1 河南理工大学测绘与国土信息工程学院, 河南 焦作 454003
2 中国科学院空天信息创新研究院国家环境保护卫星遥感重点实验室, 北京 100101
3 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
4 安徽师范大学地理与旅游学院, 安徽 芜湖 241000
大气细粒子气溶胶主要来源于人类生产生活排放，可以反映人为活动对大气的影响，因此细粒子气溶胶光学厚度 (AODf) 是大气环境领域重要的基础大气参数之一。本研究基于查找表反演方法，利用高光谱观测卫星［GF-5 (02)] 多角度偏振成像仪 (DPC) 数据，得到2022年春季 (3―5月) 的全球陆表AODf，并通过AERONET对反演结果进行了初步验证。对AODf的分析结果表明：1) 全球陆表AODf分布呈现明显的南北差异，南半球基本为低值，北半球的高值区域主要集中在亚洲地区；2) 中国地区陆表AODf在“胡焕庸线”两侧差别显著，东南侧的高值主要集中在川渝腹地、华北平原和两广地区，而西北侧基本表现为低值覆盖，人为和自然因素均对AODf的分布有一定的影响；3) 南亚地区和非洲中-北部的AODf分布与当地燃烧活动产生的烟尘以及季风环流等因素有一定的相关性。此外，DPC的AODf数据与MODIS细粒子产品的对比结果表明二者的AODf高值区域分布基本一致，而DPC在高亮地表有着更为完整的反演结果，可以为全球和重点区域的大气环境监测提供支持。
高分五号02星 细粒子气溶胶光学厚度 偏振反演 空间分布 人为活动 Gaofen-5(02) fine-mode aerosol optical depth polarization-oriented inversion spatial distribution anthropogenic emission 大气与环境光学学报
2023, 18(4): 323
1 中国科学院空天信息创新研究院, 国家环境保护卫星遥感重点实验室, 北京 100101
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 上海卫星工程研究所, 上海 201109
4 吉林大学地球探测科学与技术学院, 吉林 长春 130026
5 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2021年9月我国成功发射的高分五号 02 星［GF-5(02)] 上搭载有多角度偏振成像仪 (DPC) 和高精度偏振扫描仪 (POSP), 组成了“偏振交火”观测方案。为评价GF-5(02)卫星DPC传感器的在轨辐射性能, 基于2022年1月DPC和POSP观测数据, 采用海洋瑞利散射和“偏振交火”交叉定标两种方法, 实现了DPC在轨绝对辐射定标和视场内相对辐射一致性检验。结果表明, DPC/GF-5(02)在轨后的绝对辐射和相对辐射响应较发射前的实验室定标结果均未发生明显改变, 在轨前后各波段绝对辐射系数差异均小于5.3%, 视场内相对辐射响应变化均小于2%。其中, 443 nm波段瑞利散射和“偏振交火”交叉两种方法获得的绝对辐射定标系数一致性较高, 偏差约为2%；而490 nm和670 nm波段两方法定标结果偏差较大, 偏差分别为7.4%和7.7%。整体上, DPC/GF-5(02) 在轨后的辐射稳定性优于DPC/GF-5。
高分五号 02 星 多角度偏振成像仪 绝对辐射系数 相对辐射系数 瑞利散射定标 “偏振交火”定标 Gaofen-5(02) satellite directional polarimetric camera absolute radiometric coefficient relative radiometric coefficient Rayleigh scattering calibration "polarization crossfire" cross calibration 大气与环境光学学报
2023, 18(4): 310
1 安徽师范大学地理与旅游学院, 安徽 芜湖 241003
2 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100101
3 中国科学院大学, 北京 100049
在卫星遥感研究中, 云检测是基础环节, 其结果影响大气、地表各种参数的定量遥感, 同时也影响云微物理特性的反演。本研究针对多角度偏振卫星载荷 (高分五号 DPC 传感器), 建立了一种改进的光谱特征云检测算法。该算法综合利用云像元和非云像元在可见光反射率光谱、氧 A 波段吸收、蓝光偏振反射率以及偏振虹等特性上的差异, 分别提出了陆地、海洋上空的云检测方案, 并进一步建立了多角度云检测融合策略以标记云、晴空和未定像元。在陆地检测中, 通过增加表观压强检测和偏振虹检测分别改进了高层薄云和低层薄云的识别; 在海洋检测中, 利用表观压强与云层的退偏特性改进了耀光区云像元的识别。全球云检测结果示例显示该算法整体检测效果较好, 同时典型区域的检测结果与 MODIS 云产品也具有较好的一致性。该研究可为高分五号 02 星上的多角度偏振传感器云检测提供方法基础。
高分五号 多角度偏振成像仪 云检测 表观压强 线偏振度 耀光 Gaofen-5 directional polarimetric camera cloud detection apparent pressure degree of linear polarization sun-glint 大气与环境光学学报
2022, 17(6): 598
1 中国科学院空天信息创新研究院遥感卫星应用国家工程实验室，北京 100101
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院空天信息研究院海南研究院海南省地球观测重点实验室，海南 三亚 572000
高分五号（GaoFen-5）卫星搭载的多角度偏振成像仪（DPC）未装备星上定标器，需依赖不同替代方法进行在轨辐射定标。为此，发展了一种在轨交叉辐射定标方法，考虑实时地表方向反射及仪器光谱响应差异，实现了DPC/GaoFen-5与中分辨率成像光谱仪（MODIS）/Aqua的在轨交叉辐射定标。该方法选用具备高精度星上定标的MODIS/Aqua卫星为参考传感器，选择北非沙漠准不变定标场观测数据，通过输入卫星同步地表双向反射率产品和大气辐射传输计算，精确校正两传感器间太阳-观测几何和光谱响应差异带来的表观辐射量偏差，最终得到待定标传感器在轨交叉辐射定标系数。理论分析结果表明，该方法在DPC非吸收波段的定标不确定度为2.41%~3.70%。DPC/GaoFen-5与MODIS/Aqua的交叉辐射定标初步结果表明，两者辐射一致性较高，各波段表观辐射量差异均小于4%。
遥感 交叉定标 大气辐射传输 地表双向反射率分布函数 多角度偏振成像仪 中分辨率成像光谱仪 光学学报
2022, 42(18): 1828008
1 中国科学院空天信息创新研究院, 国家环境保护卫星遥感重点实验室, 北京 100101
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
4 上海卫星工程研究所, 上海 201109
5 安徽师范大学地理与旅游学院, 安徽 芜湖 241000
云顶压强可用于估计云高, 对气象观测和云特性研究等具有重要的作用。基于高分五号卫星搭载的多角度偏振探测仪 (DPC) 在氧气 A 吸收带设置的 763 nm 和 765 nm 两个波段进行了云顶压强反演方法的研究。首先, 通过辐射传输模拟和多项式拟合得到了大气压强的计算公式, 并对拟合公式进行了误差分析和校正。然后, 分析了气溶胶、大气廓线等因素对云顶压强反演结果的影响, 并进一步利用晴空地表对反演方法进行了稳定性测试和原理性验证。测试结果表明氧气 A 带方法稳定性较好, 可以适用于不同天气状况和观测角度; 验证结果表明 DPC 反演压强与 DEM 估算压强有很好的一致性, 地表压强的平均偏差约为 47.6 hPa。最后, 将 DPC 反演的云顶压强与 MODIS 云顶压强产品 (MYD06) 进行了对比, 结果表明两颗卫星的云顶压强观测结果具有较好的空间一致性。
云顶压强 差分吸收光谱技术 氧气 A 吸收带 反演 cloud top pressure differential optical absorption spectroscopy oxygen A-band retrieval 大气与环境光学学报
2021, 16(3): 256
1 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100101
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室, 北京 100029
基于改进的三维变分同化系统对地面细颗粒物浓度 (PM2.5) 与卫星气溶胶光学厚度 (AOD) 进行同化, 评估了同化分析场对 PM2.5 预报的改善效果。研究选定一次持续污染过程, 分别对地面 PM2.5 和 AOD 观测数据进行各自单独同化和两者同时同化。结果表明, 相比于单独同化 PM2.5 , 单独同化 AOD 对 AOD 分析场的精度提升更为有效, 但对 PM2.5 分析场的准确性显著降低。而同时同化 PM2.5 与 AOD 观测时, 分析场对气溶胶的光学-物理特性模拟达到最好的综合效果。同化试验可有效降低模式漏报率, 对于中轻度污染情况, 同化数据的选择对预报影响并不显著; 然而重度污染时, 同时同化近地面 PM2.5 和整层 AOD 的综合预报效果最优。
同化 PM2.5 预报 气溶胶光学厚度 assimilation PM2.5 forecast aerosol optical depth GSI GSI 大气与环境光学学报
2020, 15(5): 321
1 中国资源卫星应用中心, 北京 100094
2 中国科学院遥感与数字地球研究所, 北京 100101
2018年5月,我国成功发射了高分5号卫星,其上搭载了多角度偏振成像仪。卫星载荷受发射时的振动、在轨空间环境变化以及元器件电路 系统老化等因素的影响,各种辐射特性发生变化,从而导致整个载荷辐射性能与在轨前的实验室定标结果之间存在一定偏差。 基于海洋耀光对高分5号卫星多角度偏振成像仪的偏振测量定标的方法,并利用在轨测试期间数据,对载荷进行了初步的偏振辐射 定标测试。测试结果表明, 3个偏振波段(490, 670, 865 nm)线偏振度测量值与理论值有很好的一致性,平均偏差分别约为－0.03、 －0.04、－0.01,载荷发射前后偏振测量状态未发生明显改变。基于自然目标的在轨替代定标方法,还可用于多角度偏振成像仪 偏振辐射性能随时间变化情况的长期监测。
定标 线偏振度 太阳耀光 多角度偏振成像仪 calibration degree of linear polarization the sun glint directional polarization camera
1 中国科学院空天信息研究院 国家环境保护卫星遥感重点实验室, 北京 100101
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 生态环境部 卫星环境应用中心, 北京 100094
4 国家气象局 国家卫星气象中心, 北京 100081
偏振反映电磁波的方向特性,是除强度之外电磁波的另一维度的信息。在电磁波与大气颗粒物的相互作用中,偏振由于其对颗粒物物理特征的高敏感性, 可以有效提高卫星遥感探测的丰度和精度,改善对大气中特性复杂的气溶胶和云等成分的探测能力。首次综合介绍了我国研制的4种类型星载 对地观测偏振传感器,包括多角度偏振相机、推扫式偏振成像仪、摆扫式偏振仪、多通道偏振辐射计,并分析了代表性的国产偏振传感器 的指标参数,总结了各类载荷的探测能力。在此基础上,介绍了星载偏振传感器的主要定标方法,包括发射前实验室定标、星上定标和在轨定标。 偏振载荷具有增加卫星观测维度和精度、对大气颗粒物粒径和形状特征敏感、改善弱信号探测等方面的综合优势,能够获取全球范围内 高精度的大气气溶胶和云参数。星载对地观测偏振传感器具有广阔的大气遥感应用空间和潜力,可在细颗粒物PM2.5卫星遥感、关键气候 因子观测及评估、极端环境事件监测、气溶胶生态效应评估、对地观测高精度大气校正等多个领域发挥作用。
偏振 卫星传感器 大气遥感 气溶胶和云 定标 polarization satellite sensor atmospheric remote sensing aerosol and cloud calibration
Author Affiliations
Abstract
1 State Environmental Protection Key Laboratory of Satellite Remote Sensing, Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Hefei University of Technology, Hefei 230009, China
4 University of Lille 1, Lille 59655, France
A transfer method is introduced to derive the normalized radiance for CE318 Sun/sky radiometer using viewing solid angles and extraterrestrial calibration constants. The new transfer method has a good consistency at different parts of the sky scanning. Error analysis suggests that the uncertainty of the transferred method is about 2.0%–2.4%. The normalized radiances are used as input of the aerosol inversion to test the performance of the new transfer method. The residuals of the inversion (e.g., difference between fitted and measured radiance) are chosen as the index of the radiance calibration accuracy. Analyses of one year’s measurements in Beijing suggest an average sky residual of 3.3% for almucantar scanning (while 3.7% for the AERONET method), which suggest a better accuracy of the transfer method when used in aerosol retrieval.
010.0280 Remote sensing and sensors 010.1310 Atmospheric scattering 010.3920 Meteorology 120.5630 Radiometry Chinese Optics Letters
2015, 13(4): 041001
1 合肥工业大学, 安徽 合肥 230009
2 中国科学院遥感与数字地球研究所, 北京 100101
3 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
4 中国科学院大学, 北京 100049
视场角(field of view, FOV)是太阳辐射计的基础参数,也是太阳辐射计传递定标方法和室内积分球光源对比定标方法的关键参数,获取高精度的FOV是提高 此类定标方法精度的重要手段。基于矩阵扫描测量方法,针对CE318型太阳辐射计,研制了激光光源测量FOV系统,并将测量结果与传递定标法进行 了对比验证。结果表明:基于激光光源的矩阵扫描测量效果最好,不确定度为0.4%～1.1%;而基于太阳光源矩阵扫描测量受太阳运动的影响,因 此有一定的发散角,导致测量结果比激光光源测量结果小约1.3%～1.4%。此外,在太阳辐射计历史定标系数较多时,激光光源测量结果与传递定 标法计算的FOV结果一致性较好,说明传递定标法在历史数据多时也可以得到较精确的FOV结果。
视场角 矩阵扫描 激光 CE318太阳辐射计 传递定标 field of view matrix scan laser CE318 sun-photometer transfer calibration method 大气与环境光学学报
2015, 10(4): 315
