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气溶胶光学特性偏振遥感反演算法

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气溶胶 光学 特性 偏振 遥感 反演 算法
资源描述:
  2009年 8月第 35卷 第 8期 北 京 航 空 航 天 大 学 学 报 200935  日 期 : 2008207203基 金 项 目 : 中 国 国 土 资 源 航 空 物 探 遥 感 中 心 基 金 资 助 项 目 (1212010816033) ;中 国 地 质 调 查 局 科 研 资 助 项 目 (1212030616010)作 者 简 介 : 孙   夏 (1983 - ) ,女 ,硕 士 生 ,甘 肃 金 昌 人 , 胶 光 学 特 性 偏 振 遥 感 反 演 算 法孙   夏 赵 慧 洁(北 京 航 空 航 天 大 学 仪 器 科 学 与 光 电 工 程 学 院 , 北 京 100191)摘       要 : 陆 地 上 空 大 气 顶 的 辐 射 主 要 由 大 气 散 射 和 地 表 反 射 组 成 ,一 般 地 表 反 射 的贡 献 要 大 于 大 气 散 射 的 贡 献 ,使 得 陆 地 上 空 气 溶 胶 的 特 性 提 取 非 常 困 难 ,而 偏 振 信 息 只 强 烈 依赖 于 散 射 粒 子 的 特 性 ,发 展 基 于 偏 振 信 息 的 气 溶 胶 反 演 方 法 是 非 常 有 效 的 . 通 过 对 矢 量 辐 射 传输 方 程 求 解 进 行 研 究 ,基 于 倍 加 累 加 法 矢 量 辐 射 传 输 模 式 分 析 影 响 气 溶 胶 反 演 的 主 要 因 素 ,确定 多 维 参 数 查 找 表 建 立 方 法 ,利 用 of 供 的 反 射 率 和 偏 振 反 射 率 数 据 ,发 展 了 一 种 利 用 反 射 率 和 偏 振 反 射 率 查 找 表 迭 代 查找 反 演 气 溶 胶 光 学 参 数 和 地 表 反 射 率 的 算 法 ,实 现 了 对 北 京 、 香 河 、 站 上 空 气溶 胶 光 学 厚 度 、 粒 子 半 径 、 折 射 指 数 和 地 表 反 射 率 的 反 演 . 用 基 数 据 对 反 演 结 果 进 行 了 验 证 键   词 : 偏 振 ; 气 溶 胶 ; 矢 量 辐 射 传 输 ; 地 球 反 射 偏 振 与 方 向 性 探 测 器中 图 分 类 号 : 9文 献 标 识 码 : A        文 章 编 号 : 100125965 (2009) 0821027204R e l a fo r op l pa e te rs of ae ro so l u la o te p 00191, b t: at of of In is of It is on So it is to by on of s, of p in U of of of , an op p on an op wo rd s: of 溶 胶 是 大 气 的 重 要 组 成 部 分 ,对 大 气 环 境 、气 候 辐 射 和 光 在 大 气 中 的 传 输 等 有 重 要 的 影 响 ,研 究 大 气 气 溶 胶 对 深 入 了 解 全 球 辐 射 收 支 平 衡 、气 候 研 究 以 及 促 进 全 球 污 染 控 制 具 有 重 要 的 科 学意 义 . 气 溶 胶 特 性 遥 感 方 法 有 地 基 遥 感 和 卫 星 遥感 ,地 基 遥 感 由 于 受 到 观 测 站 点 的 限 制 难 以 实 现全 球 化 观 测 ,而 卫 星 遥 感 技 术 的 发 展 ,使 人 们 能 够获 得 全 球 范 围 内 的 气 溶 胶 信 息 . 国 外 卫 星 遥 感 气溶 胶 的 研 究 始 于 20世 纪 70年 代 中 期 ,目 前 利 用卫 星 遥 感 气 溶 胶 已 经 形 成 了 一 个 非 常 丰 富 的 研 究体 系 ,已 发 展 的 气 溶 胶 反 演 的 方 法 主 要 有 暗 像 元法 [ 1 ] ,多 角 度 多 通 道 遥 感 法 [ 2 ] ,结 构 函 数 法 [ 3 ] ,基于 地 表 模 型 的 方 法 [ 4 ] ,直 方 图 匹 配 法 [ 5 ]以 及 偏 振遥 感 法 [ 6 ]等 . 对 于 陆 地 上 空 气 溶 胶 反 演 来 说 ,由于 标 量 辐 射 对 地 表 反 射 率 和 气 溶 胶 光 学 厚 度 都 很敏 感 ,因 此 利 用 标 量 反 演 方 法 不 易 区 分 两 者 的 差别 . 而 偏 振 辐 射 只 对 气 溶 胶 粒 子 特 性 敏 感 ,偏 振 信息 有 助 于 气 溶 胶 特 性 的 提 取 ,可 以 更 好 的 反 演 气溶 胶 的 光 学 特 性 . 法 国 空 间 研 究 中 心 研 制 的 of 全 球 气 溶 胶 的 反 演 提 供 了 多 角 度辐 射 和 偏 振 信 息 ,利 用 偏 振 信 息 反 演 气 溶 胶 和 地表 反 射 率 的 方 法 越 来 越 受 到 人 们 的 关 注 ,本 文 就是 利 用 度 辐 射 偏 振 数 据 ,对 陆 地 上空 气 溶 胶 特 性 和 地 表 反 射 率 反 演 方 法 进 行 了 研究 偏 振 遥 感 探 测 原 理用 斯 托 克 斯 矢 量 完 整 的 表 示 辐 射 ,辐 射 的 传输 和 能 量 的 再 分 配 可 以 由 矢 量 辐 射 传 输 方 程 描述 ,一 般 表 述 形 式 如 下 [ 7 ] :μ τ ,μ , <) - I (τ ,μ , <) +ω (τ )4π∫2π0 ∫1- 1M (τ ,μ , <,μ ′ , <′ ) I (τ ,μ ′ , <′ ) d<′ +ω (τ )4π M (τ ,μ , <,μ 0 , <0 ) F0 μ 0 (1)其 中 , I = [ I, Q, U, V ]为 斯 托 克 斯 矢 量 , 波 的总 强 度 , Q 为 0°方 向 与 90°方 向 上 的 线 偏 振 光 的强 度 差 , 5°方 向 与 135° 方 向 上 的 线 偏 振 光的 强 度 差 , 偏 振 光 强 度 ;μ ,μ ′分 别 为 散 射 光和 入 射 光 的 天 顶 角 余 弦 ; <, <′分 别 为 散 射 光 和 入射 光 的 方 位 角 ;τ 为 光 学 厚 度 ;ω 为 单 次 散 射 反 照率 ; 地 外 太 阳 辐 射 通 量 ;μ 0 为 太 阳 天 顶 角 余弦 ; <0 为 太 阳 方 位 角 ; M 为 散 射 相 矩 阵 复 杂 的 散 射 相 矩 阵 ,必 须 使 用 数 值 的 方法 求 解 方 程 ( 1) ,一 般 方 位 角 独 立 于 斯 托 克 斯 矢量 ,相 矩 阵 可 以 分 解 为 ,将 方 位 角 分离 . 对 散 射 相 矩 阵 做 式 展 开 ,将 方程 进 行 离 散 化 ,对 天 顶 角 的 积 分 改 为 离 散 求 和 ,最终 将 辐 射 传 输 方 程 转 化 为 一 系 列 与 天 顶 角 、 方 位角 独 立 的 矢 量 微 分 方 程 ,形 式 如 下 :μ τ ,μi ) - τ ,μi ) + ∑ - 0ω (τ )4 ·[M m (τ ,μ i ,μ j ) τ ,μ j ) ]W j +ω (τ )4π τ ,μi ,μ 0 ) F0 μ 0 (2)其 中 , m 为 阶 数 ;μ i ,μ j 为 高 斯 分 割点 ; W 斯 积 分 加 权 系 数 . 然 后 利 用 倍 加 累 加法 由 以 上 方 程 求 解 矢 量 辐 射 传 输 方 程 查 找 表 构 建气 溶 胶 的 反 演 研 究 是 基 于 辐 射 传 输 模 型 的 ,由 于 求 解 辐 射 传 输 方 程 非 常 复 杂 ,目 前 使 用 查 找表 法 是 一 种 既 能 保 证 计 算 精 度 又 能 加 快 计 算 速 度的 方 法 . 为 建 立 气 溶 胶 反 演 的 查 找 表 ,用 大 气 矢 量辐 射 传 输 模 型 进 行 正 向 模 拟 计 算 ,对 影 响 气 溶 胶光 学 参 数 反 演 的 主 要 因 素 进 行 分 析 . 所 用 矢 量 辐射 传 输 模 型 是 倍 加 累 加 法 求 解 矢 量 辐 射 传 输 模 式8 ]1  影 响 因 素 分 析在 利 用 倍 加 累 加 矢 量 辐 射 传 输 模 式 计 算 时 ,大 气 顶 的 总 反 射 率 和 偏 振 反 射 率 计 算 使 用 的 是 平行 平 面 大 气 和 均 一 地 表 边 界 假 设 ,大 气 模 式 为 中纬 度 春 夏 大 气 模 式 ,主 要 对 臭 氧 和 水 汽 吸 收 进 行校 正 . 臭 氧 根 据 臭 氧 总 量 气 象 探 测 卫 星 提 供 的 同温 层 臭 氧 柱 状 含 量 校 正 ,水 汽 吸 收 的 校 正 使 用 经验 公 式 ,气 溶 胶 尺 度 分 布 函 数 用 Γ 分 布 表 示 [ 9 ]地 表 反 射 率 的 影 响设 置 气 溶 胶 粒 子 有 效 半 径 为 0. 15μ m,有 效方 差 为 0. 2, 太 阳 天 顶 角 为 45° , 观 测 天 顶 角 为30° ,τ 分 别 为 0. 05, 0. 20, 0. 所 用 总 反 射 率 R I,偏 振 反 射 率 R I = π 0(3)π 4)观 察 图 1中 R P 与 地 表 反 射 率 化关 系 ,可 以 看 出 随 R I 很 快 增 大 ,对 化 很 敏 感 ,当 相 对 方 位 角 为 0°时 , 乎 不 随 化 而 变 化 ,说 明 地 表 变 化 不 敏 感 发 现 ,如 果 相 对 方 位 角 过 大 ,由 于 大 散 射角 方 向 多 次 散 射 作 用 较 强 , 随 化 而 变化 . 因 此 ,利 用 偏 振 辐 射 反 演 气 溶 胶 光 学 特 性 时 ,应 避 开 大 散 射 角 方 向 辐 射 观 测 几 何 位 置 的 影 响8201 北 京 航 空 航 天 大 学 学 报                             2009年  图 1  不 同 τ 时 P 与 化 关 系观 察 图 2中 R I 和 观 测 几 何 角 度 的 关系 . 随 着 观 测 天 顶 角 θ 的 减 小 , R ,曲 线 弯 曲特 征 越 不 明 显 , R I 的 最 小 值 对 应 的 相 对 方 位 角< - <0 越 大 θ 减 小 , 小 , 曲 线 弯 曲 程 度 减 小 ,< - <0 为 0°和 180°时 对 应 的 值 减 小 θ , < - <0 的 增 大 ,使 光 在 大 气 中 传 播 的路 径 增 加 ,使 得 大 气 散 射 效 应 增 强 . 因 此 ,观 测 几何 条 件 是 气 溶 胶 反 演 中 必 不 可 少 的 参 数 .( < - <0 ) / (° )图 2  观 测 几 何 角 度 与 P 的 变 化 关 系3) τ 和 气 溶 胶 模 式 的 影 响如 图 1,随 着 τ 的 改 变 , 化 很 快 ,对 τ 的变 化 很 敏 感 ,因 此 利 用 以 定 量 反 演 气 溶 胶   气 溶 胶 模 式 与 P 的 变 化 关 系如 图 3所 示 ,当 τ 较 小 时 ,对 于 R P ,沙 尘模 式 与 海 洋 模 式 气 溶 胶 之 间 的 平 均 绝 对 误 差 较小 ,沙 尘 ,海 洋 模 式 与 城 市 模 式 的 气 溶 胶 之 间 的 平均 绝 对 误 差 较 大 ,各 种 模 式 之 间 的 差 都 要 小于 R . 研 究 发 现 ,气 溶 胶 模 式 的 不 同 会 给 反演 τ 带 来 误 差 2  查 找 表 参 数 确 定在 气 溶 胶 参 数 反 演 过 程 中 ,主 要 考 虑 气 溶 胶的 类 型 为 大 陆 型 和 城 市 型 ,粒 子 尺 度 都 属 于 小 粒子 范 围 , 而 且 能 探 测 半 径 小 于0. 35μ 模 态 的 气 溶 胶 粒 子 ,因 此 针 对 晴 空 条件 下 进 行 反 演 ,未 考 虑 沙 尘 暴 等 极 端 天 气 情 况 参 数 设 置 为 :气 溶 胶 粒 子 有 效 半 径 范 围为 0. 05~ 0. 30μ m,间 隔 0. 05μ m;气 溶 胶 折 射 指数 实 部 范 围 为 1. 50 ~ 1. 52, 虚 部 范 围 为 0 ~0. 030,间 隔 0. 005;τ 的 范 围 为 0~ 1. 0,间 隔 0. 05;太 阳 天 顶 角 范 围 为 0° ~ 90° ,间 隔 10° ;θ 范 围 为0° ~ 90° ,间 隔 5° ; < - <0 范 围 为 0° ~ 360° ,间 隔45° ; 围 为 0~ 0. 6,间 隔 0. 3  反 演 算 法建 立 查 找 表 后 ,基 于 偏 振 和 辐 射 联 合 的 方 法 ,发 展 了 同 时 反 演 τ , 气 溶 胶 折 射 指 数 m ,粒子 尺 度 维 参 数 迭 代 算 法 [ 10 ] 的 基 本 过 程 为 :首 先 ,应 定 义 相 关 误 差和 :S = 12 ∑i{ | i) - R i) | / i) +| i) - R / i) } (5)其 中 ,上 标 表 示 观 测 值 和 理 论 值 ; 观 测 方 向 . 为 使 得 R I 和 观 测 值 和 查 找 表 理论 值 之 间 的 相 关 误 差 最 小 ,确 定 4个 参 数 值 ( a,τ , r, m )作 为 初 始 值 . 的 变 化 为 Δ a,计 算 相关 误 差 ,在 S ( a -Δ a,τ , r, m ) , S ( a,τ , r,m ) , S ( a +Δ a,τ , r, m )中 获 得 最 小 值 ,得 到 最小 值 S 对 应 的 一 个 新 的 值 a′ ,依 次 类 推 ,最 后 找到 一 组 新 的 参 数 集 ( a′ ,τ ′ , r′ m ′ ). 通 过 连 续 的 减小 搜 索 范 围 反 复 迭 代 查 找 ,直 到 反 演 值 收 敛 于 一定 的 值 ,或 者 迭 代 次 数 达 到 一 个 最 大 值 反 演 实 验 及 结 果 验 证反 演 实 验 选 择 数 据 为 65 振 数 据 ,为 了 与 全 球 气 溶 胶 监 测 网 据 进 行 对 比 验证 ,选 择 北 京 观 测 站 ( 116. 38E, 39. 98N ) ,香 河 观测 站 ( 116. 92E, 39. 75N ) , 站 点(104. 42E, 43. 56N )进 行 定 点 反 演 实 验 中 给 出 了 利 用 反 演 的 3个9201  第 8期                           孙   夏 等 :气 溶 胶 光 学 特 性 偏 振 遥 感 反 演 算 法站 点 的 τ 值 ,北 京 站 点 的 τ 反 演 值 的 相 对 误 差 为29% ,香 河 站 点 的 相 对 误 差 为 17% , 的 相 对 误 差 为 22% ,反 演 结 果 与 观 测 结 果 存 在 一 定 的 误 差 ,原 因 是 : ① 率 较 低 与 地 面 观 测 值 相 比 存 在 误 差 ;② 测 量 只 对 细 模 态 气 溶 胶 粒 子 敏感 ,而 地 基 测 量 的 是 所 有 尺 度 的 粒 子 的 光 学 厚 度 ,所 以 结 果 普 遍 偏 小 反 演 算 法 得 到 的 气 溶 胶 光 学 参 数 利 用 矢量 辐 射 传 输 算 法 计 算 R P 模 拟 值 ,并 与 值 进 行 对 比 ,图 4显 示 了 北 京 反 演 模 拟计 算 值 和 值 ,可 以 看 出 模 拟 计 算 值和 观 测 值 基 本 一 致 . 分 析 其 误 差 主 要 在 于 矢 量 辐射 传 输 模 型 中 大 气 、 气 溶 胶 和 地 表 参 数 的 假 设 ,以及 查 找 表 计 算 精 度 影 响 . 在 误 差 范 围 内 本 文 的 反演 方 法 能 够 得 到 比 较 合 理 的 结 果   气 溶 胶 光 学 参 数 定 点 反 演 结 果865 北 京 香 河 反 演 值 ) 0. 160 0. 121 0. 209τ (0. 225 0. 147 0. 270a 0. 21 0. 33 0. 24m 1. 5 - 0. 009 i 1. 5 - 0. 010 i 1. 5 - 0. 012 . 16, 0. 2 0. 14, 0. 2 0. 25, 0. 2图 4  北 京 站 反 演 模 拟 计 算 R 值 比 较4  结 束 语本 文 对 利 用 偏 振 遥 感 反 演 陆 地 上 空 气 溶 胶 进行 了 初 步 的 研 究 ,基 于 矢 量 辐 射 传 输 模 型 ,分 析 了影 响 气 溶 胶 光 学 参 数 反 演 的 主 要 因 素 ,建 立 了 描述 地 气 系 统 辐 射 和 偏 振 的 多 维 参 数 查 找 表 ,采 用多 角 度 的 R I 和 合 的 四 维 参 数 迭 代 反 演 方法 ,就 实 验 个 例 进 行 反 演 ,利 用 65 的 辐 射 和 偏 振 数 据 ,对 北 京 、 香 河 、 点 实 现 气 溶 胶 的 τ , m , r和 演 ,τ 的反 演 结 果 与 数 据 进 行 比 较 ,结 果基 本 一 致 ,表 明 文 中 所 用 方 法 能 够 得 到 合 理 的 反演 结 果 文 献 ( 1 ] J, . A to J ]. 1988, 9: 1357 - 1381[ 2 ] Y u op th C ] / /of s. S, 2003: 793 3 ] 李 晓 静 ,刘 玉 洁 ,邱 红 ,等 . 利 用 反 演 北 京 及 其 周边 地 区 气 溶 胶 光 学 厚 度 的 方 法 研 究 [ J ]. 气 象 学 报 , 2003, 61(5) : 580 - 591L i L Q et of by J ]. 2003, 61 ( 5) :580 - 591 ( 4 ] 邓 蠕 蠕 ,田 国 良 ,柳 钦 火 . 基 于 多 次 散 射 的 植 被 2土 壤 二 向 反射 模 型 [ J ]. 遥 感 学 报 , 2004, 8 (3) : 193 - 200L B of on J ]2004, 8 ( 3 ) : 193 - 200 ( 5 ] L A of l: J ]. 2001, 39 (11) : 2490 - 2498[ 6 ] . Op of J ]. 2004, 34: 833 - 837[ 7 ] 何 贤 强 ,潘 德 炉 ,白 雁 ,等 . 基 于 矩 阵 算 法 的 海 洋 2大 气 耦 合 矢量 辐 射 传 输 数 值 计 算 模 型 [ J ]. 中 国 科 学 地 球 科 学 ) ,2006, 36 (9) : 860 - 870et in an on J ]. ( , 2006,36 (9) : 860 - 870 ( 8 ] F, L. A J ]. J Q S R T, 1991, 46 (5) , 413 - 423[ 9 ] M I, , , et em of by /. 2004 [ 2008 01 ]. [ 10 ] , . of op of J ]. E, 2004, 1: 84 - 88(责 任 编 辑 :刘 登 敏 )0301 北 京 航 空 航 天 大 学 学 报                             2009年  
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