黑河流域MODIS气溶胶产品时空对比分析

卫星遥感监测提供的气溶胶产品很多，而当前使用最多的是Terra和Aqua卫星上搭载的MODIS传感器获得卫星影像数据反演气溶胶光学厚度AOD。MODIS数据反演得到的气溶胶光学厚度产品目前经历了C002、C003、C004、C005、C006等版本。为了对比分析黑河流域的MODIS气溶胶产品，本文首先对黑河流域范围内C006版本的气溶胶光学厚度产品的精度进行了验证，然后对比分析了研究区气溶胶光学厚度的时空变化特征。采用黑河生态水文遥感试验（HIWATER）气溶胶光学厚度地基观测数据验证MODIS气溶胶光学厚度产品的精度。验证结果显示MODIS气溶胶产品的精度较高，可信度也较高，具有显著的适用性。对比分析发现研究区的气溶胶光学厚度的时空变化特征很明显，下午星Aqua的气溶胶光学厚度值比上午星Terra的高，并且中下游气溶胶光学厚度值比上游地区较高。夏季的气溶胶光学厚度比其他季节的气溶胶光学厚度值高，春季气溶胶光学厚度高值区域集中分布在下游地区，夏季的高值区域分布在上游区域，秋季的高值区域分布比较均匀，冬季高值主要分布在研究区的西部地区。     

动态气溶胶模型的PARASOL多角度偏振卫星气溶胶光学厚度反演算法

在卫星气溶胶反演中,如何确定研究区域的气溶胶模型直接影响目前大多数卫星遥感算法的气溶胶光学厚度反演精度。本文基于气溶胶自动观测网(AERONET)典型类型的动态气溶胶模型,提出了一种基于动态气溶胶模型的气溶胶光学厚度反演算法,并将其运用到PARASOL(Polarization and Anisotropy of Reflectance for Atmospheric Science coupled with Observations from Lidar)卫星的反演中。针对华北地区2012年的PARASOL卫星观测数据,应用动态气溶胶模型反演算法反演气溶胶光学厚度,并与地面观测站点进行对比验证,结果显示通过气溶胶模型选取与反演结果的迭代约束,在865 nm反演的气溶胶光学厚度与地基观测的相关程度(R2)达到0.71,均方根误差(RMSE)为0.15,与PARASOL气溶胶产品相比一定程度提高了反演结果的精度。     

北京地区Landsat 8 OLI高空间分辨率气溶胶光学厚度反演

卫星气溶胶光学厚度(AOD)反演中,传统暗目标方法在反射率较低的水体、浓密植被覆盖区域取得了较好效果,在反射率较高且结构复杂的高反射地表上空目前多采用深蓝算法,但存在空间分辨率较低,对细节分布描述性较差等问题。为解决这一问题,本文首先以5年(2008年—2012年)长时间序列MODIS地表反射率产品为基础,采用最小值合成法建立500 m分辨率逐月地表反射率产品数据集,然后利用地物波谱库中典型地物波谱数据,分析建立MODIS与Landsat 8 OLI传感器蓝光波段反射率转换模型,最后北京地区AERONET地基观测数据确定了气溶胶光学物理参数,并反演获取了北京地区上空500 m分辨率的AOD分布。为验证反演算法的精度,分别将反演结果同AERONET及MODIS/Terra气溶胶产品(MOD04)进行交叉对比,同时利用相关系数R,均方根误差RMSE,平均绝对误差MAE以及MODIS AOD产品预期误差EE共4个指标进行衡量。结果表明:算法反演获取的AOD与AERONET观测值具有较高的一致性,各指标分别为R=0.963,RMSE=0.156,MAE=0.097,EE=85.3%,稍优于MOD04产品(R=0.962,RMSE=0.158,MAE=0.101,EE=75.8%),并且有效的对比点数也高于MOD04。通过与地基观测相比,卫星遥感获取的高分辨率城市地区AOD精度可作为定量评估城市空气质量的有效依据。     

气溶胶光学厚度估测中的LASSO特征选择方法

气溶胶光学厚度估测中通常利用遥感信息构造的多种特征属性作为输入,然而,这些属性中常常存在数据噪音、相互关联性和缺失值,从而降低了估测精度和估测强健性。针对这个问题,基于最小绝对收缩和选择算子（least absolute shrinkage selection operator,LASSO）方法和气溶胶光学厚度反演的先验知识,提出了一种针对遥感卫星观测的高维数据进行特征选择的方法,利用2009年4月2日至2011年4月1日2 a间与全球197个气溶胶地基自动观测网站点时空同步的MODIS（moderate-resolution imaging spectroradiometer）遥感数据,采用常用的人工神经网络作为估测模型进行实验分析,表明该方法能结合反演先验知识对多种异质遥感属性进行分组,通过组间迭代保留关键特征,去除冗余属性,有效进行特征选择,从而显著提高气溶胶光学厚度的估测精度。     

风云三号D星MERSI-II陆地气溶胶反演定量能力评估

风云三号卫星搭载的中分辨率光谱成像仪MERSI（MEdium-Resolution Spectral Imager）与NASA的MODIS属于同类型传感器,大多数通道设计相似,具备气溶胶反演的能力,但目前还没有精度可靠、稳定且全球适用的业务化气溶胶产品可供使用。本文借鉴MODIS暗目标DT（Dark target）算法思想,针对新发射的风云三号D星搭载的升级版MERSI-II传感器,构建全球适用的陆地气溶胶反演算法。为测试MERSI-II传感器气溶胶反演的定量能力,并与MODIS气溶胶产品具有可对比性,本文算法设计尽可能与DT算法在各方面处理相一致,主要在两个方面进行了改进与优化：（1）考虑到传感器波段设置差异,给出了针对MERSI-II的地表反射率估计模型;（2）改进内陆水体判别方法,解决DT算法雾霾漏反演的缺陷。通过将单景反演结果与MODIS气溶胶产品对比,反演结果的空间分布和值域大小均具有较好的一致性,相关系数达到0.9以上;有效地实现雾霾高值区反演,而MODIS产品在该区域漏反演。通过对3个月份全球数据反演试验,利用AERONET地基站网观测数据对结果进行验证,落入期望误差EE=±（0.05+0.15τ）范围的点数达到65.14%,接近2/3的要求,相关系数达到0.866,整体具有较高的验证精度;MERSI幅宽大于MODIS,加之本文像元掩膜的改进,使得MERSI反演像元数增加更多,匹配的验证点比例较MODIS高出20%左右。进一步将月平均结果与MODIS进行对比,空间分布一致性较好,反演结果大小对比相关性较好,相关系数达到0.93左右。表明本文针对MERSI-II气溶胶反演算法结果已接近国际同类型产品的精度要求,将为全球长时间序列气溶胶观测有提供重要补充。从而印证了MERSI观测数据已具有较好的定量应用能力,传感器性能、定标等正在逐渐走向成熟。     

暗目标法的Himawari-8静止卫星数据气溶胶反演

Himawari-8(H8)是由日本气象厅发射的新一代静止气象卫星,可实现10 min/次的高频次对地观测,搭载的AHI(Advanced Himawari Imager)传感器设置有与MODIS暗目标气溶胶反演算法所需的类似波段。本文参考暗目标算法构建了针对该卫星传感器的陆地气溶胶反演算法:首先,通过基于地基站点观测数据的精确大气校正,统计得到短波红外与可见光波段的地表反射率比值关系,将此作为先验知识用于地—气解耦时的反射率估计;然后,初步假设大陆型气溶胶类型,利用辐射传输模型建立查找表;最后,通过模拟与卫星观测的表观反射率误差最小实现气溶胶光学厚度反演解算。选取2016年5月覆盖京津冀地区的观测数据进行测试,将反演结果与对应时间的MODIS气溶胶光学厚度产品进行对比验证,空间分布趋势一致、相关性较高,相关系数R达到0.852;通过与地基观测网AERONET站点实测数据对比验证,所有站点的相关系数R~2均大于0.88,精度较高。利用反演的高时间分辨率产品,分析了京津冀地区的大气空间分布和日变化情况,结果表明:采用暗目标法对H8静止卫星陆地气溶胶光学厚度反演具有一定的潜力和可行性,能反映气溶胶的高时间变化信息,有望成为大气环境污染变化监测新的重要手段。     

北部湾MODIS气溶胶光学厚度的反演

通过IDL语言调用6S模型源码生成相应查找表,对北部湾及周边区域2008年MODIS高分辨率(1 km×1 km)影像进行气溶胶光学厚度反演。反演结果与AERONET公布的Bac_Giang、MuKdahan和Hongkong_poly站的气溶胶产品进行精度验证,得出北部湾地区的气溶胶光学厚度反演,春、秋、冬季选取大陆型气溶胶模式,夏季选取海洋型模式能更好地贴近实际情况。运用此方法对北部湾以及越南东北部地区2004年、2006年、2008年、2010年中晴空少云天进行气溶胶时空分布反演并分析结果。     

利用深蓝算法从HJ-1数据反演陆地气溶胶

大气气溶胶是环境空气污染监测的重要指标,在利用环境一号卫星CCD相机进行气溶胶监测时,暗目标法和结构函数法都有相应的不足。本文从Hsu等人(2004)提出的深蓝算法出发,以MODIS的地表反射率产品为基础建立反射率库,并利用地面观测数据分析了各种典型地物在CCD相机与MODIS蓝波段反射率之间关系,提出了将MODIS地表反射率修正到CCD相机的方法,进而实现地气解耦,反演气溶胶光学厚度。选择北京地区为实验区,进行了算法实验,并用AERONET/PHOTONS北京站的数据进行了验证,结果表明,(1)光学厚度较大时(>0.5),深蓝算法精度能够较好的满足环境一号卫星CCD相机对气溶胶日常监测的要求;(2)气溶胶模式会对结果产生较大的影响,尤其是城市型气溶胶。     

利用TERRA和AQUA共同反演陆地上空的气溶胶光学厚度

利用TERRA和AQUA共同反演气溶胶光学厚度和地表反射率特征，对其原理及方法进行了详细的讨论。通过Terra和Aqua两颗卫星对同一地点的不同角度的观测，结合多个光学通道的信息，反演了北京地区光学厚度及地表反射率信息。反演的气溶胶光学厚度同地面观测的结果相比具有很好的一致性。同时，对地表反射率及气溶胶波长指数等也进行了讨论和对比，结果显示，对北京地区，MODIS1通道地表反射率和7通道地表反射率的比在0．66左右，3通道和7通道的比在0．28左右。相比于NASA暗背景全球反演算法中1、3通道和7通道的比为0．50和0．25的处理方法，反演得到的气溶胶光学厚度结果也较好。     

FY-3A/MERSI海上沙尘天气气溶胶光学厚度反演

利用FY-3A/MERSI资料,结合MODIS C005算法的海上气溶胶模型,研究了中国渤海、黄海以及东海海域沙尘天气气溶胶光学厚度反演方法。通过MERSI反演的气溶胶光学厚度与MODIS C005气溶胶光学厚度产品(MOD04)对比,发现MERSI气溶胶光学厚度反演结果存在较大偏差。分析认为,这种偏差是由MODIS C005算法的海上气溶胶模型对MERSI气溶胶光学厚度反演不完全适用造成的。鉴于此,本文研究引进了一种沙尘气溶胶模型,并将其与MODIS C005算法的粗粒子气溶胶模型按照一定比例混合,形成了改进的气溶胶模型。利用改进气溶胶模型再次反演海上沙尘天气气溶胶光学厚度,反演结果与MOD04一致性较好,说明改进气溶胶模型能有效地提高MERSI定量反演沙尘气溶胶的能力。     

利用MODIS数据和查找表的城区TM影像大气校正

影像大气校正精度的关键参数为气溶胶光学厚度,而城区大气条件复杂,对城区TM影像采用统一的大气参数进行大气校正,势必难以获得令人满意的校正精度。因此,本文提出了一种基于MODIS数据和查找表的大气校正算法,首先应用6S模型离线计算建立不同气溶胶光学厚度的大气校正系数查找表,然后基于MODIS数据反演气溶胶光学厚度,最后基于查找表和气溶胶光学厚度数据对长沙城区TM影像进行了逐像元大气校正。结果表明:基于查找表的校正算法与6S模型在线计算算法的校正精度接近,能够较好地进行大气校正;在水体区校正精度最高,而在城区校正精度相对较低。     

基于MODIS数据的中国陆面制图：方法软件和数据产品

本文介绍一个自动处理MODIS 1B数据并生产覆盖全中国陆面产品的软件系统。该算法改进了LAI（MOD15）,土地覆被分类（MOD12）,云检测（MOD35）,陆面反射率（MOD09）和气溶胶（MOD04）产品。这些算法的输入数据都是本地获取的参数,能够有效降低其带来的不确定性。产生的部分新产品是NASA标准产品中没有的,包括森林火烧迹地和PAR。数据处理系统运行于中国科学院资源与环境数据中心。     

太湖地区HJ-1卫星CCD数据反演气溶胶及大气校正

针对HJ-1卫星CCD数据,利用改进的暗像元法反演气溶胶光学厚度(AOD),再利用反演的AOD对其进行大气校正。将反演的气溶胶与地基太阳光度计数据进行对比验证,发现当反演的AOD值大于0.2时,反演值与地基观测值的相关系数为0.964,符合MODIS业务化反演AOD的精度要求。再将反演得到的气溶胶带入6S辐射传输模型中,对HJ-1卫星CCD数据进行大气校正实验。结果表明,该方法能有效提高HJ-1卫星CCD数据大气校正的精度,更好地复原地物的真实光谱信息。     

基于S5P/TROPOMI的中国东部气溶胶单次散射反照率反演初探

气溶胶单次散射反照率SSA（Single Scattering Albedo）的卫星定量遥感对气候评估和大气污染治理均具有重要意义。搭载于S5P（Sentinel-5 Precursor）上的对流层监测仪（TROPOMI）具有目前同类卫星传感器中最优的空间分辨率。本文基于S5P/TROPOMI数据开展了中国东部地区的SSA反演研究。首先利用中国东部地区AERONET（Aerosol Robotic Network）站点数据对OPAC（Optical Properties of Aerosols and Clouds）气溶胶模型进行约束改进,构建了更为合适的气溶胶类型,并使用地基激光雷达（Lidar）预设相应气溶胶类型的垂直结构。然后使用辐射传输模型SCIATRAN构建查找表LUT（Look-Up Table）,将TROPOMI UVAI（Ultraviolet Absorbing Index）和MODIS AOD（Aerosol Optical Depth）数据联合输入反演气溶胶SSA数据。反演结果与地基站点数据对比,相关系数R²为0.61,均方根误差为0.05;和OMI SSA产品相比,总体趋势一致且具有空间连续性更好。基于TROPOMI的高分辨率SSA算法和数据将有助于中小尺度下气溶胶时空分布、光学特性等研究。     

MODIS气溶胶C004、C005产品的对比分析及其在中国北方地区的适用性评价

详细介绍了MODIS气溶胶C005产品算法的改进情况。选择北京、榆林为试验区, 利用AERONET地基观测的气溶胶光学厚度数据, 对比分析了上午星TERRA、下午星AQUA的MODIS气溶胶C004、C005新旧产品的精度, 评价了它们在中国北方地区的适用性。采用波长插值、时空匹配将地基数据和MODIS 气溶胶产品匹配在一起, 然后采用线性拟合的方法进行对比分析。文中就MODIS气溶胶产品和地基数据的时空匹配, 摒弃了NASA关于MODIS气溶胶产品在全球所采用的方法, 引入当地月平均风速, 提出了中国北方地区时空匹配尺度。对比分析以及评价结果表明: (1) C005产品算法的改进并没有提高北京站点气溶胶光学厚度的精度, 在AOT<0.8时反而是下降的; C004、C005产品在北京站点不具有显著适用性, 但C004比C005产品效果好。(2) 榆林站点, TERRA-MODIS C004产品能够达到需求标准, 而AQUA-MODIS C004精度有所下降; 两星的C005产品精度较C004有很大程度的改善, 470、550、660nm 3个波段的气溶胶光学厚度与AERONET地基观测数据的相关系数均高于0.9, 具有显著适用性。这说明了新算法所采用的确定地表反射率的方法在植被覆盖好的地区是可行的, 在高反射地区效果不好。     

基于遥感的上海地区雾霾监测研究

以中分辨率成像光谱仪(MODIS)遥感数据为数据源,综合利用6S传输模型与NASA V5.2算法对2013年12月4日至8日上海地区雾霾污染进行了连续性监测,并对其形成原因进行分析。结果表明,此次雾霾污染主要是由本地生产和外地迁移来源共同作用形成,上海地区气溶胶光学厚度在12月6日达到最大,雾霾污染区域逐渐从上海地区的西北向东南扩散,污染等级也逐渐降低。