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基于环境一号卫星的陆地气溶胶光学厚度反演方法研究

作　者: 陈骁强
导　师: 查勇
学　校: 南京师范大学
专　业: 地图学与地理信息系统
关键词: 气溶胶光学厚度环境一号CCD MODIS 地面反射率 AERONET
分类号: P427.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

气溶胶对人类生活和全球气候变化有着重要影响。气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Thickness)作为其最重要的参数之一,是表征大气浑浊度的重要物理量,也是确定气溶胶气候效应的一个关键因子。随着环境一号遥感卫星(HJ-1)的发射,我国具有了专门用于环境与灾害监测预报的卫星,那么对于如何利用HJ-1卫星进行气溶胶光学厚度的精确反演,同时还要考虑到方法的适用性,这都是值得研究和探讨的。本论文基于HJ-1卫星的宽覆盖多光谱可见光相机(CCD)数据来进行气溶胶光学厚度反演方法的研究。HJ-1卫星CCD数据幅宽360km (CCD1和CCD2组合≥700kmm),星下点地面像元分辨率为30m,包括3个可见光波段(0.43-0.52μm、0.52-0.60μm 0.63-0.69μm)和1个近红外波段(0.76～0.90μm)。那么,利用高分辨率的HJ-1卫星CCD相机数据进行大气环境监测,尤其是地面颗粒物浓度的探测与估算(地面颗粒物浓度一般与气溶胶光学厚度之间有一定的函数关系),首先就需要解决CCD数据反演气溶胶光学厚度的算法问题。陆地气溶胶光学厚度反演的核心要点是如何在卫星接收的信息中去除地面贡献项,对于已经业务化运行的MODIS数据的气溶胶光学厚度反演算法,它是通过中红外2.1μm波段和可见光蓝红波段地面反射率的关系来反演气溶胶光学厚度。但是,对于HJ-1卫星的CCD数据,缺少2.1μm波段来确定可见光波段的地表反射率。同时对于其它的反演方法来说,比如基于多角度观测的方法(MISR气溶胶产品)、利用多波段迭代的方法(BAER, Bremen Aerosol Retrieval)等,HJ-1卫星的波段设置以及采样方式依然不适用。因此,我们需要寻求其它的方式来构建适用于HJ-1卫星CCD数据的气溶胶光学厚度反演方法。经过对不同气溶胶光学厚度反演方法的总结与筛选后,本文主要对构建地面反射率数据库的方法进行讨论和研究。基于地面反射率数据库的方法是利用其它卫星的地面反射率和地面二向反射产品,通过有效地挑选、分析以及不同传感器之间的转换,构建适合于HJ-1卫星CCD数据的地面反射率底图,以此来进行气溶胶光学厚度的反演。本论文的反演实验区域为江苏南部、浙江北部以及上海地区,它们都位于长江三角洲地带。构建地面反射率数据库的数据来自于MODIS传感器的地面反射率和二向反射产品,通过借鉴MODIS的业务化反演程序(查找表的构建方式以及对查找表的处理方法),实现了HJ-1气溶胶光学厚度的反演。该方法可以适用于多种地表、多种区域,其反演区域依赖于所使用的MODIS地面反射率和二向反射产品。本算法的关键问题包含：HJ-1卫星CCD与MODIS传感器地面反射率之间的转换、地面反射率数据库的构建规则、反演查找表的构建与处理,本文对这些关键问题都进行了详细的讨论与分析,给出了其解决的方案。本论文也对该算法的反演结果进行了比较与验证。考虑到利用HJ-1卫星CCD反演结果与MODIS气溶胶产品比较时空间尺度差别较大,本文使用了MODIS LIB数据反演了1km分辨率的气溶胶光学厚度,与HJ-1反演结果进行了空间上的对比。HJ-1反演结果与MODIS反演结果相关性很好,相关系数达到了0.909,HJ-1反演结果稍微偏小。此外,我们还用气溶胶自动观测网(AERONET)的太阳光度计数据对HJ-1反演结果进行了验证。结果显示,HJ-1气溶胶光学厚度反演值与太阳光度计的观测值一致性较高,相关系数为0.896,拟合的线性公式为y=0.927x+0.038,无明显的偏差。反演结果基本符合MODIS业务化产品反演的误差精度范围。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-11
图目录  11-12
表目录  12-13
第一章绪论  13-23
  1.1 研究背景及意义  13-14
  1.2 国内外研究现状  14-20
    1.2.1 地基遥感  15
    1.2.2 卫星遥感  15-20
  1.3 研究目标、内容与技术路线  20-23
    1.3.1 研究目标  20
    1.3.2 研究内容  20-21
    1.3.3 研究技术路线  21-23
第二章数据源与数据预处理  23-29
  2.1 反演算法实验区  23
  2.2 数据源  23-26
    2.2.1 环境一号卫星数据  24
    2.2.2 气溶胶地面观测数据  24-25
    2.2.3 MODIS数据及产品  25-26
  2.3 HJ-1数据的预处理  26-29
第三章气溶胶光学厚度反演基本原理与气溶胶模式  29-34
  3.1 气溶胶光学厚度反演基本原理  29
  3.2 大气辐射传输模式  29-31
  3.3 气溶胶模式的分析与确定  31-34
第四章基于地面反射率数据库反演方法的研究与分析  34-54
  4.1 简述  34
  4.2 MODIS地面反射率产品  34-38
  4.3 MODIS BRDF产品  38-40
    4.3.1 RTLSR算法  38
    4.3.2 MODIS BRDF/反照率产品介绍  38-40
  4.4 算法关键问题研究  40-50
    4.4.1 HJ-1卫星CCD与MODIS地面反射率的转换  41-44
    4.4.2 地面反射率数据库的构建与评价  44-48
    4.4.3 查找表的构建与修正  48-50
  4.5 气溶胶光学厚度的反演结果  50-54
第五章气溶胶光学厚度反演结果的比较与验证  54-63
  5.1 简述  54
  5.2 MODIS高分辨率气溶胶光学厚度反演方法与比较  54-57
    5.2.1 MODIS气溶胶光学厚度反演方法  54-56
    5.2.2 MODIS高分辨率反演结果与产品的比较  56-57
  5.3 HJ-1与MODIS气溶胶光学厚度反演结果的比较  57
  5.4 地面观测数据的验证  57-63
第六章结论与展望  63-65
  6.1 结论  63
  6.2 不足与展望  63-65
参考文献  65-71
致谢  71

基于环境一号卫星的陆地气溶胶光学厚度反演方法研究

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