全球陆表特征参量产品生成系统与产品生产

863计划重点项目"全球陆表特征参量产品生成与应用研究"第三课题"全球陆表特征参量产品集生成系统研发与产品生成"针对叶面积指数、反照率、发射率、下行短波辐射和下行光合有效辐射5个典型陆表特征参量,发展基于多源遥感数据的、具有国际先进水平的全球陆表特征参量产品反演算法。建立具有我国自主知识产权的,生产全球公里级尺度产品的生产系统,该系统能够进行快速处理得到符合质量要求的典型参量产品。生成一套长时间序列、高精度的全球陆表特征参量产品数据集,包含迄今为止时间尺度最长的叶面积指数、地表反照率和发射率产品,也包含空间分辨率最高的两种辐射产品。生产的5种陆表特征参量是反映地表植被状况和地表能量收支变化的重要参数,是中国科学家自主生产的首套全球陆表特征参量产品,弥补了我国该领域内的空白,将直接服务于全球变化研究,提升气候系统模拟的准确性,扩大我国在全球变化领域的影响力,促进全球地球观测数据共享。     

陆面产品的全球陆表变化示范研究

该研究目标是对项目生成的长时间序列遥感数据产品进行全球陆表变化的特征分析,并开展对该产品在地球系统模式模拟中的应用示范研究。(1)分析了遥感全球陆表特征参量的时空特征及变化趋势;(2)研究植被叶子物候特征与碳积累的变化,建立了基于叶面积指数的叶子物候的统计模型;分析物候的空间特性,包括全球分布格局、物候日期的全球分布特征及区域尺度的分布特征;进行物候数据在全球变化研究的应用示范等;(3)进行了陆表特征参量产品在地球系统模式中的应用示范。利用GLASS数据集进行陆表-大气耦合模式模拟,研究其对地表气温、对流层气温、降水等气候因素的多年平均值、变化趋势、年际变化等的影响,发现应用可体现植被长期演变的GLASS数据集后,可明显改善对模拟地表气温的变化趋势及年际变化等的模拟。     

全球陆表特征参量数据产品生成技术

该研究2014年开展了一系统工作,分别包括数据收集、制定规范、算法研发、系统集成、产品试生产和同化应用等几方面。在数据收集方面,共收集了12种卫星原始数据产品、辐射能量观测数据以及再分析产品,共收集数据量超过700TB。在算法研发方面,总体上完成了12个GLASS产品的算法发展。基于收集的已有反照率产品重新统计了全球反照率背景场,把背景场的空间分辨率从原先的5km提高到1km;实现了植被覆盖区域宽波度发射率算法发展;针对AVHRR和MODIS数据,地表温度算法发展了各自的分裂窗算法;发展了基于混合算法的全球晴空上行长波辐射反演算法;净辐射产品的算法已完成算法收集、研发、验证及产品试生产等各项任务;FVC产品算法的总体思路为在全球高空间分辨率植被覆盖度样本数据建设的基础上,训练和检验神经网络算法,最终形成FVC产品生产算法;ET算法采用五种传统的地表潜热通量算法,根据收集的全球陆表300多通量观测数据,采用贝叶斯模型平均方法融合这五种算法,最终形成潜热通量产品生产算法;采用贝叶斯多算法集成方法,集合目前国际上应用广泛的8个光能利用率模型,最终形成GPP产品生产算法。在系统集成方面,对算法进行程序化与系统化,并集成到高性能生产系统。在产品试生产方面,初步完成12个产品试生产与初步验证。在同化应用方面,发展了多源陆面遥感产品的数据同化方法,基于我们生成的遥感数据产品,探讨了北方水循环问题,提高了模型的预报能力。     

多尺度遥感数据按需快速处理与定量遥感产品生成关键技术2013年度报告

该课题重点解决全球陆表综合观测多源遥感协同反演与多尺度定量遥感产品生成的重大关键技术,建立全球陆表综合观测的定量遥感产品技术体系,集成开发新一代全球综合观测陆表定量遥感产品生产原型系统,形成全球高精度、多尺度共性定量遥感产品生产能力,推动共性定量遥感产品在我国矿产、森林、水、粮食等资源环境监测的应用,为实现全球资源环境遥感监测的业务运行服务提供技术支撑。在全体人员的共同努力下,今年该课题在以下几个方面取得了重大进展:(1)初步建立了共性定量产品生产技术体系,包括共性产品的生产技术体系、共性定量遥感产品生产技术标准规范、制定了多尺度数据的全球剖分标准等;(2)多源多尺度遥感数据归一化处理关键技术取得突破,发展了中高和中低两个不同尺度上的几何、辐射归一化技术,发展了多种数据的光谱归一化技术,发展了中高分辨率数据大气校正技术等;(3)多源遥感协同高精度定量反演关键技术攻关取得突破,确定了几类共性定量产品的卫星数据组网方案,在辐射收支、植被结构与生长状态、水热通量、冰雪参数等方面都取得了关键技术突破,形成了部分产品的软件模块;(4)初步搭建了共性定量遥感产品生产原型系统软硬件环境,完成了中高分辨率遥感数据的归一化处理技术集成,完成了数据库分系统、运管分系统的研发,完成了30 m分辨率共性定量遥感产品生产算法的集成,形成了中高分辨率数据处理能力与30 m分辨率共性定量遥感产品的生产能力;(5)共性产品试生产与应用示范:利用该课题研发的算法为应用课题生产了部分共性定量遥感产品,并在鄱阳湖地区开展了初步的应用示范;(6)在国内外学术期刊上发表了27篇论文,其中SCI论文10篇,申请了国内发明专利5项。     

白龙浮标数据全球通信系统共享的解决方案

为实现白龙浮标数据按照标准格式全要素参与国际交换,设计了从浮标数据测量、卫星传输、岸站接收、实时数据质量控制、云服务器存储到FTP数据上传中国气象局的数据传输链路;采用WMO推荐的标准BUFR格式对原始数据进行格式转换和重新编报,并按照全球通信系统(GTS)的规则进行封装和编发,实现了白龙浮标气象和海洋观测数据实时向GTS的分发共享,全球用户可以通过GTS收集数据并进行分拣后,按照报头识别并解码得到白龙浮标实时数据。白龙浮标成为我国第一个实时数据共享到GTS的锚系浮标,表明我国锚系浮标数据提供能力达到世界先进水平。     

基于地物波谱库构造农作物生长参数的时空分布先验知识

认识典型地物的波谱特征及其随波谱测量环境变量的变化,从积累的观测数据中提取地物波谱及其配套参数的时空分布知识,是对地表参数定量遥感反演研究的重要支撑.基于"中国典型地物标准波谱数据库"中收集的数据和模型,对典型农作物测量数据进行了系统整理,得到了我国5种农作物的主要生长参数(叶面积指数、全氮含量)在其主要生育期的统计数据,构造了这些参数的时空分布知识.文中所述的数据和方法,对于遥感反演中地表参数先验知识的初始值与不确定性估计、数据同化等相关研究,都有使用和参考价值.     

FY-3A/MERSI与Terra/MODIS地表反射率数据的初步比较

为探究联合MERSI和MODIS多角度观测数据遥感反演地表参数的可行性,本文首先利用MERSI观测几何角度信息(太阳天顶角、卫星天顶角、太阳-卫星相对方位角)对MODIS地表反射率进行各向异性校正,之后选取2010年6-7月期间共24个晴空对比区域,对6组具有良好光谱对应关系的地表通道中的MERSI反射率,以及经过各向...     

基于辐射模拟反演ETM 数据宽波段反照率

利用增强的专题制图仪 (Enhanced Thematic Mapper Plus,ETM )数据,先针对各种下垫面反射率特征不同,对地物类型进行分类,以便减少邻近效应和模拟传感器未包含的谱段数据。借助卫星同步观测的气象数据,通过6S(Second Simulation of Satellite Signal inthe Solar Spectrum)模型对ETM 可见光、近红外6个波段数据进行了大气纠正。以ETM 可见光和近红外波段波谱范围为单位谱段,将整个短波波段(0·3~4μm)分为13个光谱域,利用ASTER光谱数据库和实测地表反射率数据,6S模拟获取各ETM 观测波段和未观测波段地表入射光通量密度和反射光通量密度,计算每一个光谱域入射能量占整个短波入射能量中的权重,并反演地表窄波段反照率。然后,各波段能量权重作为转换参数,实现窄波段反照率向宽波段反照率的转换。结果表明,模型反演和卫星同步观测的实测地表反照率之间最大相对误差17·9%,作者提出的方法可行。     

基于辐射模拟反演ETM+数据宽波段反照率

利用增强的专题制图仪 (Enhanced Thematic Mapper Plus, ETM )数据,先针对各种下垫面反射率特征不同,对地物类型进行分类,以便减少邻近效应和模拟传感器未包含的谱段数据.借助卫星同步观测的气象数据,通过6S(Second Simulation of Satellite Signal in the Solar Spectrum)模型对ETM 可见光、近红外6个波段数据进行了大气纠正.以ETM 可见光和近红外波段波谱范围为单位谱段,将整个短波波段(0.3～4μm)分为13个光谱域,利用ASTER光谱数据库和实测地表反射率数据,6S模拟获取各ETM 观测波段和未观测波段地表入射光通量密度和反射光通量密度,计算每一个光谱域入射能量占整个短波入射能量中的权重,并反演地表窄波段反照率.然后,各波段能量权重作为转换参数,实现窄波段反照率向宽波段反照率的转换.结果表明,模型反演和卫星同步观测的实测地表反照率之间最大相对误差17.9%,作者提出的方法可行.     

气象卫星遥感陆表温度产品在公路路面温度监测中的应用

 使用FY-2G和Himawari-8卫星反演陆表温度产品,以天津境内津蓟高速和山西境内京昆高速有交通站观测的路段为试验对象,开展了卫星反演陆表温度产品在公路路面温度监测中的适用性及应用方法研究。卫星遥感陆表温度能够较好地反映出公路路面温度的日变化特征和逐日变化趋势,两者之间具有较好的相关性。使用线性回归方法,建立了卫星陆表温度的订正模型,并对实时卫星陆表温度产品进行滚动订正,大大降低了卫星反演陆表温度与实际路面温度之间的偏差。夏季时段平均绝对偏差由订正前的6.98℃降低至2.57℃,冬季时段由订正前的3.84℃降低至1.62℃。该方法在2017年5月18日京津冀周边地区一次高温过程路面温度的监测分析中具有较好的应用效果。     

基于GF-4数据的杭州城区大气AOD监测研究

以杭州市8区为研究区,利用高分四号卫星数据,基于暗目标算法和地表反射率数据库相结合的算法,分别对2016年9月2日、2016年9月3日、2016年12月31日和2017年7月26日4个时相的气溶胶光学厚度进行反演,在此基础上分析杭州市AOD的分布特征,并结合M ODIS标准陆地气溶胶产品和地基观测数据进行精度验证,同时...     

星机地综合观测定量遥感融合处理与共性产品生产系统关键技术研究与系统设计

针对全球资源环境监测需求,本课题作为"星机地综合定量遥感系统与应用示范(二期)"项目的一部分,将集成和突破在"一期"研究中形成的卫星数据库分布式组网技术、多尺度遥感数据同化与真实性检验技术、面向应用的遥感数据融合处理与生成技术等关键技术,重点突破运行性多源遥感共性产品生产系统构建中的一系列相关技术,研制星机地综合观测定量遥感数据融合处理与共性产品生产系统。该年度基于项目一期相关技术成果,初步实现连通6个以上卫星数据中心的能力,建立虚拟组网分布式卫星数据服务系统;研究多源遥感数据的辐射归一化、几何归一化、定量遥感产品反演、星机地观测数据同化、时空无缝融合和多尺度真实验证等技术,对虚拟组网的分布式卫星数据服务系统、多源遥感数据辐射归一化系统、多源遥感数据几何归一化系统、多源数据融合定量遥感产品生产系统、多源数据融合产品生产系统、时间连续共性产品同化系统、定量遥感产品真实性检验系统、多中心海量遥感数据协同处理支撑系统八个子系统进行实际的系统设计工作,包括顶层设计、需求分析及概要设计。     

星机地综合观测定量遥感融合处理与共性产品生产系统关键技术研究与系统设计

针对全球资源环境监测需求,该课题作为"星机地综合定量遥感系统与应用示范(二期)"项目的一部分,将集成和突破在"一期"研究中形成的卫星数据库分布式组网技术、多尺度遥感数据同化与真实性检验技术、面向应用的遥感数据融合处理与生成技术等关键技术,重点突破运行性多源遥感共性产品生产系统构建中的一系列相关技术,研制星机地综合观测定量遥感数据融合处理与共性产品生产系统。该年度基于项目一期相关技术成果,初步实现连通6个以上卫星数据中心的能力,建立虚拟组网分布式卫星数据服务系统;研究多源遥感数据的辐射归一化、几何归一化、定量遥感产品反演、星机地观测数据同化、时空无缝融合和多尺度真实验证等技术,对虚拟组网的分布式卫星数据服务系统、多源遥感数据辐射归一化系统、多源遥感数据几何归一化系统、多源数据融合定量遥感产品生产系统、多源数据融合产品生产系统、时间连续共性产品同化系统、定量遥感产品真实性检验系统、多中心海量遥感数据协同处理支撑系统八个子系统进行实际的系统设计工作,包括顶层设计、需求分析及概要设计。     

基于时间序列分析的地表温度变化过程探讨

地表温度是地表与大气相互作用过程中的最重要的物理学参量之一。然而地表温度是一个动态的热平衡参量,受到地表能量平衡过程特别是大气湍流的影响,是一个动态变化的时间序列过程参量。为研究地表温度受大气湍流影响的机理和规律,选择西藏当雄和北京顺义地区为试验区,开展野外观测试验,对两个试验区的大气湍流通量数据和地表温度连续观测数据进行时间序列分析。定义了一个表征地表温度变化特征的参量——地表温度变化特征量,并通过时间序列分析的方法,分别对两个试验区的数据,建立了传递函数模型,并通过系数的置信区间讨论了两地模型的有效相等性。     

Landsat8 OLI城市地区气溶胶光学厚度遥感反演

在地表反射率较高、结构复杂的城市地区,传统的浓密植被气溶胶反演算法难以适用。通过分析地物波谱库中的植被和土壤波谱信息,模拟建立归一化植被指数(NDVI)与红、蓝波段地表反射率之间的相关关系,提出使用MODIS植被指数产品(MOD12)确定地表反射率的方法,实现该类型区域气溶胶光学厚度(AOD)反演。以Landsat8OLI数据为例,选取北京市为研究区进行反演实验,使用AERONET地基观测数据与MODIS气溶胶产品(MOD04)对反演结果进行验证。结果表明,当反射率较高时,NDVI与红、蓝波段地表反射率仍存在较高的相关性,利用该指数能够准确获取高反射率地区的地表信息,算法反演结果与实测值具有较好的一致性,总体相关系数达0.966,68%的反演结果满足误差精度要求,当AOD0.5时,有82.3%的结果满足精度要求,较MOD04精度有了较大改善。     

深蓝算法应用于FY-3B星数据反演陆地气溶胶

利用国产风云三号卫星MERSI传感器监测气溶胶对研究气候变化、监测环境质量等有重要意义.在深蓝算法基础上,利用AQUA星MODIS的蓝光波段地表反射率产品,剔除异常值后作为清晰天的地表反射率,完成地气解耦,实现了FY-3B星MERSI传感器的气溶胶反演算法的构建.误差分析表明,MODIS与MERSI波段响应差异带来的气溶胶反演误差基本控制在0.07以下.针对北京地区,2016年4月至2017年3月的反演实验显示,本文获得的结果能较好地体现气溶胶浓度的空间分布,与MODIS气溶胶产品、AERONET地基观测结果有着较好的一致性;与城市型气溶胶相比,采用大陆型气溶胶能获得更多的有效数据,与地面数据的相关性也更高,相关指数在0.7左右.     

基于Argo资料的三维盐度场网格化产品重构

针对标准化海洋盐度场产品较为匮乏的事实,利用Argo温盐观测剖面与卫星遥感海表温度资料,采用时空权重插值和多变量DINEOF方法,对太平洋区域2000年1月至2008年12月的三维逐周盐度场进行重构。提出的重构方法有2个明显特色,一是采用时空权重插值与多变量DINEOF相结合的方法,弥补了时空权重插值结果中包含缺失数据的不足;二是引入卫星遥感海表温度,弥补了Argo可靠海表数据的缺乏。重构再分析产品与其他观测和数据产品的对比结果表明,重构产品不但能够抓住盐度分布的主要模态特征,而且可表现盐度不同时间尺度的变化特征,为海洋和气候研究提供了一种有用的标准化数据新产品。     

环境减灾卫星高光谱数据大气校正模型及验证

根据四流近似辐射传输理论, 建立了适合环境与减灾卫星高光谱传感器(HSI)的大气校正解析模型, 给出了模型中 6 个大气参数的数值计算方法。经与 MODTRAN 模型比较, 解析模型误差小于0. 5% , 表明具有较高的数值模拟精度。利用与 HSI 数据同步过境 MODIS 数据生成的大气温湿度廓线产品和气溶胶产品, 求解出了6 个大气校正参数, 并将其用于定标后 HSI 数据的大气校正, 获得了地物真实高光谱反射率。经与地面同步观测光谱数据比较, 波长大于700 nm波段范围内校正结果与地面观测值一致性较好; 其他波段受仪器 自身存在较大噪声影响, 校正后反射率高于地表观测值。     

中高分辨率地表反照率反演算法

为了在中高分辨率地表反照率遥感反演算法中体现地表反射各向异性特征,以两景Landsat-8地表反射率数据为例,利用在时空对应的MODISBRDF产品中提取的地表反射各向异性先验知识,反演得到30 m空间分辨率的地表反照率产品,并将结果与朗伯假设地表反照率和地面站点实测反照率数据进行比较.结果表明:(1)基于朗伯假设所得地表反照率与地表实测反照率存在明显差异,这种差异会随太阳天顶角的变化而变化,最大相对差异约为4%;(2)基于MODIS BRDF产品提取的地表反射各向异性先验知识可以较好地改善地表反照率的反演精度,与地面实测数据具有更好的一致性.     

《定量遥感综合服务平台关键技术》2014年度技术总结报告

"定量遥感综合服务平台关键技术研究"是国家863项目"星机地综合定量遥感系统与应用示范(一期)"中的第十一课题,课题的目标是研发遥感网遥感应用资源(遥感数据、信息产品、模型算法及波谱库)的集成和平台服务技术,以支持专题信息产品生产(全球林业定量遥感专题产品、全球多尺度农情定量遥感专题产品、全球矿产资源与能源定量遥感专题产品、区域河流水资源定量遥感专题产品、全球生态环境遥感监测与诊断专题产品)所需的共性产品,并对共性产品和专题产品进行汇集发布。面向部委、专业用户、大众用户,提供分散遥感应用资源的虚拟化集成、流程化运行服务及按需交互式产品生产服务。该报告中的接口方案与测试程序研究对于实现接口与关键技术模块的集成及建立定量遥感服务平台框架系统具有重要的作用,也为项目二期综合定量遥感产品服务及运营系统的研建奠定坚实的基础。