結(jié)構(gòu)函數(shù)法氣溶膠光學(xué)厚度反演模擬與應(yīng)用實驗.pdf

1、傳統(tǒng)氣溶膠高精度遙感主要在水體、濃密植被等地表反射率較低的區(qū)域開展。在城市、稀疏植被等地表反射率較高的地區(qū)由于氣溶膠對衛(wèi)星信號指示作用的降低，氣溶膠反演面臨較大困難。結(jié)構(gòu)函數(shù)法是一種基于大氣透過率的氣溶膠光學(xué)厚度反演方法，受地表反射率限制較小，可以實現(xiàn)地表反射率較高地區(qū)的氣溶膠遙感反演。但該方法要求有與待反演圖像時間較近的清晰圖像的支持才能實現(xiàn)，該條件的存在嚴(yán)重限制了結(jié)構(gòu)函數(shù)法的應(yīng)用。為克服該問題，本文研究了使用已有的地表反射率產(chǎn)品為待

2、反演圖像提供清晰圖像的方法，以推動該方法的業(yè)務(wù)化應(yīng)用。
　　本論文的主要工作包括以下幾個方面:
　　1)地表反射率產(chǎn)品的生成及質(zhì)量評價。結(jié)構(gòu)函數(shù)法需要清晰圖像作為參考，而短時間內(nèi)無法獲取清晰度高、受云雨等影響小的圖像，考慮清晰圖像是用來提供地表反射率的，本文采用鄰近年份的地表反射率數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行最小值合成，得到受云、霧等因素影響小的地表反射率數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行評估。
　　2)研究地表反射率產(chǎn)品與待反演圖像間的配準(zhǔn)誤差對反演

3、結(jié)果的影響。為了精確確定配準(zhǔn)誤差的影響以及算法能夠承受的誤差范圍，確定反演結(jié)果誤差小且受配準(zhǔn)誤差影響小的像元的地表反射率結(jié)構(gòu)特征，本文使用6S輻射傳輸模型模擬了不同配準(zhǔn)誤差下的表觀反射率。采用三個方向?qū)Ρ鹊慕Y(jié)構(gòu)函數(shù)模型得到不同配準(zhǔn)誤差下的反演結(jié)果，對反演結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計和分析，結(jié)果表明配準(zhǔn)誤差顯著影響結(jié)構(gòu)函數(shù)法的反演結(jié)果，當(dāng)配準(zhǔn)誤差小于0.2個像元時，反演誤差小于0.2的像元占總像元的比例達(dá)63％。此外，當(dāng)?shù)乇矸瓷渎式Y(jié)構(gòu)函數(shù)值大于0.03時

4、，反演結(jié)果受配準(zhǔn)誤差的影響相對較小，相對誤差最大不超過40％，反之，受配準(zhǔn)誤差的影響較大。
　　3)大氣透過率與氣溶膠光學(xué)厚度對應(yīng)關(guān)系的研究。為了得到兩者的相互關(guān)系，本文利用6S模型得到了不同太陽天頂角和衛(wèi)星天頂角下的大氣透過率與氣溶膠光學(xué)厚度，發(fā)現(xiàn)兩者之間的對應(yīng)關(guān)系受天頂角的影響很大。本文在固定其中一個天頂角的情況下，采用單一變量法研究了另一個天頂角對反演穩(wěn)定的像元以及算法可接受的配準(zhǔn)誤差的影響。結(jié)果表明太陽天頂角的影響較觀測天

5、頂角大，且天頂角越小，穩(wěn)定像元比重越少，可接受的配準(zhǔn)誤差越小，反之天頂角越大，穩(wěn)定像元比重越大，可接受的配準(zhǔn)誤差也較大，當(dāng)太陽天頂角達(dá)到80°時，穩(wěn)定像元的比重可達(dá)70％。此外，在冬季和夏季的地表反射率無顯著差異的情況下，對比反演了同一地區(qū)兩個季節(jié)的氣溶膠光學(xué)厚度，結(jié)果表明在相同配準(zhǔn)誤差下，冬季的反演結(jié)果較夏季準(zhǔn)確，受配準(zhǔn)誤差影響小的穩(wěn)定像元比重也較大。
　　4)查找表查找方法的研究。在研究大氣透過率與氣溶膠光學(xué)厚度間的關(guān)系時，發(fā)

6、現(xiàn)兩者存在顯著的指數(shù)關(guān)系，而常用的查找方法是線性插值，為了對比兩種方法的反演結(jié)果。結(jié)果表明，當(dāng)太陽天頂角小于50°、觀測天頂角小于60°時，一個‘e’的指數(shù)函數(shù)擬合比線性插值得到的結(jié)果更貼近模擬時設(shè)定的氣溶膠光學(xué)厚度，而且穩(wěn)定像元的比重也明顯高于線性插值法。當(dāng)太陽天頂角大于50°、觀測天頂角大于60°時，兩個‘e’的指數(shù)函數(shù)可以很好的描述大氣透過率與氣溶膠光學(xué)厚度的關(guān)系，但是超越方程的求解較為繁瑣，線性插值的結(jié)果相對一個e的指數(shù)函數(shù)擬合

7、要好。
　　5)研究像元間隔設(shè)置對結(jié)構(gòu)函數(shù)法反演結(jié)果的影響。受地形、土地利用等影響，結(jié)構(gòu)函數(shù)值隨像元間隔的變化是不規(guī)則的，像元間隔的設(shè)置會使反演結(jié)果存在誤差，為了確定最佳的結(jié)構(gòu)函數(shù)值確定方法，利用不同方法確定的結(jié)構(gòu)函數(shù)值反演氣溶膠光學(xué)厚度，并根據(jù)地面CE318的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗證。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)像元間隔大于4時，結(jié)構(gòu)函數(shù)值的變化率減小，通過對像元間隔從1到4的結(jié)構(gòu)函數(shù)值求平均的反演方法較為穩(wěn)定，精度較高。此外，當(dāng)像元的地表反射率結(jié)