大气CO2反演的地表反射率影响分析与比值反演方法
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开始的 _ C . 8 ?和 2 / / 6 Y $ : 3 /; 5 3 / 3$ Z 3 / 2 [ 9 6 5 1 / % % 9 1 / 8 ? ; ;3 主要探测短波红外波 C B C 1 Y /$ 2 Z 9 1 9 6 5 2 Z $ 6$ Z 3 / 2 [ 5 1 $ 2 ;0 4 这种被动探测技术具有 段反射的太阳光来反演 B C ) 柱含量 内在固有 的 缺 点易 受 地 表 反 射 率 和 太 阳 天 顶 角 等 的 影 响
L 该先验信息不一定准 谱估计出地表反射率作为先验信息
确本文将介绍地表反射率取值不确定性的来源及其对 提出比值法来校正其影响克服地表 B C ) 反演的影响程度 反射率无法准确获取的缺点
+Hale Waihona Puke Baidu!反演算法
!!在给定实测数据和一些先验知识的条件下可以使用最 优化估计寻找到对应的最可能的大气状态本节的数学表达
第"期!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!光谱学与光谱分析 式中2 # 2 5 为先验信息 ! 5 为先验 2 为测量误差协方差矩阵 ! 误差协方差矩阵!表示状态向量的不确定性及其之间的相互 关系"
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所提供的地表反射率遥感产品时!会因两卫星平台对同一地 点的探测方式和过境时间不同!及中等分辨率成象光谱仪 SC E @ .产品本身反演误差的存在!使得反射率带有较大的 不确定性" # ( ' !观测几何及太阳几何条件 不同观测天顶角探测到的可能是物体的直接反射)前向
摘!要!近红外波段空基大气 B C ) 反演是一个病态问题 地表特征的不确定性是其重要的影响因素之一 针对大气 B 研究了地表反射率两大不确定性因素对大气 B 提出 C C ) 高精度反演的需求 ) 反演的影响程度 了比值光谱法对这种影响进行校正比值光谱法中 B 的选择至关重要通过比较和 C $ R R % 9 6 / ) 无吸收通道 分析多种 $ R R % 9 6 /通道的选择方法发现多通道多点平均法因多数据平均可降低随机误差的优势获得的 $ R R % 9 6 /通道对应的反演精度最高而且离散程度也小比值光谱法结合多通道多点平均法选取出的 $ R R % 9 6 / 通道对地表反射率的不确定性影响有明显的校正效果有利于大气 B 反演精度的提高 C ) 关键词!B 地表反射率比值光谱法校正 C ) 反演 中图分类号 N + ! + & + 8!!!% " & + * & ! I = J & 9 3 3 6 & + * * * * L I ! ) * + ! * " ) + " ) * = !!文献标识码 K 假设无气溶胶状态 利用 B 在反演 B C C ) 时 ) 带两端的连续
修订日期 ) * + ) + + + ! ) * + ! * ) ) L !收稿日期
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和公益性行业 气象 科研专项 资助 J + + , L * ! , J + * , + ) ! ) _ hDh ) * + + * = * J L + !基金项目国家自然科学基金项目 作者简介 叶函函 女 年生 中国科学院安徽光学精密机械研究所博士研究生 + I " , / P 5 9 %4 / Y Y $ P 5 9 % & 0 $ P ; ; ! !! ! / P 5 9 % j Y Q 5 6 5 9 $ R P & 5 0 & 0 6 ; "通讯联系人!! !
!!地物反射率的角度特性非常明显!不同仪器观测角对应 的反射率差异较大" 传统的绝对辐亮度谱法反演大气 B C ) 对 反射率的偏差敏感!反射率偏差会导致较大的反演误差"以
) + " J 情况下典型的 SC E @ .] A E > 精度在+ * d左右"
光谱学与光谱分析!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第! !卷 式中右下标,和, 光谱比值中地表 *分别对应通道% % *" , 和 , 反射率被约掉!其不确定性的影响也得到了校正"由于其他 吸收体及太阳光谱本身也存在不确定性!为提高目标提取能 力!对 $ 6 % 9 6 /与 $ R R % 9 6 /通道的选择提出了一定的限制" > ( ' " , O 8 数据的云识别 !U 根据上述假设!晴空气溶胶光学厚度小的观测数据使用 比值法!校正效果会更明显!而且干扰因素影响小也有利于 目标信息的提取!因此首先要剔除视场内可能有云的观测数 据"对 _ C . 8 ? 云屏蔽后的数据进一步地识别与判断!降低 云对反演精度的影响" _ C . 8 ? 采用多点观测模式!对一地 点测量!次!比较这些数据的反演结果!若存在偏差较大则 判定视场内可能有云!这组数据将不予使用" > ( # " , O 8 数据的波长定位 !U 从干涉图复原的理想光谱应使谱峰左右两侧对称光谱点 强度一致!而 _ C . 8 ? 原始光谱数据采样点精度不够!导致 谱峰值点两侧对称光谱点强度差异较大"图 J 是 ) * + * & I & + , # 和) # 大兴安岭森林 _ @ 线$ * + + & + * & + ) Q 线$ C . 8 ? 观测的原 始光谱# 采样间隔* !由谱峰两侧光谱点强度分布可 & )0 P\+$ 知!图J # $ # $ 5 =) ! I 0 P\+处的实际吸收谱峰需左移!而图J Z =) * ! & ,0 P\+处的实际吸收谱峰需右移" !!仪器探测到的谱线都具有一定频率或波长宽度!因此需 要采用合适的函数对谱线进行内插来得到谱峰的中心波数位 置!使之更加符合实际光谱"利用样条函数对离散光谱点插 值!间隔为* & * * )0 P\+!接近 T ] T A ?S 模拟谱的采样间隔! 使谱峰两侧对称光谱点的强度实现一致!且获取 _ C . 8 ?光 谱吸收峰信息的准确度也将提高"
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!!自然界大多数物体的反射辐射不仅具有方向性而且这种 '( 方向性还依赖于入射辐射的方向!由 ' 9 0 $ 7 / P : 3, 首次提出 双向反射率分布函数0 了/ ] A E > 的概念来描述物体的反射辐 射分布"物体的 ] A E > 具有较大的时空分异性!对于全球观 测的温室气体卫星!若应用 ] A E > 特性探测器如 SC E @ .等
标准 反射率 黑云杉 短叶松 山杨 * & + = * & ) * * & + , 反射率随观测角的 B C ) 相对反演误差 变化范围 变化范围 * d * & * " * & ) J " * & + ) * & ) " " * & + ) * & ) J " \ + * * " = " \ + * * , ) & = " \ L " & ! J , J & ) = "
大气 ! " # 反演的地表反射率影响分析与比值反演方法
) 叶函函+王先华+" 吴!军+ 方勇华+麻金继!江新华+韦秋叶+
+ <中国科学院安徽光学精密机械研究所安徽 合肥! ) ! * * ! + ) ! * * ! + ) <中国科学技术大学安徽 合肥! ! <安徽师范大学国土资源与旅游学院安徽 芜湖! ) J + * * *
黑云杉为例!反射率偏差达f L * d时!对应的 B C ) 相对反演 误差高达 \+ * * d和" = d!此时无法从实测数据中获得正确 的B C ) 信息 " !!取最小太阳天顶角时对应的反射率为标准值!则其他太 黑 阳天顶角对应的 B C ) 相对反演误差如图)中浅色点所示 " 云杉的天底观测反射率随太阳天顶角的变化明显!太阳天顶 角L 时对应的 B 山杨和短叶松的 L V C + * * d" ) 反演误差高达 \ 天底观测反射率随太阳天顶角的变化缓和!带来的误差也相 对较小!但仍会导致 B C ) 高精度反演无法实现 " # ( # " % & ,反演精度 !N '( O 5 6 6 / 2等 I 模拟并统计了各种纬度)时间)地表生物 类型及太 阳 天 顶 角 下 中 等 分 辨 率 成 像 光 谱 仪 SC E @ .# 1 Y / $ SC E / 2 5 1 /2 / 3 $ % : 1 9 $ 69 P 5 9 6 / 0 1 2 $ 2 5 7 9 $ P / 1 / 2 ] A E >产品 ; ;3 ( 的预期反演精度!发现数据处理算法 8 反演的天底反 P Z 2 5 % 3 射率精度一般在 ! d "" d 之 间!改 进 的 A ` # 模型精度在 ) d" + * d之间!恶劣条件下两者的误差可高达 ! * d"一般
第! 第"期! !!!!!!!!!!!光 谱 学 与 光 谱 分 析 !卷 )*+! 年 " 月!!!!!!!!!!! !. / 0 1 2 $ 3 0 $ 6 7. / 0 1 2 5 %8 6 5 % 3 9 3 ( ( 45 ( 4
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引!言
往往需要利用 C !!从空基探测信息中提取大气 B ) 的含量 卫星遥感实测数据和大气辐射传输模型并结合一定的先验 知识来实现对大气 B 空基遥感信息 C ) 参数真实状态的估计 反演的实践表明大气参数地表特征和仪器性能是反演的
+ 空基高精度探测 B 三大主要误差源 C C . ) 的技术是从 _
林在不同仪器观测角和太阳天顶角下的方向反射率!图 + 为 太阳天顶角J 时阔叶林的 ] ! 图)为不同太阳天顶角条 L V A E > $ !# $ $ 分别为黑云杉)山 件下的天底观测反射率!# 5 Z 和# 0 杨)短叶松"
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前向模型 * 是计算大气辐射传输参量的函数输入成分 包括状态向量 # 和 参 数 向 量( # 由需反演的未知参数如 B C ( 包括假定为已知并同步影响辐射传输的 ) 柱含量组成 参数测量向量5 为仪器实测数据实测与模拟之间的差别 由误差向量2给出它包括仪器和前向模型的不确定性 # ( + & 2 5 e * 得到代价函数 > 利用高 $ 7 / 2 3等式 L & ! # !!根据 A ; 可获得反演问题的最大后验概 斯 ?牛顿迭代运算最小化> # 9 率解#
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B C ) 的反演精度取决于辐射传输模型中输入参数的精 ! 度其中地 表 反 射 率 是 辐 射 传 输 模 型 中 的 重 要 输 入 量 ] A E > 模型的准确估计对反射率计算非常关键然而 O $ % R J 指出在卫星观测双向反射率分布函数 ] A E >过 5 6 : 0 Y 1 ; ;T 程中亚分辨率的云或雪污染大气参数不确定观测期间 地表条件的微小变化等都会使得 ] A E > 模型数据获取失 败因此要想准确获取与温室气体卫星观测时间对应的实时 反射率就存在一定的困难 地表反射率难以准确获取目前 _ C . 8 ? 数据处理小组
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前向模型 * 是计算大气辐射传输参量的函数输入成分 包括状态向量 # 和 参 数 向 量( # 由需反演的未知参数如 B C ( 包括假定为已知并同步影响辐射传输的 ) 柱含量组成 参数测量向量5 为仪器实测数据实测与模拟之间的差别 由误差向量2给出它包括仪器和前向模型的不确定性 # ( + & 2 5 e * 得到代价函数 > 利用高 $ 7 / 2 3等式 L & ! # !!根据 A ; 可获得反演问题的最大后验概 斯 ?牛顿迭代运算最小化> # 9 率解#
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