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光学学报 2023年第18期43卷 358-370页

作者：张北胡秀清周为伟王玲陈林张鹏中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心)北京100081 许健民气象卫星创新中心北京100081 河南理工大学测绘与国土信息学院河南454003

风云三号D星(FY-3D)中分辨率光谱成像仪Ⅱ型(MERSI-Ⅱ)已在轨运行超过5年,经定量应用反演发现部分通道辐射响应性能出现明显退化。本研究采用深对流云(DCC)目标对MERSI-Ⅱ大部分反射太阳波段辐射响应变化进行趋势评估,为提高该方法的稳... 详细信息

风云三号D星(FY-3D)中分辨率光谱成像仪Ⅱ型(MERSI-Ⅱ)已在轨运行超过5年,经定量应用反演发现部分通道辐射响应性能出现明显退化。本研究采用深对流云(DCC)目标对MERSI-Ⅱ大部分反射太阳波段辐射响应变化进行趋势评估,为提高该方法的稳定性,对基础DCC定标方法进行了优化。首先,比较了当前两种DCC双向反射分布函数(BRDF)模型的校正效果,采用月度反射率概率密度函数(PDF)众数和均值分别对反射率长时间序列稳定性进行分析。结果表明:对可见光和近红外波段使用CERES厚冰云BRDF模型校正的反射率PDF众数较优;短波红外波段反射率PDF均值较优,但对于两种BRDF模型均不敏感。其次,针对BRDF模型在短波红外波段无明显校正效果的问题,提出了一种基于反射率拟合残差和滑动平均值的去季节性方法。该方法显著改善了2018-2022年短波红外波段月度DCC反射率序列的相对标准差和波动性,分别降低了约22.2%和53%。这种去季节性方法为其他卫星光学传感器基于DCC目标的辐射定标研究提供了参考。最后,使用上述方法对MERSI-Ⅱ的11个反射太阳波段辐射响应进行定量评估,发现蓝光通道和全部短波红外通道出现显著衰减,该评估结果将作为FY-3D/MERSI-Ⅱ业务定标更新的重要参考依据。

关键词：遥感和传感器辐射定标深对流云双向反射分布函数中分辨率光谱成像仪

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2010年—2020年全球陆地区域大气CO_(2)时空变化特征分析

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遥感学报 2023年第8期27卷 1782-1791页

作者：姚依欣李贵才唐世浩江飞国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心)中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室北京100081 许健民气象卫星创新中心北京100081 南京大学国际地球系统科学研究所南京210023

本文基于2010年—2020年GOSAT卫星二氧化碳柱总量产品,从全球空间分布、纬向分布、区域分布、年际与季相变化特征等方面,分析了大气CO_(2)的时空变化特征。结果表明,2010年—2020年全球陆地区域大气CO_(2)浓度持续上升,年均值从387.42 ... 详细信息

本文基于2010年—2020年GOSAT卫星二氧化碳柱总量产品,从全球空间分布、纬向分布、区域分布、年际与季相变化特征等方面,分析了大气CO_(2)的时空变化特征。结果表明,2010年—2020年全球陆地区域大气CO_(2)浓度持续上升,年均值从387.42 ppm上升至410.32 ppm,年均增长率约为2.33 ppm/a,其中2016年全球陆地区域平均大气CO_(2)浓度首次超过400 ppm,年增长量超过3 ppm,为近10年最高。季相变化方面,北半球春季最高、夏末秋初最低,南半球波动相位相反,波动幅度北半球远高于南半球,且纬度越高波动越大。纬向分布特征明显,从南向北总体呈现先升高后降低,受到云及数据质量控制等因素影响,在赤道附近,存在较为明显的下降,峰值出现在0°—10°N和30°N—40°N。区域分布差异较大,多年均值的最大值出现在南美热带,最小值出现在北美北部,差异将近30 ppm;年均增长率方面亚洲温带最高,亚洲北部最低,分别为2.36 ppm/a和2.27 ppm/a。

关键词： GOSAT CO_(2)浓度全球陆地区域时空变化特征大气长时序遥感

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基于Himawari-8卫星成像仪的深对流云BRDF特性建模

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光学学报 2023年第12期43卷 265-275页

作者：周为伟胡秀清杨磊库河南理工大学测绘与国土信息学院河南焦作454003 中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心)北京100081 许健民气象卫星创新中心北京100081

深对流云是卫星传感器可见光与近红外波段替代定标的地球稳定目标,其方向反射特性是影响场地定标精度的重要参数。为了提高定标的准确性,需要双向反射率(BRDF)模型进行各向异性因子校正。基于Himawari-8卫星成像仪,利用提取的2016—202... 详细信息

深对流云是卫星传感器可见光与近红外波段替代定标的地球稳定目标,其方向反射特性是影响场地定标精度的重要参数。为了提高定标的准确性,需要双向反射率(BRDF)模型进行各向异性因子校正。基于Himawari-8卫星成像仪,利用提取的2016—2020年期间深对流云数据,依据查找表方法实现BRDF特征建模。在同一角度下对比业务化Hu模型归一化后的各向异性因子,分析两种模型降低深对流云响应标准误差的校正效果,并将经本文模型校正的长时间序列深对流云反射率数据和定标系数方法计算的仪器衰减率进行比较。研究结果表明,在可见-近红外波段范围内BRDF特性差异较小,与Hu模型相比,该方法表现出较高的一致性,使用本文模型校正后的深对流云响应标准误差小于Hu模型,且计算衰减率数值基本一致。在短波红外通道,本文模型与Hu模型相比,各向异性特征差异较大,使用Hu模型校正后标准误差增大,而使用本文模型校正后,标准误差最高可减少31%,在深对流云与定标系数计算衰减结果方面存在差异,这可能与短波红外通道的波动太大相关。因此,基于Himawari-8卫星成像仪对深对流云的BRDF特征建模是可行的。

关键词：传感器大气散射深对流云后向散射双向反射率函数

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基于地面与低空无人机联合观测场地BRDF建模方法

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光学学报 2023年第15期43卷 372-384页

作者：何玉青胡文杰胡秀清朱吉彪何兴伟金伟其北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室北京100081 中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心)北京100081 许健民气象卫星创新中心北京100081

双向反射分布函数(BRDF)是星载遥感器进行场地替代定标中的重要参量,随着技术的进步,低空自旋翼无人机已经成为了获取场地BRDF的便捷高效手段,通过现场测量准不变定标场的无人机多角度观测光谱数据,建立更加准确的BRDF模型还能进一步挖... 详细信息

双向反射分布函数(BRDF)是星载遥感器进行场地替代定标中的重要参量,随着技术的进步,低空自旋翼无人机已经成为了获取场地BRDF的便捷高效手段,通过现场测量准不变定标场的无人机多角度观测光谱数据,建立更加准确的BRDF模型还能进一步挖掘潜力。提出一种基于地-空双光谱仪联合观测加漫射板观测并消除漫射光影响的BRDF建模方法。使用无人机搭载光谱仪进行场地光谱的低空测量,获取半球空间内多角度下的场地光谱数据,同时开展地基光谱仪联合同步测量漫射参考板,连续记录照明光场的变化以及漫射光照明下的场地光谱数据。联合空地双光谱仪对目标和参考板实测的辐亮度数据,结合太阳及观察角度之间的几何观测,计算场地的多角度反射率。基于Ross-Li核驱动半经验模型对多角度反射率数据进行拟合,采用最小二乘法对模型系数进行拟合,以得到最优的场地BRDF模型,并对模型进行漫射光校正。实验证明,经漫射光校正后的BRDF模型各波段的相对偏差均值都在5%以内,相对偏差标准差在3%以内,有效消除了场地BRDF建模在漫射光照射下的干扰,提高了BRDF建模的准确性。

关键词：双向反射分布函数无人机双光谱仪双向反射分布函数建模漫射光校正

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基于FY-3 MERSI多光谱通道的霾判识研究

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气象学报 2023年第2期81卷 340-352页

作者：高玲张兴赢吴荣华张碧辉国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心)/中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室/许健民气象卫星创新中心北京100081 国家气象中心北京100081

受高人为排放和不利天气条件共同作用,中国秋、冬季霾事件频发,具有影响范围大、程度重、持续时间长的特点。为对离散的地面站观测形成有效补充,本研究充分利用卫星大范围监测优势,依据云、冰雪、霾、亮/暗地表散射及发射特性不同波长... 详细信息

受高人为排放和不利天气条件共同作用,中国秋、冬季霾事件频发,具有影响范围大、程度重、持续时间长的特点。为对离散的地面站观测形成有效补充,本研究充分利用卫星大范围监测优势,依据云、冰雪、霾、亮/暗地表散射及发射特性不同波长的依赖性,建立了基于多通道信息组合的霾区快速判识方法。通过引入空气分子散射订正,有效消除此前霾判识工作中大角度条件下的误判,极大缩小了阈值的变化范围,为霾区的自动识别奠定了基础。将该判识方法应用于中国风云三号D星(FY-3D)搭载的中分辨率光谱成像仪(MEdium-Resolution Spectral Imager,MERSI),实现了霾区自动判识。通过与2020年10月—2021年2月秋、冬季地面气象站天气现象记录为霾以及地面环境监测站点中PM_(2.5)小时平均浓度大于75μg/m^(3)的数据进行对比,结果表明:FY-3D的霾判识结果与天气现象记录结果的一致率为91.1%,与PM_(2.5)表征结果的一致率为85.6%。气象观测中霾识别依靠的是大气消光能力,卫星霾判识也是通过气溶胶的消光特性来实现,因此两者特征更为一致。

关键词：霾区瑞利散射气溶胶风云三号中分辨率光谱成像仪

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星载光学载荷历史数据再定标综述

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遥感学报 2023年第10期27卷 2229-2251页

作者：胡秀清王玲张鹏徐娜漆成莉徐寒列何兴伟何玉青陈林孙凌卢乃锰国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心)中国气象局北京100081 中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室中国气象局北京100081 许健民气象卫星创新中心北京100081 光电成像技术与系统教育部重点实验室北京理工大学北京100081

经过三十多年努力,中国气象、陆地、海洋、环境减灾星座等已经形成了系列化、业务化发展的态势,国产多系列遥感卫星积累了较长时间连续观测资料,这为气候变化研究和环境变化检测提供了可能性。要发挥卫星观测历史数据在气候变化研究中... 详细信息

经过三十多年努力,中国气象、陆地、海洋、环境减灾星座等已经形成了系列化、业务化发展的态势,国产多系列遥感卫星积累了较长时间连续观测资料,这为气候变化研究和环境变化检测提供了可能性。要发挥卫星观测历史数据在气候变化研究中的巨大潜力,必须解决不同卫星之间、同一卫星全寿命期遥感载荷的高精度一致性辐射再定标问题,构建统一的历史辐射基准和精细再定标模型,使得不同仪器、不同时期的观测资料具有可比性。本文综述了星载光学遥感仪器历史数据再定标的方法和思路,包括发展地球稳定目标和天体月球的辐射基准模型,重构长序列历史数据再定标精细算法模型。论文系统介绍了如何构建历史数据再定标的地球稳定目标—沙漠、冰雪、深对流云(DCC)等辐射基准模型,以及用于交叉定标及基准溯源的典型参考仪器及基准数据评价。本文还综述了光学载荷历史数据再定标模型重构需要综合考虑的几个关键方面,包括影响辐射定标不确定性的杂散光、串光、偏振等要素的影响机理,并采用仪器定标全链路仿真和关键定标参数精细重构,建立仪器响应的短周期波动订正模型和长周期衰变模型;构建仪器响应与空间、光谱、热学、轨道等内外要素关联的精细定标机理模型;开展仪器响应的多目标跟踪和长序列宽动态综合定标系数推算,并采用计算智能的相对定标技术,实现卫星长序列历史资料的自动再定标和长周期衰减订正,建立同一仪器寿命期内辐射响应及衰变特征模型。本文综述的历史辐射基准、再定标模型及定标的影响机理等最新研究进展,为中国历史遥感数据再定标提供了系统性解决思路,为进一步提高遥感数据长期定标质量和可靠性奠定了理论方法基础。

关键词：历史数据再定标辐射基准精细再定标模型仪器衰变模型定标机理模型

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基于陆地生态系统碳监测卫星的气溶胶光学参数反演与验证研究

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激光与光电子学进展 2024年

作者：查晨星陈炳龙卞月根任一婕卜令兵南京信息工程大学大气物理学院中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室/国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心) 许健民气象卫星创新中心

气溶胶可改变地球大气辐射平衡或作为云凝结核影响云层的形成，从而对全球大气造成影响，气溶胶光学参数可用来研究这种影响。星载激光雷达是获得全球气溶胶光学参数的一种主要方式。2022年8月，我国成功发射陆地生态系统碳监测卫星，... 详细信息

气溶胶可改变地球大气辐射平衡或作为云凝结核影响云层的形成，从而对全球大气造成影响，气溶胶光学参数可用来研究这种影响。星载激光雷达是获得全球气溶胶光学参数的一种主要方式。2022年8月，我国成功发射陆地生态系统碳监测卫星，卫星的主要载荷为星载多波束激光雷达系统，可对全球范围的气溶胶光学参数展开观测，此系统目前需进行对比验证工作。本论文利用Fernald前向积分法，对星载多波束激光雷达的衰减后向散射系数进行反演，得到了气溶胶后向散射系数和退偏振比的光学参数信息。使用了MPLNET(Micro Pulse Lidar Network)和CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation)的数据产品对反演结果进行对比。结果表明，反演所得到的气溶胶光学参数与上述数据产品具有较高的一致性，相关性分析中所得到的决定系数R2为0.8左右。本研究初步验证了陆地生态系统碳监测卫星的星载多波束激光雷达系统对大气气溶胶的观测能力。

关键词：星载激光雷达大气气溶胶气溶胶光学参数对比验证

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多源遥测参数质量控制的FY-3C MWHTS观测亮温质量评分

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遥感学报 2022年第11期26卷 2147-2161页

作者：郭杨陆其峰卢乃锰谷松岩李小青漆成莉窦芳丽吴琼刘辉中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心) 北京100081 许健民气象卫星创新中心中国气象局北京100081

微波湿温探测仪(MWHTS)是中国第二代极轨气象卫星风云三号C星(FY-3C)的主要传感器之一,其观测资料的同化受到国内外科学家的广泛关注。卫星观测资料的精度和稳定性是决定其能否被同化及同化效果好坏的关键之一,而卫星平台环境变化和星... 详细信息

微波湿温探测仪(MWHTS)是中国第二代极轨气象卫星风云三号C星(FY-3C)的主要传感器之一,其观测资料的同化受到国内外科学家的广泛关注。卫星观测资料的精度和稳定性是决定其能否被同化及同化效果好坏的关键之一,而卫星平台环境变化和星上到地面进行数据传输时的误码都会直接影响观测资料精度和稳定性,从而影响资料的同化效果。为了解决这一问题,建立了多源遥测参数质量控制模型。首先从星上直接获取的FY-3C MWHTS原始数据包出发,对解码后影响仪器性能的各类遥测参数进行长时间(5年半)序列时变特征分析,建立质量控制方案,完成了多源遥测参数质量控制技术的开发;再从仪器定标原理和观测机理出发,提取直接影响MWHTS定标精度的5个关键参数(热源黑体温度、仪器温度、热源黑体观测计数值、冷空计数值和扫描周期),利用MWHTS实际观测亮温和快速辐射传输模式RTTOV正演模拟结果 (O-B)对关键参数敏感性进行分析。结果表明,扫描周期质控对O-B结果影响最大,仪器温度质控的影响最小。基于敏感性分析结果得到五个关键参数对仪器定标质量的评分准则,用百分制对FY-3C MWHTS逐通道逐扫描线逐像元观测亮温进行评分,构建了MWHTS质量评分体系来刻画仪器观测数据的定标质量以保证数据的定量应用。该质量控制模型已经用于FY-3C MWHTS业务数据处理中,逐条扫描线逐通道逐像元的评分结果也写入到仪器L1级数据中对全球实时业务发布。

关键词：风云三号C星 MWHTS 质量控制观测亮温评分遥测参数

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中国典型积雪区MODIS积雪产品精度评价及影响因素分析

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冰川冻土 2024年第5期46卷 1551-1564页

作者：沈言龙沈姣姣郭慧郑照军王晓艳兰州大学资源环境学院甘肃兰州730000 中国气象局、中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室/国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心) 北京100081 许健民气象卫星创新中心北京100081

MODIS V6不再提供二值积雪分布及积雪面积比例产品,而是仅仅给出像元的归一化差值积雪指数NDSI。因此,基于MODIS V6进行积雪制图时,NDSI阈值的选取及相应的积雪制图精度有待研究。本文基于2013—2021年间250个地面气象站点逐日实测积雪... 详细信息

MODIS V6不再提供二值积雪分布及积雪面积比例产品,而是仅仅给出像元的归一化差值积雪指数NDSI。因此,基于MODIS V6进行积雪制图时,NDSI阈值的选取及相应的积雪制图精度有待研究。本文基于2013—2021年间250个地面气象站点逐日实测积雪深度数据,对中国三大典型积雪区内1927景MOD10A1和1936景MYD10A1影像中的NDSI_Snow_Cover波段进行评价,分别计算了逐站点像元在积雪产品制图中的最优精度及对应的最优NDSI阈值,并对影响精度的因素进行了分析。基于站点雪深的评价结果表明:(1)1 cm雪深阈值下,MOD10A1和MYD10A1的最优NDSI阈值均值±标准差分别为0.16±0.09和0.17±0.10,对应的总体精度OA、FS指数和CK指数的均值±标准差分别为0.96±0.05和0.94±0.05、0.84±0.19和0.75±0.24、0.81±0.20和0.71±0.24,MOD10A1的精度要优于MYD10A1。(2)MODIS积雪产品精度具有明显的空间异质性,青藏高原地区要远小于东北-内蒙古地区和北疆地区。(3)基于站点的积雪制图精度评价中,站点雪深阈值将会影响评价结果。采用2 cm和4 cm雪深阈值评价MOD10A1和MYD10A1时对应的积雪制图精度最高。(4)积雪存在率SCO、积雪持续时间SDI与积雪产品MOD10A1和MYD10A1的精度CK存在显著的正相关关系,相关系数分别为0.72和0.77、0.67和0.71。(5)青藏高原地形复杂,积雪以浅雪为主,站点积雪信息不能很好地代表像元。因此,对青藏高原积雪产品的精度评估,最好采用同步的无人机观测或者更高分辨率的遥感影像。

关键词： MODIS 积雪气象站点精度评价最优阈值

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中国遥感卫星辐射校正场敦煌戈壁场区光环境变化研究

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中国光学 2021年第5期14卷 1231-1242页

作者：李元张勇胡丽琴陆其峰卢乃锰中国气象局国家卫星气象中心中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室北京100081

为有效评估集热塔散射辐射对敦煌场区光环境的影响程度,本文采用Monte Carlo三维辐射传输模型模拟与CE318多通道光度计等高线实测分析相结合的定量分析方法,以解决散射辐射交融于背景辐射中难以定量评估的问题。通过使用新型的ASC200云... 详细信息

为有效评估集热塔散射辐射对敦煌场区光环境的影响程度,本文采用Monte Carlo三维辐射传输模型模拟与CE318多通道光度计等高线实测分析相结合的定量分析方法,以解决散射辐射交融于背景辐射中难以定量评估的问题。通过使用新型的ASC200云量自动观测仪,提高晴空辩识精度。通过开发CE318四象限定位修正算法,有效提高观测数据质量。2020年1~3月收集到的有效数据显示除了550 nm通道,集热塔未对天空漫射辐射产生明显影响。对于500 nm通道,在有效数据对应的观测几何下(距离0.87~3.07 km,观测天顶角为77.30°~51.32°),集热塔吸热器对天空漫射辐射的影响不超过0.93%。与模型模拟结果相结合进行分析,得出如下结论:当距离电站2 km时大电站散射辐射带来的天空漫射辐射相对变化<1.62%;当与电站距离≥3 km时相对变化<0.93%。本项研究成果对利用敦煌场开展遥感定量化应用、准确评估发电站引进的不确定度因素具有积极意义。

关键词：中国遥感卫星辐射校正场敦煌熔盐塔式光热发电站天空漫射辐射三维辐射传输模拟云量自动观测

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