基于国产遥感卫星数据的北京市气溶胶光学厚度反演研究

发布时间：2017-08-21 10:43

  本文关键词：基于国产遥感卫星数据的北京市气溶胶光学厚度反演研究

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【摘要】：随着工业化和城市化进程的加速,空气污染越来越严重,引起社会广泛关注。气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth, AOD)是大气环境的重要评价指标,获取其空间分布信息对于大气环境监测、污染治理具有重要意义。卫星遥感可获得空间覆盖范围广、时间尺度上连续的信息,已成为气溶胶光学厚度监测的重要手段。近年来我国遥感卫星发展迅速,相继有多颗搭载了中高分辨率传感器的国产资源环境遥感卫星发射升空。研究如何利用这些国产遥感卫星数据进行AOD反演并得到精度较高的反演结果,具有重要的现实意义和探索价值。本文以北京市为研究区,运用深蓝算法针对HJ-1A/B/CCD、GF-1/WFV和CBERS-04/WFI等国产卫星遥感数据开展了AOD的反演研究。AOD反演前的预处理研究是本文工作重点之一。国产遥感卫星数据用于AOD反演时会遇到参数不全的问题。CBERS-04/WFI相机尚未提供大气层外波段平均太阳光谱辐照度数据(Mean solar exoatmospheric irradiances over band, ESUNb),而这是AOD反演时所需的重要参数。本文基于CBERS-04/WFI的波谱响应函数和9条常用太阳光谱曲线数据开展了CBERS-04/WFI相机ESUNb的计算,依据已有官方ESUNb值的中等空间分辨率传感器确定了适合于计算CBERS-04/WFI传感器ESUNb值的太阳光谱曲线,计算得到CBERS-04/WFI相机的ESUNb值。由于这3种遥感传感器均为宽幅面传感器,同一景影像的观测角度数据差距较大,计算AOD时不能将整幅影像的观测角度看作定值。GF-1/WFV数据尚未提供与遥感影像相对应的观测角度数据,因此根据GF-14台WFV相机成像的几何位置关系和影像的中心角度数据计算了逐像元的卫星观测角度数据。基于深蓝算法反演AOD的一个关键问题是构建基于国产卫星传感器蓝波段的地表反射率数据库。本文利用MODIS 8天合成的地表反射率产品MOD09A1来构建适合HJ-1A/B/CCD、GF-1/WFV和CBERS-04/WFI的地表反射率数据库。考虑到CBERS-04/WFI、GF-1/WFV、HJ-1A/B CCD1和MODIS传感器的光谱响应函数有一定的差异,需要进行波段转换修正。从ENVI标准波谱数据库提取了22种典型地物的地表反射率曲线,结合这几种传感器蓝波段波谱响应函数计算出各类地物在蓝波段的地表反射率,通过回归拟合建立了国产卫星传感器和MODIS蓝波段地表反射率的线性转换关系,并应用于MODIS地表反射率数据从而构建基于这3种国产卫星传感器蓝波段的地表反射率数据库。基于6S辐射传输模型循环迭代模拟,构建了针对CBERS-04/WFI、GF-1/WFV、HJ-1A/B CCD1这3种传感器的多维查找表,据此建立了观测角度数据与大气参数之间的关系。在此基础上,基于查找表运用深蓝算法进行逐像元计算,得到北京地区多个时相的AOD。基于AERONET观测数据对AOD遥感反演结果进行精度验证,结果表明,CBERS-04/WFI和HJ-1A/B CCD1的AOD反演结果与地基数据的相关性显著(P0.01),相关系数分别为0.941和0.919；GF-1/WFV数据匹配后的验证数据少,反演结果与地基验证数据的平均绝对误差为0.07。此外,将AOD反演结果与MOD气溶胶产品MOD04进行了对比,表明反演得到的AOD与MODIS AOD之间有显著的相关性(P0.01)。其中,基于HJ-1A/B CCD数据反演的AOD与MOD04产品的相关性最高(R=0.931),CBERS-04/WFI次之(R=0.863),GF-1/WFV数据的相关性相对较低,为0.590。验证结果表明,本文基于多种国产遥感数据的AOD反演结果较合理。
【关键词】：气溶胶光学厚度 CBERS-04卫星 GF-1卫星 HJ-1卫星 深蓝算法
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X87
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 研究背景13-15
• 1.2 气溶胶的遥感研究进展15-21
• 1.2.1 国内外传感器介绍15-17
• 1.2.2 气溶胶遥感技术介绍17-21
• 1.3 研究内容与技术路线21-25
• 1.3.1 研究内容21-22
• 1.3.2 研究技术路线22-23
• 1.3.3 特色和创新点23-25
• 第二章 研究区与研究数据25-32
• 2.1 研究区概况25-26
• 2.2 研究数据26-32
• 2.2.1 遥感数据26-30
• 2.2.2 AERONET地基观测数据30-32
• 第三章 国产卫星数据预处理关键技术研究32-48
• 3.1 大气层外波段平均太阳光谱辐照度计算33-37
• 3.1.1 太阳光谱的选取33-35
• 3.1.2 CBERS-04/WFI传感器ESUNb的的计算35-36
• 3.1.3 ESUNb值的不确定性分析36-37
• 3.2 数据的预处理37-48
• 3.2.1 资源一号04星数据预处理37-40
• 3.2.2 高分一号数据预处理40-44
• 3.2.3 环境一号卫星数据预处理44-46
• 3.2.4 MOD09A1数据预处理46
• 3.2.5 MOD04L2数据预处理46
• 3.2.6 AERONET数据预处理46-48
• 第四章 气溶胶光学厚度反演48-61
• 4.1 气溶胶光学厚度反演的基本原理48-49
• 4.2 反演过程49-55
• 4.2.1 国产遥感传感器与MODIS地表反射率的转换49-53
• 4.2.2 查找表的构建53-55
• 4.2.3 AOD反演55
• 4.3 AOD反演结果55-61
• 4.3.1 CBERS-04/WFI数据AOD反演结果55-57
• 4.3.2 GF-1/WFV数据AOD反演结果57-59
• 4.3.3 HJ-1A/B CCD1数据AOD反演结果59-61
• 第五章 反演结果的比较与验证61-70
• 5.1 反演结果的精度验证61-65
• 5.1.1 CBERS-04/WFI AOD地基验证分析61-63
• 5.1.2 GF-1/WFV AOD地基验证分析63
• 5.1.3 HJ-1/CCD AOD地基验证分析63-65
• 5.2 反演结果与MODIS气溶胶产品的比较65-67
• 5.3 国产传感器AOD反演对比和误差来源分析67-70
• 5.3.1 国产传感器AOD反演对比分析67-68
• 5.3.2 国产传感器AOD反演的误差原因分析68-70
• 第六章 总结与展望70-73
• 6.1 总结70-71
• 6.2 不足与展望71-73
• 参考文献73-82
• 致谢82-83

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本文编号：712439