大气CO2反演的地表反射率影响分析与比值反演方法

'( 散射或后向散射" E / / 2 9 6 8 A 8 ] C T 8 观测三种阔叶 ;" 利用 `
) C !地表反射率的不确定性及其对 B ) 反演 的影响
!!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
修订日期 ) * + ) + + + ! ) * + ! * ) ) L !收稿日期
)
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!! !
)
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#
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 + * * *
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
+ !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"
) + " !
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
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 _
!!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"
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
) + " ) ) + " , # $ % & ! ! ' $ & " ( ( 8 : : 3 1 ) * + ! ! ;
式均来自 A $ 7 / 2 3= ;
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