基于双角度双波段卫星数据反演大气气溶胶光学参数

发布时间：2020-04-14 11:43

【摘要】：大气气溶胶是影响对地观测卫星数据质量的重要因素,并且时空分布变化显著,一直以来都是定量遥感和大气校正的研究热点。气溶胶对光辐射传输的影响可以通过光学厚度、谱指数、复折射率指数等方面来分析。目前,地基测量可以高精度地获取气溶胶的光学、物理参数甚至是化学特性,但是气溶胶的时空分布决定了地面单点测量是无法满足实际应用的需要。然而,对地遥感是可以实时获取大面积的卫星数据,其中就包含了大气气溶胶的数据,只要从中提取出来就可以获得大气气溶胶的时空分布,与传统的地基测量相比,具有显著的优势。本文围绕大气气溶胶光学厚度、Junge谱指数和复折射率指数进行了详细深入的研究,利用辐射传输模型模拟分析了这些参数对卫星表观反射率的影响,提出了能够同时反演获得这些参数的双波段双角度迭代算法,通过数值模拟、卫星反演验证了算法的可行性。论文的主要工作及创新如下:(1)通过控制变量法,利用6S辐射传输模型模拟了不同Junge谱指数和复折射率指数条件下海洋上空VIIRS各波段的大气表观反射率,研究了各个参数的影响。研究表明:Junge谱指数的影响主要在波长小于1.24μm的可见光和近红外通道,谱指数越大,红光和近红外通道的反射率差异越大。此外,复折射率指数实部随波长的变化较小,通常可以使用经验值;虚部随波长的变化较大,对大气表观反射率的影响也较大。(2)以Sealifts近红外双波段、AATSR近红外和短波红外波段为例,利用6S模型分别模拟了气溶胶为Junge谱、对数正态谱分布时的海洋上空双角度表观反射率,利用双角度迭代算法从表观反射率中反演气溶胶的光学参数,并与模拟时的气溶胶输入值比较。结果表明:当气溶胶满足Junge谱分布时,双角度迭代算法可以得到高精度的气溶胶光学厚度、Junge谱指数和复折射率指数虚部;当气溶胶为对数正态谱时,仍然可以假设其为Junge谱,并反演得到高精度的气溶胶光学厚度。(3)为了进一步验证双角度迭代算法的可行性,分别从Terra-Aqua双星搭载的MODIS、AATSR、SLSTR近红外-短波红外通道数据反演气溶胶参数,研究区域包括渤海、黄海、台湾海峡和青海湖四大咸水水体,以及太湖和巢湖淡水水体,将反演结果和MODIS气溶胶产品值比较,以验证反演精度,针对台湾海峡,还将虚部和POLDER数据反演值进行了对比。结果表明:近红外和短波红外通道的组合可以用于反演沿岸海水、大洋水、内陆咸水水域上空的气溶胶参数。受图像间配准误差的影响,在MODIS水陆掩膜数据中显示为陆地淡水的像元在双角度卫星数据中并不是水体,此外,临近淡水像元在假设是一类水体的情况下,气溶胶复折射率指数初值设置无规律可循,并且表观反射率模拟值与实际值差异显著,说明水体成分对表观反射率的作用不能忽略,本文手动跳过了这些像元,最终只有一部分像元能够顺利反演,这些都增加了淡水水域业务化反演的难度。通过Terra-Aqua双星 MODIS 构造了双星观测数据,并选取气溶胶含量变化不大的像元反演气溶胶,并与双星对应的气溶胶产品值和均值比较,反演结果是可以接受的,也表明双星协同可用于大气监测。(4)利用双波段迭代算法从MODIS和CHRIS数据中反演获得气溶胶参数,进一步计算得到离水反射率光谱,利用MODIS水色产品进行精度验证,发现水色产品的离水反射率在近红外通道为负,说明MODIS存在过校正现象,即其在相应海域的气溶胶产品值比实际值偏大。此外,我们利用生物光学模型从Sentinel-3A的离水反射率中反演了水色三要素,发现黄色物质的反演结果与历史观测数据的规律差异较大。(5)受海洋气溶胶反演中双角度、双波段的影响,利用结构函数法从Sentinel-3AB数据中反演北京地区的气溶胶光学厚度,并分别考虑了角度和波长的影响,研究结果表明双波段并不能提高反演精度,除了865nm通道外,双角度时的反演结果也不如单角度的好。为了验证星载激光雷达的回波信号,从地基微脉冲激光雷达数据计算得到了 532nm退偏比和1064nm与532nm的色比,与CALIOP的计算结果比较,发现地基和星载数据在高度2km以下差异明显。
【图文】：

示意图,大气影响,辐射传输,过程

气溶胶星载探测所用通道以可见光一近红外为主，虽然探测方式有主动与被逡逑动之分，，但是被地表反射的辐射信号到达传感器元件前都会经过大气层，因此，逡逑传感器探测的信息是地表信号和大气层的耦合结果（Ｌｉｏｕ，２００２），图２．１简要描述逡逑了太阳辐射在“太阳一大气一地表一大气一传感器”系统中的传输过程（赵英逡逑时，２００３）。逡逑太阳逡逑＼上逡逑＾邋ＵＶ邋＼逦＾逡逑地球逡逑图２．１辐射传输过程示意图逡逑图２．１中用标识的过程都受到不同程度的大气影响，这种影响又可以逡逑细分为大气吸收和大气散射。大气吸收由臭氧（0３）、水汽（Ｈ２０）和二氧化碳逡逑（Ｃ０２）等气体分子引起，其中：水汽在整个红外区间均有很强的吸收能力；臭逡逑氧的吸收带主要在紫外区间；而二氧化碳的吸收集中在２ｎｍ以上的红外区间。逡逑然而，在０．４—０．７６ｎｍ之间，大气吸收是很弱的（盛裴轩，２００３）。逡逑大气散射是指辐射原有的传播方向被大气粒子改变，而传播方向的改变又取逡逑９逡逑

单纯形优化,单纯形

利用公式计算的，实际上单纯形优化的因素只有气溶胶光学厚度及复折射率指数逡逑虚部。逡逑对于双因子的单纯形优化，如图２．３所示，由Ａ、Ｂ、Ｃ三点构成得单纯形逡逑称为初始单纯形，计算三个顶点的响应值，比较响应值大小，最坏响应值的点为逡逑坏点，去掉最坏点，用其对称点Ｄ作新顶点，即规则１。Ｄ邋＝［留下各点之和］—逡逑［去掉点］＝邋Ｂ邋＋邋Ｃ邋—邋Ａ，若Ｂ、Ｃ、Ｄ中Ｃ为坏点，去点Ｃ点，取其反射点Ｅ，此逡逑时Ｃ、Ｄ、Ｅ三点又构成新的单纯形。若最坏点为Ｄ，那么对称点就会返回到与逡逑Ａ重合，此时改用规则２：去掉次坏点后，用其对称反射点作新顶点。如果有一逡逑个顶点总是被保留下来，必须使用规则３：重复、停止和缩短步长。如果一个顶逡逑点经３次单纯形后仍未被淘汰，它可能是一个很好点，也可能是假象。此时需要逡逑多次试验
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P407

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