一种基于城市建筑物阴影的气溶胶卫星遥感反演方法

本发明属于大气气溶胶卫星遥感，尤其涉及一种基于城市建筑物阴影的气溶胶卫星遥感反演方法。

背景技术：

1、卫星观测的信号包括地表反射信号和大气散射(包括气溶胶散射信号)的总和，卫星无法将二者有效剥离和区分，特别是对于陆地上空的卫星观测而言，陆地反射信号较强，无法忽略或像海上气溶胶卫星遥感将海表反射用一个简单公式近似处理。因而已有的陆地上空气溶胶卫星遥感方法均通过特定的方法事先假定地表反射已知，如选择特定的浓密森林在近红外波段反射较低的所谓暗像元外推得到其他波段的地表反射率(kaufman y.j.，tanréd.，remer l.a.等，1997)，也有利用历史资料事前给出地表反射率统计值作为前提(torres，1998；hsu，jeong，bettenhausen等2013)。这些方法易受地表类型的限制，对于城市这种地表反照率变化较大的区域，气溶胶反演的误差较大。人们也尝试利用偏振信号以解耦地表和大气的信号贡献，后期证明地表的偏振反射也不容忽略，偏振遥感气溶胶精度与常规卫星精度相当，也易受地表干扰。

2、对于城市地表，地物覆盖和建筑空间变化很大，地表反射也随空间和时间(如地表喷水，植被浇灌引起的改变等)变化较大，很难获得精确的气溶胶信息，以上常规反演方法无法实现城市上空的气溶胶信息的高精度反演。因此，亟需一种基于城市建筑物阴影的气溶胶卫星遥感反演方法，以解决现有技术中的不足之处。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种基于城市建筑物阴影的气溶胶卫星遥感反演方法，该方法无需以地表反射率已知为前提，通过城市建筑物阴影及其非阴影区的卫星观测信号差反演气溶胶信息。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于城市建筑物阴影的气溶胶卫星遥感反演方法，具体包括以下步骤：

3、s1、利用高分辨率卫星影像，获取城市建筑物阴影像元和非阴影像元卫星信号；

4、s2、确定气溶胶参数；

5、s3、基于所述气溶胶参数以及所述城市建筑物阴影像元和非阴影像元卫星信号选取初始卫星通道，并计算所述初始卫星通道的设计参数，所述初始卫星通道的设计参数包括大气光学厚度、大气程辐射、透过率以及阴影和亮像元卫星通道观测数据；

6、s4、根据所述初始卫星通道的设计参数，计算卫星通道计算误差；

7、s5、重复s1-s4，直至遍历所有卫星通道，计算全部卫星通道误差总和；

8、s6、判断所述全部卫星通道误差总和，获取最终反演气溶胶光学厚度，完成基于城市建筑物阴影的气溶胶卫星遥感反演。

9、可选的，利用所述高分辨率卫星影像，获取所述城市建筑物阴影像元和非阴影像元卫星信号包括：

10、利用所述高分辨率卫星影像，获取城市建筑物位置；

11、利用所述建筑物位置和卫星过境时间，确定城市建筑物阴影位置；

12、根据所述城市建筑物位置和所述城市建筑物阴影位置，选取非阴影像元，进而提取所述城市建筑物阴影像元和非阴影像元卫星信号。

13、可选的，所述气溶胶参数包括气溶胶浓度、气溶胶类型和大气垂直分布。

14、可选的，基于所述气溶胶参数以及所述城市建筑物阴影像元和非阴影像元卫星信号选取初始卫星通道，并计算所述初始卫星通道的设计参数包括：

15、根据所述气溶胶参数和所述城市建筑物阴影像元和非阴影像元卫星信号，选择所述初始卫星通道；

16、获取城市气象台站气象资料；

17、根据所述初始卫星通道和所述城市气象台站气象资料，获取所述大气光学厚度、所述大气程辐射和所述透过率；

18、根据所述大气光学厚度、所述大气程辐射和所述透过率，计算所述阴影和亮像元卫星通道观测数据。

19、可选的，所述大气光学厚度为：

20、τ＝τr+τa+τg

21、τr＝0.008569λ-4(1+0.0113λ-2+0.00013λ-4)λinμm

22、其中，τ为大气光学厚度，τr为大气分子散射光学厚度，τa为卫星通道i的气溶胶光学厚度初值，τg为气体成份吸收光学厚度，λ为波长。

23、可选的，所述透过率为：

24、

25、其中，t(μ0)为透过率，为直射透射，tdif(μ0)为漫射透射。

26、可选的，所述阴影和亮像元卫星通道观测数据为：

27、

28、

29、其中，i′b,i、i′s,i为模拟计算的卫星接收到的辐射强度，ipath为大气程辐射，t(μv)为从地表到大气顶的总透射率，a为地面反射率，s为大气球面反照率，μ0和μv分别为太阳天顶角和观测天顶角的余弦。

30、可选的，根据所述初始卫星通道的设计参数，计算所述卫星通道计算误差为：

31、δi＝(is,i-i′s,i)2+(ib,i-i′b,i)2

32、其中，δi为卫星通道i模拟计算误差。

33、可选的，判断所述全部卫星通道误差总和，获取最终反演气溶胶光学厚度包括：

34、判断所述全部卫星通道误差总和是否满足误差精度；

35、若所述全部卫星通道误差总和满足所述误差精度，则满足误差精度时的所述气溶胶光学厚度为所述最终反演气溶胶光学厚度；

36、若所述全部卫星通道误差总和不满足所述误差精度，则调整所述气溶胶参数，并重复s1-s5直至所述全部卫星通道误差总和满足所述误差精度，获取所述最终反演气溶胶光学厚度。

37、本发明具有以下有益效果：本发明能够很好的避免地面反照率假定不准确的影响，利用阴影像元和非阴影像元的信号差，解决了现有算法中必须预先假定地表反射率数值缺陷。对于当前高分辨卫星，如我国的高分二号卫星(gf2，分辨率约4米)，美国的快鸟卫星(quickbird，分辨率亚米级)等对于建筑物及其阴影可以很好的识别和利用，通过建筑物阴影及其邻近非阴影的应用，可实现城市内高分辨率尺度的大气气溶胶信息的卫星遥感反演。

技术特征：

1.一种基于城市建筑物阴影的气溶胶卫星遥感反演方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种基于城市建筑物阴影的气溶胶卫星遥感反演方法，其特征在于，利用所述高分辨率卫星影像，获取所述城市建筑物阴影像元和非阴影像元卫星信号包括：

3.如权利要求1所述的一种基于城市建筑物阴影的气溶胶卫星遥感反演方法，其特征在于，所述气溶胶参数包括气溶胶浓度、气溶胶类型和大气垂直分布。

4.如权利要求1所述的一种基于城市建筑物阴影的气溶胶卫星遥感反演方法，其特征在于，基于所述气溶胶参数以及所述城市建筑物阴影像元和非阴影像元卫星信号选取初始卫星通道，并计算所述初始卫星通道的设计参数包括：

5.如权利要求4所述的一种基于城市建筑物阴影的气溶胶卫星遥感反演方法，其特征在于，所述大气光学厚度为：

6.如权利要求5所述的一种基于城市建筑物阴影的气溶胶卫星遥感反演方法，其特征在于，所述透过率为：

7.如权利要求6所述的一种基于城市建筑物阴影的气溶胶卫星遥感反演方法，其特征在于，所述阴影和亮像元卫星通道观测数据为：

8.如权利要求7所述的一种基于城市建筑物阴影的气溶胶卫星遥感反演方法，其特征在于，根据所述初始卫星通道的设计参数，计算所述卫星通道计算误差为：

9.如权利要求3所述的一种基于城市建筑物阴影的气溶胶卫星遥感反演方法，其特征在于，判断所述全部卫星通道误差总和，获取最终反演气溶胶光学厚度包括：

技术总结
本发明公开了一种基于城市建筑物阴影的气溶胶卫星遥感反演方法，具体包括以下步骤：S1、利用高分辨率卫星影像，获取城市建筑物阴影像元和非阴影像元卫星信号；S2、确定气溶胶参数；S3、基于气溶胶参数以及城市建筑物阴影像元和非阴影像元卫星信号选取初始卫星通道，并计算初始卫星通道的设计参数；S4、根据初始卫星通道的设计参数，计算卫星通道计算误差；S5、重复S1‑S4，直至遍历所有卫星通道，计算全部卫星通道误差总和；S6、判断全部卫星通道误差总和，获取最终反演气溶胶光学厚度，完成基于城市建筑物阴影的气溶胶卫星遥感反演。

技术研发人员：乔聪聪,周莹,段民征,宗雪梅
受保护的技术使用者：中国科学院大气物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29