基于深度学习的日间逐小时地表PM2.5浓度反演

以长三角地区作为研究区域,提出了使用深度学习算法来实现主被动遥感数据结合反演地表PM2.5浓度的方法。基于MPL观测数据,使用雾霾层高度(HLH)替换了边界层高度(BLH)特征,对已有的基于气溶胶光学厚度(AOD)结合大气BLH来反演PM2.5浓度的算法进行了改进。为提高数据覆盖率,对研究区域内的MAIAC AOD进行了填补与评估。利用多种机器学习算法实现了日间逐小时的PM2.5浓度估算,模型验证相关性最高可达0.87。该方法能够为观测气候变化、应对大气污染提供有效帮助。     

基于深度学习的日间逐小时地表PM2.5浓度反演

以长三角地区作为研究区域,提出了使用深度学习算法来实现主被动遥感数据结合反演地表PM_2.5浓度的方法。基于MPL观测数据,使用雾霾层高度(HLH)替换了边界层高度(BLH)特征,对已有的基于气溶胶光学厚度(AOD)结合大气BLH来反演PM_2.5浓度的算法进行了改进。为提高数据覆盖率,对研究区域内的MAIAC AOD进行了填补与评估。利用多种机器学习算法实现了日间逐小时的PM_2.5浓度估算,模型验证相关性最高可达0.87。该方法能够为观测气候变化、应对大气污染提供有效帮助。     

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。     

民用遥感卫星载荷在轨辐射定标与定量应用

文章总结了中国民用卫星载荷特点和现有定标技术概况,确立了适合中国遥感卫星光学载荷特点的在轨场地定标算法流程,并成功应用于民用遥感卫星的辐射性能在轨检校分析;以民用遥感卫星数据为基础,研究典型的陆地特征参量地表反射率和地表温度反演算法,并基于初级产品开展必要的应用示范研究。结果表明:文章规定的定标方法可准确检校卫星载荷在轨辐射性能变化情况,获取的定标系数精度满足后续定量应用的需要,基于中国遥感数据的应用示范效果良好。     

红外多角度观测的优势分析

常规单一角度热红外谱段观测获得的是像元平均温度,无法区分像元内不同地物的类别信息,导致物理意义模糊不清,在数据应用时无法满足精细地表温度反演的需求。红外多角度遥感数据通过双层能量模型、结合先验知识可以反演混合像元的组分温度(土壤、植被冠层等);可利用不同辐射传输路径获得红外大气透过率的差异,可从图像自身提供的信息反演所需的大气参数,在无大气廓线情况下有效的完成大气校正,减少地表温度反演过程中带来的误差,提高地表真实温度的反演精度;可以获得更为全面的异质异构地表的热辐射状态,避免由于遮挡或者不可见而损失的热辐射信息。另外,红外多角度观测对于更为客观认识地表热辐射状态提供了可能,其在陆表生态系统建模、地表能量平衡研究等方面具有重要科学价值,同时也为热辐射方向性科学探索提供了必不可少的数据支撑。红外多角度光学遥感为热红外遥感数据定量反演提供了有效的手段,是一个重要的发展方向;无论是对工程应用还是对科学研究,红外多角度空间光学遥感器及其应用的研究都有非常重要的意义。     

结合卫星遥感的 PM2.5 浓度估算与站点异常分析

针对大气污染难监测、异常数据难分析等问题，充分发挥气象卫星多时相观测优势，以N维代价函数算法为依托进行逐小时气溶胶光学厚度反演。进一步以随机森林回归算法为基础，结合气象参数、地面监测参数等辅助变量进行近地面PM2.5浓度估算，并据此开展时空分布与浓度异常分析。江苏省2021年1–6月PM2.5浓度遥感估算精度验证结果显示，其相关性精度达到94%，偏差为5.59μg/m³，证明以卫星遥感数据为基础进行PM2.5浓度估算具有高可靠性与可行性。通过其建立的全区域、多时相监测体系可有效进行PM2.5浓度的时空分布分析，明晰PM2.5分布状况，助力空气污染治理管控。通过卫星估算结果与地面站点监测结果的对比分析，准确识别大泉街道数据低报事件，验证人为干扰数据采集工作，实现星地数据双向监督。文章研究证明，卫星遥感技术可有效支撑近地面PM2.5浓度估算与数据异常分析，推动新时代生态文明建设。     

科技成果

正中科院研发出瞬时估算PM2.5浓度的新方法据《北京日报》2016年1月12日报道,中科院遥感与数字地球研究所研发团队提出了一种PM2.5浓度遥感瞬时估算新方法,能在高污染状况下实现快速、实时、区域覆盖的PM2.5卫星监测。研究人员基于遥感方法和技术,研究了基于气溶胶光学厚度、细模态比、气溶胶层高、空气相对湿度等遥感参数的PM2.5遥感(简称PMRS)方法,可不依     

长时序Landsat数据辐射校正方法对比研究

Landsat数据以其存档时间长、辐射性能稳定、全球免费获取等优势,被广泛应用于时序定量遥感监测研究。但长时序的遥感数据必须经过辐射校正获得地表反射率后,才能应用统一的模型或分类规则进行地表变化监测。文章以重庆地区2001年到2009年的5景Landsat数据为数据源,分别采用基于MODIS大气产品和6S辐射传输模型的逐像素大气校正方法和基于多元变化检测的相对辐射校正方法反演了地表反射率,并采用目视解译、影像直方图和时序未变化像元统计,对上述两种辐射校正结果进行了对比分析。结果表明:两种校正方法均能有效反演时序Landsat数据的地表反射率,消除时序影像的地物色彩差异,且时序未变像元点的反射率光谱一致性较好。大气校正能够消除可见光波段的大气空间异质性影响,使反演结果在时间序列上具有更高的稳定性和精度。     

基于Landsat-8/TIRS的红沿河核电基地海表温度反演算法比对

文章以红沿河核电基地周围海域为研究区,利用Landsat-8热红外遥感影像(thermal infrared sensor,TIRS),分别对辐射传输方程法、单窗算法、普适性单通道法和Qin劈窗算法等四种算法进行海表温度反演模型参数修订与数据处理。通过与实际观测温度数据进行精度验证与比对分析,寻求基于Landsat-8/TIRS数据的区域最佳温度反演算法。结果表明,辐射传输方程法均方根误差在1K以内,反演精度最高;Qin劈窗算法次之,均方根误差达到3K左右,反演精度较差,整体反演温度偏高;单窗算法和普适性单通道法均方根误差高于3K,反演精度最差,整体反演温度偏低。辐射传输方程法可作为红沿河核电海域温排水遥感监测首选算法。     

星载“偏振交火”传感器设计及初步在轨应用

针对近地表细颗粒物含量的卫星遥感精度问题，系统提出了“偏振交火”的卫星遥感策略和模型，开发了高精度偏振扫描仪(POSP)和多角度偏振成像仪(DPC)双偏振载荷套件，装载在大气环境监测卫星上并成功发射。本文在介绍“偏振交火”原理的基础上，系统论述了载荷工程的实现方法和在轨应用方法，初步展示和评估了在轨应用效果。在轨初步应用结果显示:双偏振载荷间能够实现稳定交火工作，视场匹配精度优于0.077 POSP像元;基于L1级数据初步开展了双偏振载荷间的辐射和偏振交叉定标/验证，共有波段拟合优度(R²)分别达到0.999和0.993;基于“偏振交火”载荷观测数据融合反演的近地表PM2.5与地基网络监测结果的相关性为0.684，偏差落在期望误差(EE)范围内的比例为88.36%。初步在轨结果达到了预期应用目标，显示了“偏振交火”方案在气溶胶污染监测方面的应用潜力。     

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。     

基于FY4A-AGRI反演东北地区云顶高度

云对全球的能量收支及大气循环系统具有不可替代的调节作用,是影响天气及气候变化的重要因子。云顶高度作为云的重要参数,有助于分析云在大气中的物理机制,对局部地区监测和预报具有实质性作用。基于多通道扫描辐射成像仪(AGRI)数据反演东北地区云顶高度,采用红外分裂窗查算表方法,并对不同季节和不同云类型建立查算表,探讨基于静止卫星反演中高纬度地区云顶高度的可行性。同时,引入主动式高精度仪器正交偏振云-气溶胶偏振雷达(CALIOP),结合11、12 通道亮温数据搭建云顶高度反演模型。分析结果表明:1) AGRI遥感的云顶高度与CALIPSO搭载的CALIOP云顶高度变化趋势一致,算法计算效率较高;2) 从4个季节的统计结果来看,均方根误差(RMSE)上都小于2.3 km,平均偏差在500 m左右,受季节的影响较小,反演结果与CALIOP探测结果具有较高的一致性;3) 利用该方法基于AGRI结果精度不亚于官方采用的CO2薄片法,该方法估算的RMSE和相对误差较小,并且该算法的反演模型只提取红外分裂窗区通道数据,无需大气廓线资料进行辅助计算,节省计算资源,提高计算效率。     

大气风场探测星载干涉光谱技术进展综述

综述了被动光学遥感国外星载大气风场探测干涉光谱技术的研究进展。阐述了Fabry-Perot干涉仪、Michelson干涉仪、多普勒差分干涉仪及其相应的探测原理,其中从单视场发展到双视场、四视场临边扫描。比较了不同技术体制特点和局限。介绍了国外广角迈克尔逊多普勒成像干涉仪(WAMDII)、高分辨率多普勒成像仪(HRDI)、多普勒干涉仪(TIDI)等的特点、性能指标及其应用。分析了研制中二维空间转台、光纤视场合成技术、窄带滤光片工艺水平等关键技术。归纳了性能指标中测风精度提高、探测范围扩大、视场增大等进展;数据应用中由反演风速、温度和辐射率数据向探测重力波、成分密度、气辉和极光发射率、夜光云和离子流密度等动力学和热力学参数,大气有效反射率,气溶胶相位函数和散射系数等的转变。展望了技术的发展趋势。     

FY-4卫星闪电成像仪设计与实现

介绍了我国第一台探测闪电的空间光学遥感仪器——风云四号(FY-4)卫星装载的闪电成像仪的设计与实现。给出了空间光学闪电探测原理。FY-4A星闪电成像仪采用小F数透射光学系统,用双镜头拼接实现大视场覆盖;采用高稳定度超窄带多腔干涉滤光片实现闪电信号滤波,以高速多抽头大光敏元CCD器件为敏感元件获取闪电与背景图像,由实时事件处理器在积分时间内按像元完成焦面数据的多帧背景评估、背景去除、阈值比较和闪电事件编码;采用与闪电事件一致的视场分辨率进行空间滤波,降低云层、陆地和海洋等背景信号对闪电信号的影响。研制的闪电成像仪由闪电成像仪主体、闪电信息处理盒、闪电管理与温控盒和闪电配电盒组成,设计了闪电探测、地标观测和FPGA程序上注三种工作模式。FY-4A星闪电成像仪研制中突破了闪电成像仪分系统总体、超窄带滤光片应用、高帧率CCD器件、实时事件处理器,以及闪电成像仪实验室标定与验证等关键技术。闪电成像仪的指标与国际同类仪器相当。至目前为此在轨测试表明:该闪电成像仪能实现对不同强度闪电事件实时探测,具备对强对流天气过程完整监测和跟踪能力。展望了后续我国闪电成像仪技术的发展和应用需求。     

利用HJ-1B星热红外遥感图像研究城市热岛效应

文章针对中国HJ-1B("环境一号"B)星热红外数据特点,以现有单通道地表温度反演算法为基础,开展HJ-1B星热红外数据的地表温度反演算法研究,并利用HJ-1B星热红外遥感温度图像研究北京热岛效应,对北京城区热岛在空间上的分布及其可能的成因作了相应分析。结果表明:随着城市化的发展,北京市热岛效应日益严重,地表温度分布与归一化植被指数(NDVI)相关性明显,文章得到的HJ-1B星热红外地表温度反演方法可以很好的用于城市热岛效应的监测分析。     

改进的光谱角法在Landsat-8 OLI影像土地利用分类中的应用

文章对光谱角法分类的原理进行了阐述和分析,提出了一种结合图像分割算法改进光谱角法的影像分类方法,采用改进的光谱角分类方法以陆地观测卫星-8陆地成像仪(Landsat-8 OLI)遥感影像数据为数据源对武汉市武昌区的土地利用情况进行分类,并对分类精度进行了分析。研究结果表明改进的光谱角分类方法对于Landsat-8 OLI数据分类效果较好,提高了影像分类的精度。     

光学遥感图像星上实时处理技术的研究

随着各种高分辨对地光学遥感器的发展,获取的遥感图像数据量呈爆炸性增长.发展光学遥感图像星上实时处理技术,是提高遥感图像数据的有效利用率、使其反演结果尽早反映观测区域实况的重要途径之一.文章分析了当前星上实时处理技术的发展现状,提出了采用开放式架构、以高性能的DSP/FP.GA为处理核心的处理系统的构建方法和关键技术,以实现可伸缩的功能扩展和对星上传感器获取的海量数据流图像的星上实时处理.     

多光谱遥感大气邻近效应的蒙特卡罗模拟与验证

大气邻近效应是影响光学遥感高精度定量化应用的重要因素之一。由于大气散射作用随大气状况变化具有很强的时效性,因此大气邻近效应具有很强的时空特性,其估算很难进行测量和验证。采用基于蒙特卡罗方法模拟大气点扩展函数(PSF),实现大气邻近效应模拟分析,结合"资源三号"卫星多光谱影像,利用调制传递函数测量方法获得大气点扩展函数,从而开展多光谱大气邻近效应分析研究。模拟与测量对比分析结果显示:1)测量方法和模拟方法得出的相同谱段PSF的形状很接近,PSF的半高宽误差小于8%;2)两次模拟结果与对应的测量结果随光谱变化是一致的,黑白靶标从蓝色到近红外光谱的邻近效应都依次降低;3)模拟结果要小于实测结果,并且两者的误差在1.6%~18.2%之间,这表明除了考虑大气气溶胶外,实际遥感图像的邻近效应评估还要考虑卫星在轨状况以及大气其它状况的影响。模拟分析结果表明该方法可有效地估算多光谱影像大气邻近效应,能够为不同大气状况下遥感图像品质的评估提供一定依据,也有助于多光谱遥感大气邻近效应校正及图像品质提升的研究。     

基于预估点扩展函数的光学遥感图像去模糊研究

为使航天相机获得的遥感图像的视觉质量更佳,提出了一种有效而稳定的基于估算点扩展函数(PSF)的遥感图像快速复原方法。先用改进的刃边法快速估算PSF尺寸和形状,用直接边缘检测法处理,由自适应阈值算法抑制噪声产生的波动,有效减小了PSF估算的存储与时间开销。再基于预估的PSF,用非盲反卷积复原算法复原图像,通过带权补偿去模糊算法由正则化反卷积和高频补偿,有效抑制源于PSF估算误差的振铃现象。根据视觉效果和客观评价指标对该复原方法与经典算法的效果进行了比较,结果表明:该法在存在噪声和点扩展函数估计误差的影响时仍有良好的鲁棒性,图像质量提高幅度大,速度快,可行性高,已成功用于浦江一号(PJ-1)卫星的遥感图像处理。     

“高分五号”卫星概况及应用前景展望

"高分五号"卫星是中国高分辨率对地观测系统重大专项中实现高光谱分辨率观测的卫星,运行于高度705km的太阳同步轨道,装载可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪、大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪、大气主要温室气体监测仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪等6台有效载荷,具备高光谱与多光谱对地成像、大气掩星与天底观测、大气多角度偏振探测、海洋耀斑观测等多种观测手段,获取从紫外至长波红外(0.24~13.3μm)高光谱分辨率遥感数据;载荷的光谱分辨率最高可达0.03cm~(–1),具备在轨定标功能,绝对辐射定标精度优于5%,光谱定标精度最高可达0.008cm~(–1)。卫星将在环境综合监测、国土资源调查和气候变化研究等方面发挥重要作用。