2019.12——利用高分五号(GF

envi反演⽔质参数_2019.12——利⽤⾼分五号（GF-5）反演

⽓溶胶光学厚度（AOD。。。

DPC数据反演AOD以及COD调研

GF-5主要参数

⾼分五号卫星是世界⾸颗实现对⼤⽓和陆地综合观测的全谱段⾼光谱卫星，也是中国⾼分专项中⼀颗重要的科研卫星；这⾥的⾼分专项是指

⾼分辨率对地观测系统，是国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中确定的16个重⼤专项之⼀。

2018年5⽉9⽇2时28分，⾼分五号卫星在太原卫星发射中⼼成功发射，它填补了国产卫星⽆法有效探测区域⼤⽓污染⽓体的空⽩，可满⾜

环境综合监测等⽅⾯的迫切需求，是中国实现⾼光谱分辨率对地观测能⼒的重要标志。

卫星⾸次搭载了⼤⽓痕量⽓体差分吸收光谱仪、主要温室⽓体探测仪、⼤⽓多⾓度偏振探测仪、⼤⽓环境红外甚⾼分辨率探测仪、可见短波

红外⾼光谱相机、全谱段光谱成像仪共6台载荷，可对⼤⽓⽓溶胶、⼆氧化硫、⼆氧化氮、⼆氧化碳、甲烷、⽔华、⽔质、核电⼚温排⽔、

陆地植被、秸秆焚烧、城市热岛等多个环境要素进⾏监测。未来，⾼分五号卫星将有效⽀撑⽓象业务中温室⽓体、痕量⽓体及污染⽓体的监

测预警⼯作。

表1 GF-5卫星载荷参数

可见短波红外⾼光谱相机

光谱范围

0.4-2.5μm，共318个通道

0.76-0.86μm

⼤⽓环境红外甚⾼光谱分辨率探测仪

900-920nm

偏振解析

线偏振，三个⽅向0°、60°、120°

多⾓度观测

经过严格的⼏何校正和配准, DPC 提供的L1 级产品包含归⼀化 Stokes ⽮量 的前三个分量 I，Q和U。

以下是通过DPC数据反演得到的统计数据：

LUT是查找表的简称

采⽤查找表（lookup tables,LUT）⽅法检索AOD和AE。LUT是基于局部⽓溶胶光学特性和地⾯测量得到的PRD区域的表⾯偏振反射率来

构建的。采⽤⽮量辐射传输模型计算了多⾓度、多光谱偏振反射率。在这项研究中，使⽤RT3⽮量辐射传输模型，在假设⼀个平⾯平⾏⼤⽓

The optical properties of aerosol have been simultaneously retrieved over the Pearl River Delta (PRD), China during

December 2009 from multi-angular, multi-spectral, and polarized airborne data. A new airborne Directional Polarimetric

Camera (DPC) with high spatial resolution (4 m at 4000 l.) is ud to retrieve the aerosol optical properties, which is

an experimental airborne instrument focud on monitoring aerosol particle pollution, dealing with the apportionment of

1. LUT是查找表的简称

1. 由于⼤多数表⾯类型在如此⾼的空间分辨率下显⽰出显著的结构，偏振和多光谱测量需要正确的图像配准。从图像中选取的已知地标

1. 准确估计地表反射的辐射偏振度是航空遥感⽓溶胶特性的关键，许多实验研究表明，地表偏振反射率主要是由⼊射辐射的单次反射引

起的。在此基础上，建⽴了不同的地表植被覆盖和裸露⼟壤BPDF模型。由于植被覆盖在珠江三⾓洲地区占主导地位，我们仅在植被上

1. 下⾯是另⼀天的数据。

1. AOD⽓溶胶光学厚度与AE波长指数如下：

1. 实验分析结果：

1.4结论及改进⽅向

这是⼀篇2011年的⽂章，对于了解DPC数据反演⽓溶胶光学厚度与分⼦光学厚度有很⼤的帮助。⽂章⾸先基于经验查找表（LUT）相关参

数实现了基于DPC数据的⽓溶胶光学厚度反演，并通过AOD与AE(波长指数)分析地表反射率（或者说不同地表覆盖类型）、⼤⽓部分对⽓

溶胶光学厚度的影响，并结合太阳光度计的探测结果进⾏验证。

2 偏振成像及云偏振特性研究

探测⽅⾯的应⽤提供了理论基础，为实现利⽤星载偏振传感器数据对云和⽓溶胶参数反演⼯作提供了技术⽀撑。

5. 由于传统遥感探测仅仅考虑了光（电磁波）的辐射强度特性和⼏何特性，忽略光的偏振特性，从⽽导致丢失了探测⽬标较多信息,⽽偏

2. 光的偏振状态是其携带的重要信息。如电磁波假如是线偏振的，那么其⽔平与垂直分量就具有相同的相位；如果是圆偏振的，那么两

个分量的相位相差90°⽽且它们振幅相等，具有固定相位差的条件下是椭圆偏振的，如果两个分量的相位差是完全随机的，那么电磁

波是⾮偏振的[36]。使⽤数学⽅法描述光的偏振态主要分为三种，斯托克斯(Stokes)⽮量法，琼斯（Jones）⽮量法和邦加球作图

法。在这三种偏振光的表⽰⽅法中，斯托克斯⽮量法最为常⽤。使⽤四个Stokes参数表可以表⽰光的偏振状态,它们分别为：

1. 在确定0°参考⽅向后,任意⼀个偏振⽅向上的光强为[37]：

1. 早在20世纪50年代，Chandrakhar就建⽴了数值计算辐射传输⽅程的框架，但是由于⼤⽓辐射传输⽅程的复杂性,从数学上很难计

算解析解,所以⼀般给出边界条件，然后使⽤不同的⽅法来计算数值解。辐射传输模型的出现与发展，与计算机系统的计算能⼒飞速提

3.1引⽤⽅式

郑逢勋, 侯伟真, 李正强. ⾼分五号卫星多⾓度偏振相机最优化估计反演:⾓度依赖与后验误差分析[J]. 物理学报, 2019, 68(04):192-207.

3.2主要思想

多⾓度偏振相机 (directional polarimetric camera, DPC) 随⾼分五号卫星已经成功发射并持续获取全球观测数据. 针对 DPC 在陆地⽓溶

胶反演领域的应⽤需求, 本研究基于多参数最优化估计反演框架, 引⼊信息量和后验误差分析⼯具, 讨论了 DPC 观测信息量对⾓度的依赖, 给

出了地表和⽓溶胶参数的后验误差, 并分析了后验误差的影响因素. 研究表明:

1) 卫星观测信息量随观测⾓度个数的增加显著提升, DPC 多⾓度观测⽐单⾓度观测的总 DFS(degree of freedom for signal) 平均提⾼了

5.45;

1. 经过严格的⼏何校正和配准, DPC 提供的L1 级产品包含归⼀化 Stokes ⽮量 [22] 的前三个分量 I, Q 和 U.

2. I 为总的辐射强度, Q 和 U 描述了光相对于主平⾯ (由观测⽅向和太阳位置构成的平⾯) 的偏振状态. 由于 Q 和 U 与参考平⾯有关, 对

测量定标的精度要求较⾼, 因此在实际反演中, 通常采⽤不含偏振⽅向信息的偏振辐亮度 Lp 进⾏反演[23−26], 其定义为:

1. 相应地, 卫星观测的表观反射率和表观偏振反射率可以由下式计算得到:

1. 其中 为太阳天顶⾓的余弦.

2. 采⽤线性化的⽮量辐射传输模型UNLVRTM (unified linearized vector radiative transfermodel)[27] 对 DPC 多⾓度偏振观测进