自然资源部、中国气象局等部门的支持下,生态环境部牵头组织开展为期9个月的卫星工程在轨测试,完成了卫星载荷、地面系统和应用系统的测试工作。

核电站温排水分布卫星遥感监测及验证

以大亚湾核电站附近海域为研究区,基于HJ-1B卫星热红外遥感数据IRS4,对核电站温排水空间分布特征进行了识别与验证。首先利用时空插值后的NCEP大气廓线数据,结合近地面气象观测信息对IRS4数据进行大气订正;其次查找表数据建立IRS4宽通道辐亮度与辐射温度转换公式,完成研究区海表温度反演。利用温盐深测量仪,与卫星同步采集了84个离散点的水温,经空间插值获得地面调查海水"体温度"(bulk temperature,BT)的分布,并与海表温度(sea surface temperature,SST)反演结果进行了对比。结果表明,调查区平均BT比平均SST高0.47℃。在远离热排放口区域,SST高于BT,两者差异在1.0℃以内;在靠近热排放口区域,SST低于BT,并且越接近排放口两者之间差距越大。遥感与地面调查两种手段获得的温升分布基本一致,总温升区域面积相近。遥感手段获得的温升等级较少(小于4级),地面调查获得温升等级较多(大于5级);后者高温升等级(2级以上)区域面积较大,但对于1级温升区面积而言,两种手段差异较小。上午10时左右海表BT与SST差异较小,"肤-体"温差效应可以忽略,在IRS4业务化SST应用中,这一时段的卫星遥感可以作为核电站温排水分布监测的常规手段。

高光谱遥感技术在国家环保领域中的应用

高光谱遥感技术在环境保护领域中应用广泛,本文概述了高光谱遥感技术在我国大气环境中污染气体、温室气体监测,水环境中重点水污染源水华、水质、饮用水源地安全监测,生态环境的生物多样性、植被类型监测、土壤污染等方面的应用情况,并指出目前存在国内高光谱卫星缺乏、数据处理和信息提取能力不足等问题,以及目前迫切需要发展搭载大气痕量气体差分吸收光谱仪、温室气体监测仪、高光谱成像仪等高光谱传感器的环境卫星后续星、加强高光谱数据处理和信息提取攻关研究、加快高光谱环境地面应用系统的建设等建议。

基于GF-1号卫星WFV数据的太湖水质遥感监测

为研究高分一号(GF-1)卫星数据监测太湖水质的可行性,基于新发射的GF-1卫星16 m分辨率的多光谱宽覆盖(wide field of view,WFV)相机和HJ-1A CCD数据,对太湖的叶绿素a、悬浮物、透明度和富营养化状况进行遥感监测,以评价GF-1 WFV相机的应用潜力。研究结果表明:GF-1 WFV与HJ-1A CCD数据对水质参数的反演结果具有一致性,可有效反映叶绿素a浓度、悬浮物浓度、透明度和富营养化指数的空间变化规律。其中,太湖西北部分布有少量水华蓝藻,在大面积蓝藻爆发区域附近,叶绿素a浓度明显高于其他区域的水体,平均浓度为62.46 mg·m-3;悬浮物浓度以竺山湾及西部沿岸湖区较大,沿西北向东南方向递减,平均浓度为26.07 mg·L-1;透明度整体从西北向东南递增,与悬浮物浓度的分布趋势相反,平均值为22.1 cm;富营养化指数整体从西北向东南递减,与叶绿素浓度的分布趋势相同,平均值为69.62。遥感监测指标的结果均符合常规监测规律。

基于卫星数据的灰霾污染遥感监测方法及系统设计

以中分辨率成像光谱仪为例,建立了卫星遥感参数和空气污染指标之间的联系,提出了基于卫星遥感的气溶胶光学厚度数据获得灰霾指数和灰霾污染时空气质量指数(AQI)等级的方法和相关的监测系统设计。结合在华北地区的监测结果,可以看出卫星遥感可以较好地反映灰霾污染程度的变化,有助于发现可能的传输通道,获得宏观的灰霾空间分布状况。在研究时段内,与地面空气质量监测站相比,88%的卫星遥感监测结果误差不大于1个AQI等级,平均的AQI等级偏差为0.7级,并分析了卫星遥感与地面监测之间差异的原因。

“高分五号”卫星生态环境领域应用前景

2018年5月9日发射的"高分五号"卫星是中国光谱分辨率最高的卫星,搭载了6台有效载荷。文章通过研究载荷的指标特征,结合国家生态环境管理的重点工作,分析了"高分五号"卫星在中国空气质量、污染气体、温室气体等大气污染防治工作,在重点湖库水质、饮用水源地安全、面源污染等水污染防治工作,在土壤污染地块、矿产开发土壤污染、土壤污染程度等土壤污染防治工作,在生态状况调查评估、生态红线监管、生物多样性等生态监管工作,以及在对中国环保督查、突发环境事件应急监测、"一带一路"战略实施等环境执法和应急工作中的遥感应用潜力,为"高分五号"卫星发射后的应用、研究和发展方向提升等提供参考。

基于辐射传输模型的环境一号卫星CCD相机的水体大气校正方法研究

水体大气校正问题是开展我国环境一号卫星水色遥感定量化应用的关键。针对环境卫星CCD相机的特点,以水气耦合的辐射传输模型构建大气校正参数查找表,研究以地面气象数据辅助的逐像元水体大气校正方法,实现水体离水反射率和遥感反射比的反演。以现场测量数据和MODIS数据为参考进行水体大气校正效果验证,研究发现CCD相机的反演结果在蓝、绿波段的精度较高而红、近红的反演结果系统偏大。研究结果还表明气溶胶模型是影响水体大气校正精度的重要因素。

中国城镇生态环境遥感监测现状及发展趋势

城镇生态环境是国家生态文明和美丽中国建设的重要组成部分,而目前中国城镇化快速发展过程中出现了重污染天气、黑臭水体、土壤污染、城市热岛效应等突出生态环境问题。环境监测是掌握城镇生态环境质量状况、环境管理和环境执法的基础,遥感技术在城镇生态环境监测中发挥着重要作用。文章主要从通常关注的空气质量、水体水质、土壤污染和生态资源4个方面,从遥感数据源、遥感监测模型方法、存在问题等方面概述目前中国城镇生态环境遥感监测的总体现状,指出目前存在城镇复杂地表高反射噪声与气溶胶多次散射引起污染气体反演的不确定性、现有算法无法适用于高浑浊的城镇黑臭水体和高清洁的饮用水源地这两类特殊光谱特征水体、城镇土壤污染难监测、城镇地表温度与生态要素高精度反演等技术瓶颈,以及时空分辨率低、监测精度不高、技术体系缺乏、专题产品少、业务应用程度低等问题与不足,提出中国城镇生态环境综合监测亟需攻克的系列监测要素精度提升关键技术、业务应用模式、服务模式等发展趋势,为中国新时期生态环境保护、打好污染防治攻坚战、城镇化建设等重要工作提供支持。

光学遥感卫星大气校正研究综述

由于高分辨率遥感应用需求增加的牵引,国内外发射了越来越多的光学遥感卫星载荷.然而,随着传感器分辨率的增加,大气对地表信息干扰的问题也越来越突出,光学遥感图像的大气校正问题,因载荷特点和应用需求的改变面临着一些新的挑战,有必要对其进行总结和分析.本文在介绍大气校正现状和原理的基础上,按照光学遥感卫星大气校正输入信息来源不同,把大气校正方法归纳为基于图像和图形处理方法、基于辐射传输计算、基于图像自身信息反演大气参数、基于大气同步校正仪的大气校正4类进行介绍.最后,结合我国高分辨率光学卫星的发展方向,对当前的大气校正应用方案和未来发展进行了讨论和展望.

南海珊瑚礁区34年卫星遥感海表温度变化的时空特征分析

选取NOAA OISST数据集的1982-2015年南海月平均海洋表面温度(SST),先对东沙、西沙和南沙礁区海域的多年SST进行时间尺度上的统计,然后对该数据集进行距平场的经验正交函数(EOF)分解,研究南海海表温度的时间和空间年际变化特征。研究显示:(1)不同的礁区海域SST升温趋势不同,东沙礁区海域SST升温趋势最明显(0.216℃/(10a)),西沙和南沙礁区SST的升温趋势分别为0.180℃/(10a)和0.096℃/(10a);(2)西沙和南沙礁区全年处于珊瑚生长的最适海温范围内,东沙一年中有4个月海温较低,SST最高的月份分别集中在7月(东沙礁区)、6月(西沙礁区)和5月(南沙礁区);(3)EOF第一模态的空间分布显示南海SST变化是同相位的,由西北—东南振幅量值递减,在礁区振幅从大到小依次为东沙、西沙、南沙;(4)EOF第一模态时间系数显示南海SST变化与El Ni1o事件相关。南海海表温度异常场与Ni1o3.4指数的相关性分析显示两者关联度最高为0.723,平均关联度也高达0.655;南海SST的变化滞后Ni1o3.4区7~8个月。综上,在全球变暖背景下,南海SST的变化不仅受到El Ni1o事件的影响,其不断上升也在悄然威胁珊瑚的正常生长。

环境减灾二号A/B卫星大气校正仪数据处理方法及初步在轨评估

环境减灾二号A/B卫星大气校正仪作为首个成功在轨运行的扫描型同时偏振遥感器,其技术原理和数据处理方法均有别于以往的在轨遥感器。文章在简要介绍大气校正仪原理的基础上,系统阐述了其数据预处理、大气参数反演和大气校正方法,评估和展示了部分在轨应用效果。在轨初步评估结果显示:基于大气校正仪L1级数据反演的气溶胶光学厚度(AOD)和水汽柱浓度(CWV)数据与全球气溶胶自动观测网(AERONET)数据的偏差落在期望误差(EE)范围内的比例分别为68.62%和95.39%,且与对应的中等分辨率成像光谱仪(MODIS)产品空间分布具有较好的一致性;空间同步覆盖的16 m相机多光谱数据校正前后图像清晰度和纹理特征均提升明显,地表反射率校正精度满足应用需求,初步显示了大气校正仪在气溶胶监测和大气校正等方面的应用潜力。

高分五号卫星多角度偏振成像仪细粒子气溶胶光学厚度遥感反演

细粒子气溶胶是大气污染关键成分,迫切需要发展大范围、高精度的细粒子气溶胶遥感监测技术。基于我国2018年5月发射的高分五号卫星上搭载的多角度偏振成像仪(DPC),开展了细粒子气溶胶光学厚度(AODf)遥感反演研究。介绍了偏振卫星反演AODf的主要原理和算法,基于2018年11月23日—30日的卫星数据反演获得了首幅高分辨率(3.3km)全球陆地上空AODf空间分布图,并利用太阳-天空辐射计数据进行了地面同步验证。反演结果显示:AODf空间分布与人为活动、生物质燃烧排放强度等因素相关,高值主要分布在印度、中国中东部及非洲中部等地区。与法国POLDER传感器AODf产品的长时间跨度对比显示,近年来中国地区细粒子气溶胶含量整体有所下降,并且DPC的高分辨率优势可有效支持区域污染精细管控、重点城市污染传输通道监测等环保业务的需求。

土壤污染监测卫星遥感应用需求与载荷配置初探

本文针对国家土壤污染防治工作的严峻形势和迫切需要,总结分析国内外土壤污染遥感监测的研究进展,分析土壤重金属污染的敏感波段,梳理我国土壤污染遥感监测工作任务需求,设计土壤污染遥感监测应用的技术指标和土壤污染监测卫星载荷配置需求,提出加紧开展土壤污染定量化遥感监测技术研究、研发土壤污染监测卫星等建议,以支撑土壤污染防治行动计划目标的实现,为早日打赢净土保卫战提供支撑。