基于POLDER数据的污染云识别算法研究

发布时间：2020-04-22 17:26

【摘要】：云覆盖地球表面的67%,通过与太阳辐射的多重相互作用,云对地球大气辐射平衡以及气候变化有重要影响。人类活动与自然活动向底层大气中排放出大量的污染粒子,常常使低层的水云受到污染。目前,污染云被认为是影响气候变化的不确定因素之一。污染云的降雨对人类健康与生态环境产生重大的威胁。因此识别污染云具有十分重要的意义。由于污染云中含有很多小粒子,而偏振反射率对小粒子十分敏感,因此偏振遥感可作为识别污染云的一个有效手段。本次研究中使用的是具有多角度多光谱的POLDER数据。我国刚刚发射的GF-5号卫星搭载的大气气溶胶多角度偏振探测仪(DPC)和POLDER传感器具有相同的偏振通道,利用POLDER数据研究污染云可为我国高分5号卫星研究污染云奠定了基础。本研究基于POLDER卫星影像,利用其多光谱多角度偏振数据识别污染云,并对检测出的污染云进一步识别出烟灰污染云与沙尘污染云。首先利用清洁云与污染云的云滴谱分布参数,理论计算了865nm处清洁云与污染云的偏振辐射亮度。根据清洁云与污染云的不同偏振辐亮度变化特征,利用两个阈值:散射角140°的最大偏振辐亮度的阈值与散射角140°~160°范围内的偏振辐亮度斜率拟合阈值,构建了污染云的识别算法。沙尘污染云和烟灰污染云是典型的自然污染云和人为污染云,文中构建了这两种云的识别方法。理论计算了不同波段烟灰污染云与沙尘污染云的反射率与偏振反射率,并将结果与POLDER的实测数据对比。结果发现在可见光至近红外烟灰污染云光谱反射率呈现出一个很强的上升梯度,光谱反射率的拟合斜率为正值且这种上升的梯度与受污染程度呈正相关关系。烟灰污染云的偏振反射率在散射角80°~120°明显增大,使偏振反射率的拟合斜率呈负值。在散射角142°左右,最大偏振反射率值相较于纯云有所降低。因此可联合反射率与偏振反射率来识别烟灰污染云。沙尘污染云是一种比较常见的自然污染云,经过理论计算,发现沙尘污染云的反射率从可见光至近红外呈微弱的下降趋势,沙尘污染云的偏振反射率在散射角80°~120°增加的很小。另外在散射角140°处的偏振反射率峰值降低。这些特征可以很好的识别沙尘污染云和烟灰污染云。最后将算法应用于不同的污染区域,利用CALIPSO观测结果以及AQI对污染云的识别结果进行验证,结果说明该算法可以很好的识别污染云并能准确的判断出类型。文中的污染云的识别算法以及污染云类型区分算法不仅弥补了污染云识别算法的空白且能指出污染云的类型,可为我国即将发射的GF-5 DPC卫星影像研究污染云奠定基础,另外有利于理解与量化人为气溶胶和自然气溶胶对云的影响,可为检测污染源以及污染类型提供一个新思路。
【图文】：

示意图,输入输出,示意图

模型中详细的处理了关于表征的非朗伯表面反射功能特性矩阵。VLIDORT 在模拟卫星接收的辐亮度时，可以同时输出四个斯托克斯参数、地表参数和气体廓线的权重函数。经过数年发展，，VLIDORT 考虑了偏振的影响在此基础上加入精确的单散射校正和非朗伯表面处理（BRDF），可以用来仿真大气遥感观测，反演气溶胶、痕量气体、云或者地表属性，输出结果不仅可以包括四个斯托克斯参量（I,Q,U,V），而且还可以输出他们相对于气溶胶单次散射和物理参数（如大小和形状参数，折射率，高度），信号的自由度（DFS）的敏感性即雅可比（Jacobian）。许晓光等人以 VLIDORT 作为基本内核[48]，开发一个易于参数输入的 UNL-VRTM 模型，该模型是在 VLIDORT 基础上进行再开发的一种模型，吸收了VLIDORT 模型的大部分内容。VLIDORT 模型气体吸收光谱的计算使用高分辨分子吸收（HITRAN）的谱线参数及其他痕量物种截面数据库。对于给定的气溶胶粒子的复折射指数与谱分布参数，利用线性 MIE 代码或者计算其光学性质包括消光系数、散射系数、单次散射反照率、非对称因子、散射相函数、偏振相函数等。

有效半径,偏振辐射,水云,辐亮度

相对方位角为 100°，水云的光学厚度设定为 5，大气模式为美准大气。云的有效半径从 3μm 到 15μm，有效方差设置为 0.1。计算结果见图1 所示。由图 3.1a 水云的归一化辐亮度的分布可知，随着有效半径的增大云的归一化辐射亮度减小，并且有效半径越大时递减的趋势减弱。在有效11μm 到 15μm 之间，归一化辐射强度的变化量可忽略不计。由此发现水云射亮度在 865nm 对有效半径的变化不敏感。在散射角 142°和 125°辐射亮度个极值，分别对应于水云的“主虹”与“副虹”也称为“霓”。由图 3.1b 的归一化偏振辐射亮度的多角度分布可知，随着有效半径的增大偏振辐射增大。散射角 142°左右时达到最大偏振反射率值，可以看出在偏振辐亮度水云的“主虹”与“副虹”更加明显。在散射角 100°~130°，偏振辐射亮度化很小，说明此处对有效半径的变化不敏感。随着有效半径的增大，偏振辐峰值（散射角 142°左右对应的偏振辐亮度值）逐渐增大，说明该处的偏振亮度值与有效半径有很大关系。另外，“主虹”对应的散射角的位置与有效的变化有关，表现在随着有效半径的增大，“主虹”的位置发生左移。
【学位授予单位】：安徽师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X513

【参考文献】