基於環境一號衛星的陸地氣溶膠光學厚度反演方法

2023-09-23 19:23:20 2

專利名稱：基於環境一號衛星的陸地氣溶膠光學厚度反演方法
技術領域：
本發明涉及大氣遙感技術領域，尤其涉及一種基於環境一號衛星的陸地氣溶膠光 學厚度反演方法。
背景技術：
衛星遙感氣溶膠的研究始於上世紀七十年代中期，在上個世紀最後的30多年裡， 用於研究和形成業務化使用的衛星遙感氣溶膠包括在火山噴發氣溶膠監測、Ν0ΑΑ，美國國 家海洋和大氣管理局)系列衛星對深海上空來自沙塵暴和森林火災造成的氣溶膠層光學 厚度遙感、紅外遙感沙塵性氣溶膠遙感、TOMS紫外波段對吸收性氣溶膠的遙感等幾個方面。 美國地球觀測系統計劃(EOS) Terra和Aqua攜帶的中解析度成像光譜儀(MODE)對全球發 布了 10千米氣溶膠光學厚度的全球分布產品；法國自1996年起推動了 POLDER(偏振多角 度)相機探測海洋和陸地氣溶膠的研究。到目前為止，利用衛星遙感氣溶膠已經形成了一 定的全球氣溶膠探測體系。目前的衛星遙感陸地氣溶膠反演算法多為暗目標算法，該方法多利用短波紅外波 段識別暗目標並獲得地表反射率進而反演得到氣溶膠，但是短波紅外波段數據的獲得復 雜，需對觀測衛星的遙感傳感器的要求很高，需進行特殊的波段設置，另一方便也導致其成 本的增加。

發明內容
(一 )要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是提供一種基於環境一號衛星的可快速、方便的實現 大範圍的陸地氣溶膠監測的陸地氣溶膠光學厚度反演方法。( 二 )技術方案為解決上述問題，本發明提供了一種基於環境一號衛星的陸地氣溶膠光學厚度反 演方法，該方法包括步驟Si.根據環境一號HJ-1A/B星的CXD相機的特徵，模擬各像元的觀測幾何、大氣狀 況，進行輻射傳輸計算，獲得相應的大氣參數，存儲於數據文件中形成查找表；S2.根據環境一號HJ-1A/B星的C⑶數據的輔助數據，提取各像元的觀測天頂角以 及觀測方位角，並計算太陽天頂角以及太陽方位角，獲得各像元的觀測幾何；S3.對環境一號HJ-1A/B星的CXD數據進行如下預處理輻射定標獲得相機各波 段的表觀反射率、去除雲覆蓋像元、以及海陸分離提取陸地像元；S4.利用暗目標算法獲得各波段地表反射率信息，將所述查找表插值到各像元的 觀測幾何，，根據經過預處理得到的表觀反射率計算不同陸地氣溶膠光學厚度下的地表反 射率，擬合得到陸地氣溶膠光學厚度。其中，步驟Sl進一步包括Si. 1設定不同的觀測情況9個太陽天頂角，12個觀測天頂角，16個相對方位角，氣溶膠模式為大陸型氣溶膠，相對於0. 55 μ m波長處的氣溶膠光學厚度設為6個等級，查找 表計算的波段為環境一號HJ-1A/B星的CXD的藍波段以及紅波段，海拔設置為0m，所述相對 方位角為太陽方位角與觀測方位角之差；Si. 2調用輻射傳輸模式進行模擬運算，得到相應的大氣程輻射、大氣整層雙程透 過率、大氣向下的半球反射率的三個參數，並存儲在數據文件中形成查找表。其中，步驟S2進一步包括S2. 1根據環境一號HJ-1A/B星的CXD數據中的幾何定位信息，計算每個像元的經 緯度，得到太陽天頂角和太陽方位角，太陽天頂角93為cos θ s = sin (Iat) sin δ +cos (Iat) cos δ cost其中，Iat為地理緯度，δ為太陽光與地球赤道平面的夾角，t為太陽的時角，定義 緯地方時12點的時間為0，6點時為- π /2，18點時為π /2 ；太陽方位角Φ為
sin cos^ = \ η{π /2 - θ)\ η{ α --------；
cos(^/2 - θ) cosylat)S2. 2根據環境一號HJ-1A/B星的C⑶數據的輔助數據中的觀測方位角以及所述太 陽方位角，計算所述相對方位角。其中，在步驟S3中，所述輻射定標獲得表觀反射率的方法包括步驟S3. 11從所述輔助數據中讀取輻射定標係數g和Ltl，將遙感影像像元亮度DN值轉 換為表觀輻亮度L L = DN/g+L0S3. 12根據所述太陽天頂角θ s，將所述表觀輻亮度歸一化為各波段的表觀反射 率
τ ^P =--—
cos^其中，Ελ為大氣層頂太陽輻照度；其中，在步驟S3中，所述去除雲覆蓋像元時，選取0.2作為雲去除閾值。其中，在步驟S3中，所述海陸分離提取陸地像元是通過藉助歸一化植被指數NDVI 閾值實現的=
Pnir + Pred其中，P*和Pred分別表示環境一號HJ-1A/B星的C⑶近紅外波段和紅波段的地 表反射率，判斷標準為水體的NDVI小於0，土壤的NDVI為0. 1，植被的NDVI大於0. 3。其中，步驟S4進一步包括S4. 1使用NDVI識別出暗目標濃密植被；S4. 2將所述查找表插值到各像元的觀測幾何，得到不同陸地氣溶膠光學厚度下插 值後的大氣參數；S4. 3根據步驟S3. 12中得到的藍波段和紅波段的表觀反射率以及下式
權利要求
1.一種基於環境一號衛星的陸地氣溶膠光學厚度反演方法，其特徵在於，該方法包括 步驟s1.根據環境一號HJ-1A/B星的CCD相機的特徵，模擬各像元的觀測幾何、大氣狀況，進 行輻射傳輸計算，獲得相應的大氣參數，存儲於數據文件中形成查找表；s2.根據環境一號HJ-1A/B星的CCD數據的輔助數據，提取各像元的觀測天頂角以及觀 測方位角，並計算太陽天頂角以及太陽方位角，獲得各像元的觀測幾何；s3.對環境一號HJ-1A/B星的CCD數據進行如下預處理輻射定標獲得相機各波段的 表觀反射率、去除雲覆蓋像元、以及海陸分離提取陸地像元；s4.利用暗目標算法獲得各波段地表反射率信息，將所述查找表插值到各像元的觀測 幾何，根據經過預處理得到的表觀反射率計算不同陸地氣溶膠光學厚度下的地表反射率， 擬合得到陸地氣溶膠光學厚度。
2.如權利要求1所述的基於環境一號衛星的陸地氣溶膠光學厚度反演方法，其特徵在 於，步驟Sl進一步包括Si. 1設定不同的觀測情況9個太陽天頂角，12個觀測天頂角，16個相對方位角，氣溶 膠模式為大陸型氣溶膠，相對於0. 55 μ m波長處的氣溶膠光學厚度設為6個等級，查找表計 算的波段為環境一號HJ-1A/B星的CXD的藍波段以及紅波段，海拔設置為0m，所述相對方位 角為太陽方位角與觀測方位角之差；s1.2調用輻射傳輸模式進行模擬運算，得到相應的大氣程輻射、大氣整層雙程透過率、 大氣向下的半球反射率的三個參數，並存儲在數據文件中形成查找表。
3.如權利要求2所述的基於環境一號衛星的陸地氣溶膠光學厚度反演方法，其特徵在 於，步驟S2進一步包括s2.1根據環境一號HJ-1A/B星的CXD數據中的幾何定位信息，計算每個像元的經緯度， 得到太陽天頂角和太陽方位角，太陽天頂角θ s為
4.如權利要求3所述的基於環境一號衛星的陸地氣溶膠光學厚度反演方法，其特徵在 於，在步驟S3中，所述輻射定標獲得表觀反射率的方法包括步驟s3.11從所述輔助數據中讀取輻射定標係數g和Ltl，將遙感影像像元亮度DN值轉換為 表觀輻亮度L S3. 12根據所述太陽天頂角θ s，將所述表觀輻亮度歸一化為各波段的表觀反射率其中，Ελ為大氣層頂太陽輻照度；
5.如權利要求4所述的基於環境一號衛星的陸地氣溶膠光學厚度反演方法，其特徵在 於，在步驟S3中，所述去除雲覆蓋像元時，選取0.2作為雲去除閾值。
6.如權利要求5所述的基於環境一號衛星的陸地氣溶膠光學厚度反演方法，其特徵在 於，在步驟S3中，所述海陸分離提取陸地像元是通過藉助歸一化植被指數NDVI閾值實現 的
7.如權利要求6所述的基於環境一號衛星的陸地氣溶膠光學厚度反演方法，其特徵在 於，步驟S4進一步包括S4. 1使用NDVI識別出暗目標濃密植被；S4. 2將所述查找表插值到各像元的觀測幾何，得到不同陸地氣溶膠光學厚度下插值後 的大氣參數；S4. 3根據步驟S3. 12中得到的藍波段和紅波段的表觀反射率以及下式
8.如權利要求1-7任一項所述的基於環境一號衛星的陸地氣溶膠光學厚度反演方法， 其特徵在於，所述環境一號HJ-1A/B星的C⑶數據為經過幾何校正的藍、綠、紅、近紅外四個 波段，所述環境一號HJ-1A/B星的CXD數據的輔助數據包括包含標定係數、過境時間輔助 信息的ml文件，以及包含觀測幾何的文本文件。
全文摘要
本發明公開了一種基於環境一號衛星的陸地氣溶膠光學厚度反演方法，該方法包括步驟S1.模擬觀測幾何、大氣狀況，進行輻射傳輸計算，獲得大氣參數，形成查找表；S2.根據輔助數據，提取各像元的觀測天頂角以及方位角，並計算太陽天頂角以及方位角，獲得觀測幾何；S3.對HJ-1A/B星的CCD數據進行預處理；S4.利用暗目標算法獲得各波段地表反射率信息，將查找表插值到各像元的觀測幾何，根據經過預處理得到的表觀反射率計算不同陸地氣溶膠光學厚度下的地表反射率，然後擬合得到陸地氣溶膠光學厚度。本發明的方法能夠快速、方便的實現大範圍的陸地氣溶膠監測，為顆粒物汙染監測提供了數據源。
文檔編號G01S7/48GK102103204SQ20111002919
公開日2011年6月22日 申請日期2011年1月26日 優先權日2011年1月26日
發明者厲青, 周春豔, 張麗娟, 楊幸, 段文舉, 毛慧琴, 王中挺, 王子峰, 王橋, 陳輝, 黃陸雄 申請人:環境保護部衛星環境應用中心