霾气溶胶光学厚度卫星遥感反演算法研究
  • 【摘要】

    随着我国经济的迅速发展,霾已成为我国空气污染监测重点关注的对象.卫星遥感监测霾天气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Thickness,AOT),已经成为和地面站点观测相结合的有效技术手段.但是在气溶胶观测领域具有代表性的NASA对地观测系统EOS/MODIS晴天气溶胶反演算法把霾当做薄云或亮目标处理,不反演霾气溶胶光学厚度.本文主要利用MODIS数据,在霾像元识别的基础上,耦合地表反... 展开>>随着我国经济的迅速发展,霾已成为我国空气污染监测重点关注的对象.卫星遥感监测霾天气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Thickness,AOT),已经成为和地面站点观测相结合的有效技术手段.但是在气溶胶观测领域具有代表性的NASA对地观测系统EOS/MODIS晴天气溶胶反演算法把霾当做薄云或亮目标处理,不反演霾气溶胶光学厚度.本文主要利用MODIS数据,在霾像元识别的基础上,耦合地表反射率以解决地表噪声问题,并基于观测结果建立霾天气溶胶模式,反演了霾光学厚度(Haze Optical Thickness,HOT).同时将霾光学厚度反演思路应用与于亮目标地区,反演了我国冬季北方地区亮目标的气溶胶光学厚度.为了说明耦合地表反射率算法带来的误差,本文还基于HJ-1-CCD数据、MODIS数据探讨了不同空间尺度的地表反射率对气溶胶光学厚度反演的影响:并分析不同气溶胶模式对霾气溶胶光学厚度反演结果带来的误差.反演结果均使用AERONET地基观测结果进行验证.最后完成了气溶胶反演系统设计和并行化处理工作.论文具体内容包括以下几个方面:1)研究了云、雾、霾、地表覆盖等不同像元的光谱特性,基于MODlS数据多通道表观反射率和亮度温度,探讨了霾与低层薄云、雾和亮日标地表反射之间的关系,建立了霾识别算法,实现了MODlS数据中霾像元的自动识别.2)建立霾光学厚度反演算法.针对霾天无法利用暗目标法实现地表噪声的有效分离,假定最邻近晴天或者历史同一时期的地表反射率代表霾天真实的地表贡献.利用2006~2008三年的MODlS地表反射率数据构建全国地表反射率库,分析反射率替代期间不同类型地表变化和观测角度差异引起地表反射率差异而给气溶胶反演带来的误羞.结果表明除了异常天气影响外,470nm波段地表反射率最大差异给HOT反演带业的误差在HOT精度需求之内.基于地基观测数据和相关实验,研究霾天粒子组成并构建霾气溶胶反演查找表,分析不同气溶胶模式对霾气溶胶反演带来的误差,结果表明以水溶性为主的霾气溶胶模式反演精度明显优于大陆型和城市型;使用地基数据验证了我国华北地区2008~2009年部分霾天反演结果,人部分HOT满足精度要求.3)开展了不同空问尺度地袭反射率对霾气溶胶光学厚度反演的影响分析.基于HJ-1-CCD数据实现北京地区30m分辨率红、蓝波段地表反射率的反演,和地而光谱测量数据、MODlS地表反射率产品对比结果表明HJ-1-CCD数据能够有效减小混合像元的影响.研究了基于暗像元法中不同空间尺度地表反射率对 AOT反演精度的影响,通过AERONET地基观测验证表明:高分辨率HJ-1-CCD数据能够识别潜在暗像元,在城市地区气溶胶光学厚度反演中具有较高精度.另外分析了不同空间尺度地表反射率对AOT反演带来的误差.4)探讨了霾气溶胶光学厚度反演算法在城市与冬季北方无植被区域的适用性.反演了从2008年1~3月京津唐地区的气溶胶光学厚度,地基验证结果表明两者具有较好的一致性,同时分析了地表反射率变化对AOT反演结果带来的误差,结果表明大部分反演结果在可接受的误差范围之内.5)完成了气溶胶光学厚度反演并行处理算法和建立了霾气溶胶光学厚度反演系统.系统基于"主从式"集群环境构建,采用NET分布式架构、IDL COM组件、Sockets套接字通讯等设计完成.在AOT反演并行化处理过程中,设计了不同的数据分配策略,通过性能测试表明:考虑不同像元计算时间的非均衡分配具有较高的加速比.另外完成了基于MPI的查找表并行构建算法. 收起<<

  • 【作者】

    李莘莘 

  • 【学科专业】

    地图学与地理信息系统

  • 【授予学位】

    博士

  • 【授予单位】

    中国科学院研究生院

  • 【导师姓名】

    陈良富

  • 【学位年度】

    2010

  • 【语种】

    chi

  • 【关键词】

    霾光学厚度%地表反射率%气溶胶模式%MODIS%HJ-1-CCD%并行计算