CN111191380B - 一种基于地基光谱仪测量数据的大气气溶胶光学厚度估算方法和装置 - Google Patents
一种基于地基光谱仪测量数据的大气气溶胶光学厚度估算方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于地基光谱仪测量数据的大气气溶胶光学厚度估算方法和装置。该方法的步骤包括：1)基于大气辐射传输软件模拟的不同组合情况下的天空光比例，建立以大气廓线类型、太阳天顶角、气溶胶光学厚度为多维索引的400nm‑1000nm之间单一波长对应的光谱天空光比例查找表；2)利用地基光谱仪和标准参考板测量天空光比例；3)基于多维索引从步骤1)建立的查找表中提取出观测时刻对应的局部查找表数据，计算查找表中不同大气气溶胶光学厚度对应的天空光比例与实际测量的天空光比例之间的距离，并利用二次函数进行拟合，得到最终的气溶胶光学厚度估算值。本发明能够利用地面测量的光谱天空光比例估算大气气溶胶光学厚度。
Description
技术领域
本发明属于定量遥感反演的技术领域，特别涉及一种利用地面测量的光谱天空光比例估算大气气溶胶光学厚度的方法和装置。
背景技术
大气气溶胶是地球—大气—海洋系统的重要组成部分，气溶胶浓度是全球气候变化、区域环境研究的重要参数。大气中的气溶胶粒子对入射电磁波具有吸收和散射作用，从而使得光束被衰减，这种衰减作用称为消光。对气溶胶的监测主要是监测气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth)，其定义为沿电磁波传输路径，气溶胶消光系数在垂直方向上的积分。气溶胶光学厚度表征了大气浑浊度的一个重要物理量，它对研究大气污染、气溶胶辐射效应具有重要意义，并在一定程度上能反映区域大气的污染程度。同时，气溶胶光学厚度影响对地观测光学遥感信息的重要大气成分，是进行光学遥感数据(400nm-2500nm)大气纠正的不可或缺的关键参数。
遥感是获取区域尺度与全球尺度大气气溶胶光学厚度的唯一途径，至今已发展了遥感估算气溶胶光学厚度的多种算法，包括暗目标法、深蓝算法、多角度算法、偏振遥感算法以及这些算法的延伸算法。其中，最为广泛应用的是暗目标法(dark-object method)，该方法在假设大气水平均一的条件下，利用浓密植被在红光、蓝光反射率较低这一个光谱特性，基于红光、蓝光与2.1μm通道反射率的经验关系确定二者的地表反射率，从而从卫星观测数据中去除地表反射率贡献，并结合查找表技术估算气溶胶光学厚度。该算法已经成功地应用于Landsat系列、MODIS等传感器。但是该方法在以下两种情况将失效，即观测影像范围内无浓密植被(即暗目标)和传感器本身未设置2.1μm波段。第一种情况常在我国西北地区以及冬季时相中出现，而更遗憾的是，我国光学传感器(如高分一号、高分二号、高分四号、高分六号、环境星等)几乎均未设置2.1μm波段，从而使得利用暗目标法从遥感影像中估算气溶胶光学厚度的可行性面临巨大挑战。
基于太阳分光光度计测量数据是获取气溶胶光学厚度的重要手段。其中法国CIMEL公司生产的CE318太阳分光光度计是目前地面测量大气气溶胶光学厚度适用范围最广、精度最高的主要设备，可以长时间连续(最高时间分辨率为0.5min)、昼夜(依照特定型号)获取气溶胶光学厚度，并已在世界范围内建立了气溶胶光学厚度观测网AERONET(Aerosol Robotic Network)，向大众免费公开各个站点测量的不同波段处的气溶胶光学厚度以及同时刻的大气水汽含量。利用以上数据，可以分析气溶胶的时空变化，也可将其输入大气辐射传输软件6S或MODTRAN等中进行遥感影像的大气纠正，以获取地表反射率。但是，需要注意的是，CE318本身价格昂贵，返厂定标复杂。定点观测无法满足不同地点遥感观测数据对气溶胶光学厚度数据的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何利用便携式地面光谱仪的优势与特点，实现大气气溶胶光学厚度的精确估算。
鉴于遥感数据大气纠正过程对灵活获取气溶胶光学厚度的迫切需求，本发明公开一种利用地面光谱仪(波段范围不少于400nm-1000nm)测量数据估算大气气溶胶光学厚度的新方法和装置。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于地基光谱仪测量数据的大气气溶胶光学厚度估算方法，其步骤包括：
建立以大气廓线类型、太阳天顶角、气溶胶光学厚度为多维索引的单一波长对应的天空光比例查找表；
利用地基光谱仪和标准参考板测量实际的天空光比例；
基于天空光比例查找表和实际的天空光比例，采用最短距离法确定气溶胶光学厚度。
进一步地，基于大气辐射传输软件MODTRAN模拟的不同组合情况下的天空光比例，建立所述天空光比例查找表。
进一步地，选择热带、中纬度夏季、中纬度冬季、亚极地夏季、亚极地冬季五种标准大气廓线，在每一种大气廓线下，设置0°～70°共15个等级的太阳天顶角，在每一个天顶角下设置0.01～2.0共29个等级的气溶胶光学厚度，在每一种大气廓线、太阳天顶角、气溶胶光学厚度组合下，调用大气辐射传输模型MODTRAN模拟出该种组合下，在高程为0m处到达地面的400nm-1000nm波长范围内的太阳直射光通量Ldif(λ)与天空散射光通量Ldir(λ)，并按公式r(λ)＝Ldif(λ)/Ldir(λ)计算出各个单一波长处的天空光比例。
进一步地，基于模拟的不同组合情况下的光谱天空光比例，建立以大气廓线类型、太阳天顶角、气溶胶光学厚度为索引的400nm-1000nm之间单一波长对应的光谱天空光比例查找表。
进一步地，所述利用地基光谱仪和标准参考板测量实际的天空光比例，包括以下步骤：
测量光照条件下的标准参考板反射的光谱辐亮度Lsun；
在同样观测几何条件下，利用专用遮阴板在太阳直射光方向遮挡到达标准参考板的直射光，测量遮阴情况下标准参考板反射的光谱辐亮度Lshd；
根据Lsun和Lshd计算测量时刻对应的实际的天空光比例。
进一步地，所述实际的天空光比例由以下公式计算得到：
rg(λ)＝Ldif(λ)/Ldir(λ)＝Lshd(λ)/[Lsun(λ)-Lshd(λ)]
其中，Ldir表示太阳直射光通量，Ldif表示天空散射光通量。
进一步地，所述基于天空光比例查找表和实际的天空光比例，采用最短距离法确定大气气溶胶光学厚度，包括：
基于测量地点的大气廓线类型、测量时刻对应的太阳天顶角，从已建立的天空光比例查找表中插值得到当前大气廓线类型和太阳天顶角对应的局部查找表；
基于局部查找表，利用二次函数拟合不同气溶胶光学厚度对应的天空光比例的测量值与天空光比例查找表中的天空光比例之间的距离，将二次函数最小值对应的气溶胶光学厚度作为最终的大气气溶胶光学厚度。
进一步地，采用以下方式获得所述最终的大气气溶胶光学厚度：
计算天空光比例查找表中不同气溶胶光学厚度对应的天空光比例与实际测量的天空光比例之间的距离D；
选择距离最小值Dm对应的气溶胶光学厚度AODm，及小于AODm的第一个数值AOD1和大于AODm的第一个数值AOD2，形成三组气溶胶光学厚度AOD与距离D的坐标：(AOD1，D1)、(AODm，Dm)和(AOD2，D2)；
基于该三组坐标，建立AOD与距离D之间的局部二次函数，利用该二次函数，计算当D达到最小值Dmin时，对应的AODx即为最终的大气气溶胶光学厚度的估算值。
一种基于地基光谱仪测量数据的大气气溶胶光学厚度估算装置，其包括：
查找表建立模块，用于建立以大气廓线类型、太阳天顶角、气溶胶光学厚度为多维索引的单一波长对应的天空光比例查找表；
实际天空光比例计算模块，用于利用地基光谱仪和标准参考板测量和计算实际的天空光比例；
大气气溶胶光学厚度计算模块，用于基于天空光比例查找表和实际的天空光比例，采用最短距离法确定气溶胶光学厚度。
本发明的有益效果如下：
本发明基于地面光谱仪测量的光谱天空光比例与大气参数查找表，发展了一种新型的基于地基测量数据的大气气溶胶光学厚度的估算方法，从而为无人机低空光学遥感数据、卫星光学遥感数据的大气纠正提供关键参数。
附图说明
图1为基于地基测量数据的大气气溶胶光学厚度获取方法流程图。
图2为光谱天空光比例查找表多层级结构图。
图3为光照条件下与遮阴条件下的测量方式图，其中(a)图为光照条件下，(b)图为遮阴条件下。
图4为基于最短距离法的气溶胶光学厚度确定方法图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。
图1显示了本发明的总体思路。具体实现步骤如下：
步骤(1)：天空光比例查找表构建
相较于其他大气分子，气溶胶光学厚度是影响光学波段大气散射作用最强的大气成分，随着气溶胶光学厚度的增加，天空光比例也随之变大。同时，天空光比例也随波长与太阳天顶角发生改变。选择热带(TRO，Tropical)、中纬度夏季(MLS，Middle LatitudeSummer)、中纬度冬季(MLW，Middle Latitude Winter)、亚极地夏季(SAS，Sub-ArcticSummer)、亚极地冬季(SAW，Sub-Arctic Winter)等五条标准大气廓线，在每一条大气廓线下，设置0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°和70°共15个等级的太阳天顶角，在每一个天顶角下设置0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0共29个等级的气溶胶光学厚度。在每一种大气廓线、太阳天顶角、气溶胶光学厚度组合下，调用大气辐射传输模型MODTRAN模拟出该种组合下，在高程为0m处到达地面的400nm-1000nm波长范围内的太阳直射光通量Ldir(λ)与天空散射光通量Ldif(λ)，并按公式(1)计算出各个单一波长处的天空光比例(λ表示波长)：
r(λ)＝Ldif(λ)/Ldir(λ) (1)
根据公式(1)定义的天空光比例数值可以大于1。基于模拟的不同组合情况下的天空光比例，建立以大气廓线类型(ATMTYPE)、太阳天顶角(SZA)、气溶胶光学厚度(AOD)为索引的400nm-1000nm之间单一波长(λ)对应的光谱天空光比例查找表(Look-up Table,LUT)。查找表多层级结构如图2所示。
根据图2所示的结构图，表1显示了天空光比例查找表的实际组成。
表1.天空光比例查找表结构
| ATMTYPE | SZA | AOD | λ400 | λ401 | λ402 | … | λ999 | λ1000 |
| MLS | 0 | 0.01 | r400 | r401 | r402 | … | r999 | r1000 |
| MLS | 0 | 0.02 | r400 | r401 | r402 | … | r999 | r1000 |
| MLS | 0 | … | … | … | … | … | … | … |
| MLS | 0 | 2.0 | r400 | r401 | r402 | … | r999 | r1000 |
| MLS | 5 | 0.01 | r400 | r401 | r402 | … | r999 | r1000 |
| MLS | 5 | 0.02 | r400 | r401 | r402 | … | r999 | r1000 |
| MLS | 5 | … | … | … | … | … | … | … |
| MLS | 5 | 2.0 | r400 | r401 | r402 | … | r999 | r1000 |
| MLS | … | … | … | … | … | … | … | … |
| MLS | … | … | … | … | … | … | … | … |
| MLS | … | … | … | … | … | … | … | … |
| MLS | … | … | … | … | … | … | … | … |
| MLS | 70 | 0.01 | r400 | r401 | r402 | … | r999 | r1000 |
| MLS | 70 | 0.02 | r400 | r401 | r402 | … | r999 | r1000 |
| MLS | 70 | … | … | … | … | … | … | … |
| MLS | 70 | 2.0 | r400 | r401 | r402 | … | r999 | r1000 |
输入：标准大气廓线类型、太阳天顶角、大气气溶胶光学厚度、大气辐射传输模型。
输出：不同大气廓线类型、太阳天顶角、大气气溶胶光学厚度组合下的，400nm-1000nm间以1nm为间隔的光谱天空光比例查找表。
步骤(2)：地基天空光比例测量
利用地基光谱仪和标准参考板测量天空光比例。测量人员服装要求为黑色或深色。光谱仪的可测量波长范围应包括400nm-1000nm。标准参考板定标反射率应接近100％，且光谱差异小，将其放置在空旷、平坦区域，周围无遮挡。测量前对光谱仪提前开机预热(不少于10分钟)，并对光谱仪的积分时间进行有效设置，去除暗电流等噪声。
测量时，测量人员站立在与太阳直射光平行的一侧，保持光谱探头垂直观测标准参考板，且光谱仪视场内仅有标准参考板。如图3所示，通过两步测量可获取实际的天空光比例：
1)测量光照条件下的标准参考板反射的光谱辐亮度Lsun，如图3中(a)图所示；
2)在同样观测几何条件下，利用专用遮光板(或称遮阴板)在太阳直射光方向遮挡到达标准参考板的直射光，如图3中(b)图所示，测量遮阴情况下标准参考板反射的光谱辐亮度Lshd。
光照条件下光谱辐亮度Lsun包括太阳直射光Ldir与天空散射光Ldif的贡献，遮阴情况下的光谱辐亮度Lshd仅包括了天空散射光Ldif的贡献。结合标准参考板定标反射率ρ，可以计算出太阳直射光Ldir与天空散射光Ldif：
Ldir(λ)+Ldif(λ)＝Lsun(λ)/ρ(λ) (2)
Ldif(λ)＝Lshd(λ)/ρ(λ) (3)
那么，根据步骤(1)中公式(1)的天空光比例的定义，实际测量的光谱天空光比例可以由公式(5)计算得到：
rg(λ)＝Ldif(λ)/Ldir(λ)＝Lshd(λ)/[Lsun(λ)-Lshd(λ)] (5)
根据地面光谱仪的输入波长，将公式(5)计算的光谱天空光比例插值到400nm-1000nm且1nm为间隔的单一波长上。基于地面测量日期、时间和标准参考板所在的经纬度，计算出测量时刻的太阳天顶角SZAg。
输入：光照条件下的标准参考板反射的光谱辐亮度Lsun、遮阴情况下标准参考板反射的光谱辐亮度Lshd、测量日期与时间，测量地点经纬度。
输出：实际测量的400nm-1000nm且1nm为间隔的光谱天空光比例，测量时刻的太阳天顶角SZAg。
步骤(3)：基于测量数据与查找表的气溶胶光学厚度获取
本步骤将基于测量地点的大气廓线类型、太阳天顶角和光谱天空光比例从步骤(1)建立的查找表中确定气溶胶光学厚度。可细分为以下内容：
1)大气廓线类型确定及查找表索引
通过测量点的经纬度、日期确定大气廓线类型。一般地，以北半球为例子，将纬度处于0°-20°区域作为热带大气、处于20°-45°的区域作为中纬度、处于45°-60°的区域作为亚极地，60°以上作为极地。将4月1日-10月31日作为夏季，11月1日-次年3月31日作为冬季。例如，2019年10月15日在北京(纬度约39.6°)测量时对应的大气廓线可选择为中纬度夏季大气廓线。若可通过其他方式确定更精确的大气廓线类型，以实际情况为准。根据确定的大气廓线类型(TRO、MLS、MLW、SAS、SAW)，从步骤(1)建立的查找表中提取出该种大气廓线类型对应的子查找表信息。
2)基于太阳天顶角的查找表索引
基于步骤1)的子查找表，以观测时刻对应太阳天顶角SZAg为索引，找出与SZAg最接近的查找表中的至少3个太阳天顶角SZA1，SZA2，SZA3…。然后基于这些太阳天顶角用二次函数拟合出不同气溶胶光学厚度情况、不同波长处天空光比例与SZA的数学关系。基于该拟合模型，计算出当前太阳天顶角SZAg下的共29个等级的气溶胶光学厚度和400nm-1000nm范围的光谱天空光比例，形成新的局部查找表，该查找表的结构如表2所示：
表2.局部查找表结构
| SZA | AOD | λ400 | λ401 | λ402 | … | λ999 | λ1000 |
| SZAg | 0.01 | r400 | r401 | r402 | … | r999 | r1000 |
| SZAg | 0.02 | r400 | r401 | r402 | … | r999 | r1000 |
| SZAg | … | … | … | … | … | … | … |
| SZAg | 2.0 | r400 | r401 | r402 | … | r999 | r1000 |
3)基于最短距离法的气溶胶光学厚度确定
以步骤2)形成局部查找表为基础，计算查找表中各个气溶胶光学厚度对应的光谱天空光比例与步骤(2)中公式(5)测量的光谱天空光比例之间的距离D。
选择距离最小值Dm对应的气溶胶光学厚度AODm，以及小于AODm的第一个数值AOD1和大于AODm的第一个数值AOD2，形成三组AOD与距离D的坐标：(AOD1，D1)、(AODm，Dm)和(AOD2，D2)。基于该三组坐标，建立AOD与距离D之间的局部二次函数D＝a·AOD2+b·AOD+c。最后，利用该二次函数，计算当D达到最小值Dmin时，对应的AODx即为最终估算值。该过程如图4所示。
输入：实际测量的400nm-1000nm且1nm为间隔的光谱天空光比例，测量时刻的太阳天顶角SZAg。
输出：测量时刻对应的气溶胶光学厚度。
基于同一发明构思，本发明另一实施例提供一种基于地基光谱仪测量数据的大气气溶胶光学厚度估算装置，其包括：
查找表建立模块，用于建立以大气廓线类型、太阳天顶角、气溶胶光学厚度为多维索引的单一波长对应的天空光比例查找表；
实际天空光比例计算模块，用于利用地基光谱仪和标准参考板测量和计算实际的天空光比例；
大气气溶胶光学厚度计算模块，用于基于天空光比例查找表和实际的天空光比例，采用最短距离法确定气溶胶光学厚度。
其中各模块的具体操作过程参加前文对本发明方法的描述。
以2019年12月18日在北京大学遥感楼5层天台测量实验为例进行了本发明方法的验证。该实验用便携式冠层光谱仪ASD测量光照参考板、遮阴参考板的反射光谱。利用两套参考板测量进行对比，一套为ASD仪器自带的标准板(定标后的光谱反射率约为98％)，一套为中国科学院安徽光学精密机械研究所制造(定标后的反射率约为50％)。每间隔30分钟测量光照参考板、遮阴参考板光谱一次，每一套参考板共测量6组数据。以上数据用于本发明估算550nm处的大气气溶胶光学厚度AOD。利用太阳分光光度计CE318同步测量多波段AOD数值，并推算出550nm处的AOD，用于验证本发明AOD估算值。
表3为利用98％参考板测量数据的AOD估算结果，表4为利用50％参考板测量数据的AOD估算结果。从表中可以看出，当太阳天顶角SZA小于55°时，测量值与估算值之间的差值小于0.1。在较小的SZA的误差更小，最小可达0.001。两种参考板情况下的AOD均方根误差分别为0.098和0.097，表明本发明AOD估算精度高。同时，两种情况下估算值非常接近，一定程度上说明95％和50％的参考板均适合于本发明。
表3. 98％参考板AOD估算结果比较
表4. 50％参考板AOD估算结果比较
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种基于地基光谱仪测量数据的大气气溶胶光学厚度估算方法，其步骤包括：
建立以大气廓线类型、太阳天顶角、气溶胶光学厚度为多维索引的单一波长对应的天空光比例查找表；基于大气辐射传输软件MODTRAN模拟的不同组合情况下的天空光比例，建立所述天空光比例查找表；选择热带、中纬度夏季、中纬度冬季、亚极地夏季、亚极地冬季五种标准大气廓线，在每一种大气廓线下，设置0°～70°共15个等级的太阳天顶角，在每一个天顶角下设置0.01～2.0共29个等级的气溶胶光学厚度，在每一种大气廓线、太阳天顶角、气溶胶光学厚度组合下，调用大气辐射传输模型MODTRAN模拟出该种组合下，在高程为0m处到达地面的400nm-1000nm波长范围内的太阳直射光通量Ldif(λ)与天空散射光通量Ldir(λ)，并按公式r(λ)＝Ldif(λ)/Ldir(λ)计算出各个单一波长处的天空光比例；
利用地基光谱仪和标准参考板测量实际的天空光比例；
基于天空光比例查找表和实际的天空光比例，采用最短距离法确定气溶胶光学厚度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于模拟的不同组合情况下的光谱天空光比例，建立以大气廓线类型、太阳天顶角、气溶胶光学厚度为索引的400nm-1000nm之间单一波长对应的光谱天空光比例查找表。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用地基光谱仪和标准参考板测量实际的天空光比例，包括以下步骤：
测量光照条件下的标准参考板反射的光谱辐亮度Lsun；
在同样观测几何条件下，利用专用遮阴板在太阳直射光方向遮挡到达标准参考板的直射光，测量遮阴情况下标准参考板反射的光谱辐亮度Lshd；
根据Lsun和Lshd计算测量时刻对应的实际的天空光比例。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述实际的天空光比例由以下公式计算得到：
rg(λ)＝Ldif(λ)/Ldir(λ)＝Lshd(λ)/[Lsun(λ)-Lshd(λ)]
其中，Ldir表示太阳直射光通量，Ldif表示天空散射光通量。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于天空光比例查找表和实际的天空光比例，采用最短距离法确定大气气溶胶光学厚度，包括：
基于测量地点的大气廓线类型、测量时刻对应的太阳天顶角，从已建立的天空光比例查找表中插值得到当前大气廓线类型和太阳天顶角对应的局部查找表；
基于局部查找表，利用二次函数拟合不同气溶胶光学厚度对应的天空光比例的测量值与天空光比例查找表中的天空光比例之间的距离，将二次函数最小值对应的气溶胶光学厚度作为最终的大气气溶胶光学厚度。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，采用以下方式获得所述最终的大气气溶胶光学厚度：
计算天空光比例查找表中不同气溶胶光学厚度对应的天空光比例与实际测量的天空光比例之间的距离D；
选择距离最小值Dm对应的气溶胶光学厚度AODm，以及小于AODm的第一个数值AOD1和大于AODm的第一个数值AOD2，形成三组气溶胶光学厚度AOD与距离D的坐标：(AOD1，D1)、(AODm，Dm)和(AOD2，D2)；
基于该三组坐标，建立AOD与距离D之间的局部二次函数，利用该二次函数，计算当D达到最小值Dmin时，对应的AODx即为最终的大气气溶胶光学厚度的估算值。
7.一种采用权利要求1～6中任一权利要求所述方法的基于地基光谱仪测量数据的大气气溶胶光学厚度估算装置，其特征在于，包括：
查找表建立模块，用于建立以大气廓线类型、太阳天顶角、气溶胶光学厚度为多维索引的单一波长对应的天空光比例查找表；
实际天空光比例计算模块，用于利用地基光谱仪和标准参考板测量和计算实际的天空光比例；
大气气溶胶光学厚度计算模块，用于基于天空光比例查找表和实际的天空光比例，采用最短距离法确定气溶胶光学厚度。
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|---|---|---|---|---|
| CN113075694B (zh) * | 2021-04-02 | 2021-11-23 | 中国科学院大气物理研究所 | 多波段星光成像光度计及其探测方法 |
| CN113378419B (zh) * | 2021-08-16 | 2021-11-23 | 成都众享天地网络科技有限公司 | 一种基于modtran优化的红外成像仿真方法 |
| CN114048677B (zh) * | 2021-11-07 | 2023-07-14 | 天津大学 | 一种户外场景图像预测方法 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1727844A (zh) * | 2005-07-05 | 2006-02-01 | 华东师范大学 | 航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的地表反差法 |
| CN102103204A (zh) * | 2011-01-26 | 2011-06-22 | 环境保护部卫星环境应用中心 | 基于环境一号卫星的陆地气溶胶光学厚度反演方法 |
| CN102636143A (zh) * | 2012-04-20 | 2012-08-15 | 中国科学院遥感应用研究所 | 一种气溶胶光学厚度遥感反演方法 |
| CN104279967A (zh) * | 2014-05-23 | 2015-01-14 | 中国科学院光电研究院 | 基于高光谱图像的气溶胶光学厚度反演方法 |
| CN106225693A (zh) * | 2016-08-29 | 2016-12-14 | 中国科学院遥感与数字地球研究所 | 一种细粒子气溶胶光学厚度和气溶胶类型同时反演方法 |
| CN106407656A (zh) * | 2016-08-29 | 2017-02-15 | 中国科学院遥感与数字地球研究所 | 一种基于高分辨率卫星影像数据的气溶胶光学厚度反演方法 |
| CN106483050A (zh) * | 2015-09-02 | 2017-03-08 | 中国科学院遥感与数字地球研究所 | 气溶胶光学厚度的反演方法及系统 |
| US9964482B2 (en) * | 2015-01-26 | 2018-05-08 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Detecting clouds using polarized sunlight |
| CN208171442U (zh) * | 2018-05-04 | 2018-11-30 | 陕西中科启航科技有限公司 | 可同步测量辐照度和辐亮度的高光谱辐射计 |
| CN109186474A (zh) * | 2018-10-11 | 2019-01-11 | 南京信息工程大学 | 一种基于岭回归的气溶胶光学厚度反演偏差纠正方法 |
| CN110186822A (zh) * | 2019-05-13 | 2019-08-30 | 中国科学院遥感与数字地球研究所 | 一种气溶胶光学厚度遥感反演方法 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110250626A1 (en) * | 2002-09-09 | 2011-10-13 | Reactive Surfaces, Ltd. | Visual Assays for Coatings Incorporating Bioactive Enzymes for Catalytic Functions |
| CN105608697B (zh) * | 2015-12-24 | 2018-04-13 | 电子科技大学 | 基于遥感气溶胶和萤火虫群算法的空气污染源识别方法 |
| CN109030301A (zh) * | 2018-06-05 | 2018-12-18 | 中南林业科技大学 | 基于遥感数据的气溶胶光学厚度反演方法 |
| CN110082777A (zh) * | 2019-04-24 | 2019-08-02 | 中国海洋大学 | 一种基于偏振卫星遥感与神经网络的细粒子气溶胶光学厚度反演方法 |
| CN110186823B (zh) * | 2019-06-26 | 2020-06-16 | 中国科学院遥感与数字地球研究所 | 一种气溶胶光学厚度反演方法 |
| CN110411927B (zh) * | 2019-08-02 | 2020-12-04 | 中国科学院遥感与数字地球研究所 | 一种大气细粒子aod和地表偏振反射率协同反演方法 |
-
2020
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Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1727844A (zh) * | 2005-07-05 | 2006-02-01 | 华东师范大学 | 航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的地表反差法 |
| CN102103204A (zh) * | 2011-01-26 | 2011-06-22 | 环境保护部卫星环境应用中心 | 基于环境一号卫星的陆地气溶胶光学厚度反演方法 |
| CN102636143A (zh) * | 2012-04-20 | 2012-08-15 | 中国科学院遥感应用研究所 | 一种气溶胶光学厚度遥感反演方法 |
| CN104279967A (zh) * | 2014-05-23 | 2015-01-14 | 中国科学院光电研究院 | 基于高光谱图像的气溶胶光学厚度反演方法 |
| US9964482B2 (en) * | 2015-01-26 | 2018-05-08 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Detecting clouds using polarized sunlight |
| CN106483050A (zh) * | 2015-09-02 | 2017-03-08 | 中国科学院遥感与数字地球研究所 | 气溶胶光学厚度的反演方法及系统 |
| CN106225693A (zh) * | 2016-08-29 | 2016-12-14 | 中国科学院遥感与数字地球研究所 | 一种细粒子气溶胶光学厚度和气溶胶类型同时反演方法 |
| CN106407656A (zh) * | 2016-08-29 | 2017-02-15 | 中国科学院遥感与数字地球研究所 | 一种基于高分辨率卫星影像数据的气溶胶光学厚度反演方法 |
| CN208171442U (zh) * | 2018-05-04 | 2018-11-30 | 陕西中科启航科技有限公司 | 可同步测量辐照度和辐亮度的高光谱辐射计 |
| CN109186474A (zh) * | 2018-10-11 | 2019-01-11 | 南京信息工程大学 | 一种基于岭回归的气溶胶光学厚度反演偏差纠正方法 |
| CN110186822A (zh) * | 2019-05-13 | 2019-08-30 | 中国科学院遥感与数字地球研究所 | 一种气溶胶光学厚度遥感反演方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于MODIS数据的杭州地区气溶胶光学厚度反演;范娇等;《光学学报》;20150131;第35卷(第1期);参见正文第1-9页 * |
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