高光谱数据反演大气水汽研究

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1、理论硼究遥感信息高光谱数据反演大气水汽研究刘三超①，高懋芳②，柳钦火③，范一大①，杨思全①(①民政部国家减灾中心，北京100053；②中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京100081；③中国科学院遥感应用研究所，北京100101)摘要：利用Hyperion高光谱数据，基于MODTRAN辐射传输模型进行模拟，分析表明943nm和953nm波段分别对干燥和湿润大气最敏感，是反演水汽的合适通道。提出针对Hyperion数据DCIBR方法反演大气总水汽含量，可以推广到环境与灾害监测预报小卫星星座超光谱数据的大气水汽反演。误差分析表明，大

2、气散射作用以及地表反射率非线性变化，对DCIBR方法计算精度的影响比CIBR算法要小，大气模式引起的反演误差小于2，通道的光谱特性是影响反演精度的重要因素。关键词：Hyperion；大气水汽；CIBR；DCIBR中图分类号：TP75文献标识码：A文章编号：1000—3177(2009)103—0011一O41引言2高光谱数据反演水汽水汽是集中于大气对流层的重要温室气体，对2．1CIBR方法研究大气圈一水圈和地表物质能量平衡以及全球气晴空下，卫星传感器在近红外通道接收到的辐候变化都有重要意义；水汽是近红外到热红外谱段亮度可表示为]：主要吸

3、收的气体，故水汽是红外定量遥感研究和大L⋯()一L()+Lo()×rOD×ps()(1)气校正所考虑的重要因子。利用地面探空和气象数式中，L()为传感器接收辐亮度；L。(A)为大气据，以及地基遥感技术可反演水汽[1]，并可作为验层顶太阳辐射；r()为太阳一地表一传感器方向大气证遥感反演结果的重要手段。由于水汽的时空变化透过率；()为地表反射率；L()为大气程辐射，包很大，单点地基测量虽然精度较高，但对大面积应用括瑞利散射和气溶胶散射，l#m波长附近大气瑞利散而言其空间代表性有限。射可忽略，能见度大于20km时气溶胶散射作用较遥感可高效快

4、捷地获取水汽空间分布信息。水小，因此L)可按比例归入到上式中第2项。汽在近红外谱段内有一系列吸收带，利用其吸收特基于以上分析可看出，lfm波长附近卫星辐亮性差异选择水汽强吸收和弱吸收通道就可反演大气度主要与地表反射率和大气透过率相关。Gao等_4]水汽，近红外法精度较高且稳定性好_3]，成为MO—对MODIS数据研究表明，用波段辐亮度比值关系DIS大气水汽产品的标准算法l4]，国内不少学者也即可反演大气水汽含量。对利用M0DIS反演大气水汽做了大量研究l_5]，Carrere&Conel对AVIRIS机载高光谱数据并检验了中国区域MOD

5、IS产品精度_7]。高光谱数研究表明，用水汽强吸收和弱吸收通道可反演大气据光谱分辨率可达到10nm以内且通道连续，故可水汽]，指出940nm水汽通道和相邻两个窗口通道精确反映大气水汽吸收特性。本文在辐射传输模拟内插的辐亮度与水汽含量有较好相关关系，该方法基础上，提出一种针对高光谱数据反演大气水汽的称连续波段内插法(ContinuumInterpolatedBand方法，并分析了影响算法精度的因素。Ratio，简称CIBR，图1)。收稿日期：2008—07—09修订日期：2008—09—25基金项目：国家科技支撑计划“重大自然灾害风险防范

6、关键技术”(2008BAK50B08)，国家“863”重点项目(2007AA120205)，国家科技支撑计划“环境减灾卫星沙尘暴遥感监测方法及其业务监测系统推广应用”(2OO8BAC40BO1)。作者简介：刘三超(1979~)，男，博士，主要从事灾害遥感及定量遥感研究。E-mml：snowerlsc@163．tom11遥摩信息理论硼究CIBR—L()／(fIL(I)+L(2))(2)990nm卫星辐亮度的主要因素为大气透过率，而这C1=(2一)／(2一1)和些波段内大气透过率主要与水汽含量有关，故不同C2一(1——)／(2——1)(3)

7、波段对水汽的探测能力可用敏感性指数表示：一∑=∑lAr／zxwI(4)式中，i代表不同通道，r为透过率，△W为水汽变化量。对于Hyperion数据，水汽含量范围为O～5．3g．cm时，943nm和953nm的刀值最大，其中水汽含量小于2．8g．cm时，943nm波段值最大，而当水汽含量大于2．8g．cm时，953nm波段值最大。因此，可认为943nm和953nm波段是反演水汽的合适通道。图1CIBR算法不蒽图2．4DCIBR方法2．2Hyperion数据近红外波段反演大气水汽的影响因素主要为大Hyperion传感器搭载在EOS一1上，于

8、2000气散射及地表反射率非线性变化影响，对高光谱数年11月顺利发射升空，成像时间比Landsat-7晚1据来说，水汽通道信噪比也是重要的影响因子，而增分钟。Hyperion总共有242个通道，其中彼此不重