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基于智能计算的气溶胶遥感反演

文献类型:学位论文

作者亓林
答辩日期2023-06
文献子类学术型学位
授予单位中国科学院大学
授予地点中国科学院地理科学与资源研究所
导师刘荣高
关键词遥感反演 气溶胶光学厚度 气溶胶单次散射反照率 智能计算 厚气溶胶
学位名称博士
学位专业地图学与地理信息系统
英文摘要大气气溶胶是悬浮于大气中的固体或液体颗粒,对地气系统的辐射收支具有重要影响,同时频发的气溶胶也会影响正常的经济活动,甚至危害人类健康。对气溶胶信息的及时、准确获取是研究气溶胶分布规律、变化趋势、评估气溶胶环境效应、提供决策参考的重要前提。卫星遥感作为一种大尺度的观测手段,具有观测范围广、观测时间长、观测成本廉价的特点,已经成为反演气溶胶信息的重要手段。经过四十多年来的算法开发和版本迭代,卫星遥感气溶胶参数的反演精度越来越高。但以中等分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS)为典型代表的气溶胶反演产品仍然存在着问题:目前,基于MODIS数据的气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth, AOD)反演算法在陆地上误差为±(0.05+15%),且在全球范围内不同的研究区域、不同的研究时间上也有很大差异,尤其是在于厚气溶胶覆盖的区域,MODIS的气溶胶算法会混淆厚气溶胶和云,且气溶胶反演算法中使用的查找表(Look up table, LUT)技术在厚气溶胶状况下会产生较大的误差。此外,目前气溶胶参数反演研究主要集中在对AOD的反演,对同样重要的气溶胶参数单次散射反照率(Single Scattering Albedo, SSA)反演的算法和产品相对不足。 本研究针对目前气溶胶卫星遥感反演存在的一些不足,开展了波段组合的地表反射率估算方法、气溶胶SSA遥感反演、基于大数据的AOD智能计算反演和东亚地区厚气溶胶分布发展等研究,得到的主要结果总结如下: (1)统计了MODIS红光波段与蓝光波段地表反射率在不同波段组合下的反射率分布情况与反射率波段比值分布状况,发现只要找到合适的方法来准确描述反射率波段比值在组合空间中的分布,就能使用近红外/短波红外波段的反射率组合对可见光地表的反射率进行准确估算,并使用人工神经网络(Artificial Neural Network, ANN)技术拟合了不同波段组合对可见光波段地表反射率关系,发现使用包含中红外波段的波段组合和使用包含红光波段与近红外波段的波段组合分别可以很好地对红光波段和蓝光波段的地表反射率进行估算,且两者表现均优于暗目标方法; (2)提出了一种适用于MODIS可见光波段的基于ANN技术的SSA反演算法,与地表AERONET(AErosol Robotic NETwork)站点太阳/天空光度计测量结果进行了对比,在AOD大于0.15时,误差为0.042。同时还利用该SSA反演算法对南亚、南美和华北地区发生的3个厚气溶胶事件的卫星影像进行了反演,结果表明该SSA反演方法可以在高异质性地表区域中很好地反演出气溶胶覆盖区域的SSA分布; (3)本研究利用优化的地表反射率估算波段组合,使用大数据方法从海量反射率数据中建立估算可见光地表反射率的波段关系,并使用神经网络智能计算技术,扩充气溶胶反演模型中所涉及的气溶胶类型,优化反演模型对气溶胶类型的选择,同时实现气溶胶反演流程的简化,提高反演精度和反演效率,与AERONET站点观测数据的比较验证中相关系数R达到了0.967,RMSE为0.044;通过在一次南亚气溶胶事件的MODIS遥感影像中应用本算法以及与MOD04的AOD产品的对比,发现本算法在与MOD04具有相同的AOD空间分布的同时,具有更高的分辨率,同时可以对MOD04无法反演的厚气溶胶进行准确的反演;统计了东亚地区2013年一年中厚气溶胶事件的发生频率分布与发生强度分布,并与从MCD19A2产品进行对比,结果表明与MCD19A2相比,本算法能够捕捉到更多的厚气溶胶事件,并且不会低估气溶胶事件的强度,但在亮表面或沙尘型气溶胶事件中,算法表现不如MCD19A2产品; (4)利用本研究提出的AOD反演方法,对东亚地区厚气溶胶事件的发生、分布和变化进行了分析,结果表明:从2000年到2018年,东亚地区的厚气溶胶年平均AOD的变化可以分为两个阶段,一是2000年到2013年的厚气溶胶快速发展的阶段,二是2014年之后厚气溶胶保持平稳并开始逐渐减少的阶段;同时分别对东亚及周边地区的几个气溶胶频发的典型区域进行了分析,发现华北平原至长江中下游平原区域是其中厚气溶胶最频发、发生强度最高的区域,且在2000年至2013年间经历了快速的发展和扩散,而在2014年之后该区域的厚气溶胶状况得到了改善,发生频率和强度都有所降低;珠江三角洲区域具有良好的气溶胶扩散和沉降调节,使得该区域在具有较多气溶胶来源的情况下依旧保持了较低的厚气溶胶发生率;四川盆地区域主要受限于当地较差的气溶胶扩散条件,使得当地时常有厚气溶胶事件的发生,其发展规律与华北平原至长江中下游平原区域类似,分别经历了2000~2013年的发展阶段和2014年之后的稳定下降阶段;塔里木盆地区域是典型的沙漠地形,也是东亚地区沙尘型气溶胶的主要来源地之一,在研究的时间段内其厚气溶胶事件的发生频率和强度都没有出现明显的变化;恒河平原区域是气溶胶发展最快速的区域,在2000年到2013年期间经历了快速的发展达到了与华北平原附近区域相近的厚气溶胶事件发生状况,在2014年之后恒河平原区域气溶胶的发展速度有所放缓;东三省以北的中俄边境区域主要是茂密的西伯利亚泰加林,主要的气溶胶来源是森林火灾所导致的燃烧型气溶胶的排放,具有明显的季节波动,没有显著的变化规律。
语种中文
页码121
源URL[http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199869]  
专题地理科学与资源研究所_研究生部
推荐引用方式
GB/T 7714
亓林. 基于智能计算的气溶胶遥感反演[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023.

入库方式: OAI收割

来源:地理科学与资源研究所

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