基于双角度双波段卫星数据反演大气气溶胶光学参数

论文摘要

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-3A&B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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 研究综述
•     1.2.1 单角度算法
•     1.2.2 多角度算法
•     1.2.3 偏振反演
•     1.2.4 水色遥感
•   1.3 内容安排
• 第2章 气溶胶卫星遥感原理
•   2.1 辐射传输过程
•   2.2 气溶胶光学参数
•     2.2.1 气溶胶光学厚度
•     2.2.2 谱分布
•     2.2.3 复折射率指数
•     2.2.4 相函数
•     2.2.5 偏振反射率
•   2.3 双角度双波段迭代法
•     2.3.1 迭代原理
•     2.3.2 单纯形算法简介
• 第3章 双角度双波段迭代算法的数值模拟
•   3.1 6S辐射传输模型介绍
•   3.2 气溶胶参数的敏感性分析
•     3.2.1 气溶胶复折射率指数
•     3.2.2 Junge谱指数
•   3.3 双角度双波段数值模拟
•     3.3.1 近红外双通道双角度数值模拟
•     3.3.2 NIR-SWIR双角度数值模拟
•   3.4 本章小结
• 第4章 卫星遥感反演
•   4.1 多角度成像辐射仪
•   4.2 海洋上空气溶胶反演
•     4.2.1 利用AATSR数据反演黄、渤海、台湾海峡的气溶胶参数
•     4.2.2 利用SLSTR数据反演黄海海域的气溶胶参数
•     4.2.3 利用MODIS双星数据反演黄海海域的气溶胶参数
•   4.3 内陆水体上空的气溶胶反演
•     4.3.1 利用AATSR数据反演青海湖、巢湖、太湖的气溶胶
•     4.3.2 利用MODIS短波红外双通道反演青海湖上空的气溶胶
•   4.4 本章小结
• 第5章 水色遥感大气气溶胶校正
•   5.1 水色遥感基础
•     5.1.1 水体类型
•     5.1.2 水体光学性质
•     5.1.3 离水反射率
•   5.2 离水反射率反演
•     5.2.1 基于MODIS水色通道计算离水反射率
•     5.2.2 基于CHRIS高光谱数据计算离水反射率
•   5.3 水色反演
•     5.3.1 叶绿素浓度反演
•     5.3.2 悬浮物反演
•     5.3.3 黄色物质反演
•   5.4 本章小结
• 第6章 双通道双角度思想在陆地气溶胶反演中的应用
•   6.1 结构函数法反演气溶胶光学厚度
•     6.1.1 双波段
•     6.1.2 双角度
•   6.2 利用地基MPL双波段数据验证星载CALIOP数据
•   6.3 本章小结
• 第7章 总结与展望
•   7.1 本文主要成果
•   7.2 后续研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 朱琳

导师: 徐青山

关键词: 气溶胶,谱指数,复折射率指数,双角度,双波段

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 中国科学技术大学

分类号: P407

总页数: 134

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