1 中国科学院空天信息创新研究院国家环境保护卫星遥感重点实验室，北京 100101
2 中国科学院大学，北京 100049
3 安徽师范大学地理与旅游学院，安徽 芜湖 241003
4 中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116
5 北京环境特性研究所，北京 100143
6 航天东方红卫星有限公司，北京 100094
全球气候治理和温室气体减排已经到了刻不容缓的地步。自工业革命以来，大气甲烷（CH4）体积分数一直持续上升，目前全球平均值已达约1895.7×10-9，加上CH4全球变暖潜能值比二氧化碳（CO2）高约27~30倍，因此对大气CH4的监测成为碳减排的重点与热点。利用卫星遥感探测速度快、覆盖范围广、获取信息丰富等优势，可以实现高精度、高时空分辨率且全球覆盖的大气CH4浓度监测。据此，首先对大气CH4探测卫星及传感器的发展进行梳理与介绍，从早期的被动热红外探测，到对近地CH4浓度变化更为敏感的被动短波红外探测，再到以甲烷遥感激光雷达任务（MERLIN）为代表的主动型探测，CH4探测传感器空间分辨率提升至5~10 km，探测精度提升至10×10-9以内，并朝着高时空分辨率、高精度和连续观测一体化的目标不断发展；然后，对各类传感器不同算法的原理、适用条件和反演精度等进行归纳总结，其中精度最高、应用最为广泛的全物理算法的反演精度已达到了0.3%；最后，结合大气CH4卫星遥感发展现状与双碳目标的战略需求，对CH4卫星遥感和反演研究的发展趋势进行总结与分析，旨在为我国大气CH4卫星遥感体系建设提供一定的参考。
大气遥感 传感器 碳减排 温室气体 甲烷 反演算法 光学学报
2023, 43(18): 1899904
1 中国科学院空天信息创新研究院国家环境保护卫星遥感重点实验室, 北京 100101
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
3 航天东方红卫星有限公司, 北京 100094
4 安徽师范大学地理与旅游学院, 安徽 芜湖 241003
5 中国科学院大学, 北京 100049
为探究多角度偏振在紫外波段对气溶胶层高 (ALH) 的探测能力，在不同的观测几何、气溶胶和地表类型等条件下系统评估了多角度偏振在紫外波段的ALH反演信息量。基于最优估计理论和信息量分析方法，分析了紫外波段365 nm和388 nm两个通道模拟仿真数据对ALH的灵敏度，并进一步讨论了不同观测组合对ALH信息量和后验误差的影响。研究结果表明：(1) 多角度偏振观测可有效提高ALH反演的信息量。(2) 多角度卫星观测信息量随观测角度个数的增加显著提升，当反演中使用的角度数增加到5个时，ALH的信号自由度 (DFS) 提升了0.4以上。(3) 添加388 nm波段偏振观测或365 nm波段强度观测这两种方案均能提升ALH的DFS。但相对而言，偏振观测方案受气溶胶模型误差影响更小，能更好地提升ALH反演的信息量，尤其是改善了低气溶胶光学厚度 (AOD) 条件下的ALH反演。
气溶胶边界层高度 最优化估计反演 信息量分析 后验误差 aerosol layer height optimal estimation inversion information content analysis posteriori error 大气与环境光学学报
2023, 18(4): 357
1 河南理工大学测绘与国土信息工程学院, 河南 焦作 454003
2 中国科学院空天信息创新研究院国家环境保护卫星遥感重点实验室, 北京 100101
3 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
4 安徽师范大学地理与旅游学院, 安徽 芜湖 241000
大气细粒子气溶胶主要来源于人类生产生活排放，可以反映人为活动对大气的影响，因此细粒子气溶胶光学厚度 (AODf) 是大气环境领域重要的基础大气参数之一。本研究基于查找表反演方法，利用高光谱观测卫星［GF-5 (02)] 多角度偏振成像仪 (DPC) 数据，得到2022年春季 (3―5月) 的全球陆表AODf，并通过AERONET对反演结果进行了初步验证。对AODf的分析结果表明：1) 全球陆表AODf分布呈现明显的南北差异，南半球基本为低值，北半球的高值区域主要集中在亚洲地区；2) 中国地区陆表AODf在“胡焕庸线”两侧差别显著，东南侧的高值主要集中在川渝腹地、华北平原和两广地区，而西北侧基本表现为低值覆盖，人为和自然因素均对AODf的分布有一定的影响；3) 南亚地区和非洲中-北部的AODf分布与当地燃烧活动产生的烟尘以及季风环流等因素有一定的相关性。此外，DPC的AODf数据与MODIS细粒子产品的对比结果表明二者的AODf高值区域分布基本一致，而DPC在高亮地表有着更为完整的反演结果，可以为全球和重点区域的大气环境监测提供支持。
高分五号02星 细粒子气溶胶光学厚度 偏振反演 空间分布 人为活动 Gaofen-5(02) fine-mode aerosol optical depth polarization-oriented inversion spatial distribution anthropogenic emission 大气与环境光学学报
2023, 18(4): 323
1 中国科学院空天信息创新研究院, 国家环境保护卫星遥感重点实验室, 北京 100101
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 上海卫星工程研究所, 上海 201109
4 吉林大学地球探测科学与技术学院, 吉林 长春 130026
5 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2021年9月我国成功发射的高分五号 02 星［GF-5(02)] 上搭载有多角度偏振成像仪 (DPC) 和高精度偏振扫描仪 (POSP), 组成了“偏振交火”观测方案。为评价GF-5(02)卫星DPC传感器的在轨辐射性能, 基于2022年1月DPC和POSP观测数据, 采用海洋瑞利散射和“偏振交火”交叉定标两种方法, 实现了DPC在轨绝对辐射定标和视场内相对辐射一致性检验。结果表明, DPC/GF-5(02)在轨后的绝对辐射和相对辐射响应较发射前的实验室定标结果均未发生明显改变, 在轨前后各波段绝对辐射系数差异均小于5.3%, 视场内相对辐射响应变化均小于2%。其中, 443 nm波段瑞利散射和“偏振交火”交叉两种方法获得的绝对辐射定标系数一致性较高, 偏差约为2%；而490 nm和670 nm波段两方法定标结果偏差较大, 偏差分别为7.4%和7.7%。整体上, DPC/GF-5(02) 在轨后的辐射稳定性优于DPC/GF-5。
高分五号 02 星 多角度偏振成像仪 绝对辐射系数 相对辐射系数 瑞利散射定标 “偏振交火”定标 Gaofen-5(02) satellite directional polarimetric camera absolute radiometric coefficient relative radiometric coefficient Rayleigh scattering calibration "polarization crossfire" cross calibration 大气与环境光学学报
2023, 18(4): 310
大气与环境光学学报
2023, 18(4): 279
1 海南空天信息研究院，海南 三亚 572032
2 中国科学院空天信息创新研究院，国家环境保护卫星遥感重点实验室，北京 100101
3 中国科学院大学，北京 100049
4 中国空间技术研究院遥感卫星总体部，北京100094
5 生态环境部卫星环境应用中心，北京 100094
6 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031
7 河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454003
8 安徽师范大学地理与旅游学院，安徽 芜湖 241003
利用大气辐射传输模型和指数衰减点扩展函数，发展了一套适用于亚米级分辨率的全色卫星影像的大气校正方法，该方法充分考虑了大气参数（气溶胶、水汽、臭氧及其他吸收气体等参数）、空间分辨率、背景像元与目标像元的空间距离等对邻近效应的影响。结果表明，本文建立的大气校正方法能够有效去除大气及周围环境对卫星入瞳信号的影响，充分解决全色卫星影像中的邻近效应问题，全面提升了卫星影像的质量（清晰度至少提高了155%，对比度至少提高了115%，边缘能量至少提高了247%，细节能量至少提高了204%，调制传递函数至少增大了169%）。
大气光学 全色卫星影像 高分二号 大气校正 邻近效应校正
1 安徽师范大学地理与旅游学院，安徽 芜湖 241000
2 中国科学院空天信息创新研究院国家环境保护卫星遥感重点实验室，北京 100101
3 中国科学院大学，北京 100049
4 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031
5 昆明学院信息工程学院，云南 昆明 650214
为探究高精度偏振扫描仪（POSP）在偏振交火模式下紫外波段对气溶胶层高（ALH）的探测能力，基于最优估计理论和信息量分析方法，分析了紫外和近紫外波段模拟仿真数据对ALH的灵敏度，并进一步讨论了不同观测组合对ALH信息量和后验误差的影响。研究结果表明：拓展的紫外波段是卫星遥感ALH反演的重要信息源，进一步增加380 nm偏振探测后，ALH的信息自由度（DFS）提高了0.06~0.26，同时后验误差降低了5~30个百分点；联合近紫外410 nm探测信息后，ALH反演后验误差额外降低了7~10个百分点，尤其增加了标高H较低时ALH的反演信息量；观测信息对标高的敏感度随着卫星观测散射角的增大而逐渐降低；粗模态主导的气溶胶、裸土地表相较细模态主导的气溶胶、植被地表来说提供的ALH信息量更少。总体来说，虽然ALH信息量受到气溶胶类型影响表现出了一些差异，但是不同气溶胶类型间ALH信息量受地表类型和偏振测量等的影响通常是相似的。
大气光学 偏振扫描仪 气溶胶层高 偏振遥感 信息量分析
1 广西大学机械工程学院，广西 南宁 530004
2 东风柳州汽车有限公司，广西 柳州 545005
即时定位与建图（SLAM）应用的场景多样但受限于计算成本。基于此，提出了一种基于自适应特征及闭环优化的激光SLAM算法（FAST-SAM）。采用自适应特征提取方法Better Feature在不同的距离下保证特征提取的准确性，再通过基于随机一致性采样优化的地面特征滤除方法去除不可靠的特征并使特征数量保持稳定，在帧间匹配和闭环检测模块分别采用正态分布变换粗配准与最近点迭代精配准结合的匹配算法及所提两段式闭环检测算法，最终输出激光惯性里程计并建立全局点云地图。在LIO-SAM、KITTI开源数据集及广西大学实测数据集上的实验结果表明，与主流的SLAM算法相比，所提算法在提升精度的同时，将各环节的计算效率提升25.6%以上。
图像处理 即时定位与建图 激光雷达 特征提取 闭环检测 帧间匹配 激光与光电子学进展
2023, 60(4): 0410014
1 安徽师范大学地理与旅游学院, 安徽 芜湖 241003
2 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100101
3 中国科学院大学, 北京 100049
臭氧是大气中一种重要的微量气体, 是影响对流层与平流层大气运动的重要成分之一, 臭氧的高精度探测对于环境和气候具有重要的意义。OMI 传感器是目前具备探测全球臭氧含量的主要遥感传感器之一。利用地基 Pandora 观测网全球范围内 44 个臭氧观测站点数据对 OMI 卫星数据产品进行了精度验证。结果表明: OMI 臭氧产品与 Pandora 地基测量结果之间具有很好的线性相关性, 相关系数达到 0.948, 但精度结果存在区域差异。在南半球地区, 相关系数为 0.915; 在北半球低纬度地区, 其相关系数为 0.932, 中纬度地区相关系数为 0.948, 而在高纬度地区, 相关系数达到了 0.957。 此外, 验证精度还与臭氧柱总量存在相关性, 在臭氧柱总量低于 220 Du (对应臭氧空洞条件) 时, OMI 卫星产品存在高估现象, 高估约 13%; 而在臭氧柱总量高于 400 Du 时, OMI 的臭氧产品低于 Pandora 地基测量结果, 且随着臭氧柱总量增加, 低估情况也越严重, 在臭氧柱总量达到 500 Du 时, OMI 臭氧产品低估约 4%。
地基验证 臭氧分布 相对误差 Pandora 太阳光度计 ground-based verification ozone distribution relative error Pandora sun photometer 大气与环境光学学报
2022, 17(6): 640
1 中国科学院空天信息创新研究院国家环境保护卫星遥感重点实验室, 北京 100101
2 中国科学院大学资源与环境学院, 北京 100049
3 南京大学大气科学学院大气与地球系统科学国际合作联合实验室, 江苏 南京 210023
随着对大气污染问题的日益重视, 监测大气颗粒物质量浓度也成为了热门研究领域。针对现行两种流行算法 (基于模式模拟和基于机器学习) 产生的近地面 PM 2.5 质量浓度科学数据集进行了比较分析, 利用城市年均 PM 2.5 监测数据定量评估两数据集的不确定性, 并通过空间自相关分析对两数据集的空间合理性进行了评价。同时, 还利用标准差椭圆分析研究了 2000-2018 年间主要污染区域 (北京、天津、河北、河南、山西、山东等地) PM 2.5 的时空演变趋势。结果表明, 基于机器学习算法产生的数据集 (CHAP) 具有较高的精度, 适用于区域性空气质量研究; 而基于模式模拟算法产生的数据集 (vanDonkelaarA) 具有合理的空间分布, 更适合于大尺度、长时间的污染趋势分析。由标准差椭圆分析发现, 2000-2018 年研究区域标准差椭圆中心的位置整体向东北方向移动; 2013 年前 PM 2.5 分布范围及年均值在波动中呈现整体上升的趋势, 随后显著下降, 造成 PM 2.5 浓度下降的主要因素是有效管控措施的实施。研究结果为中国区域的细颗粒物污染研究的数据集选取提供了参考依据, 为大气细颗粒物污染的防控提供科学支撑。
卫星遥感 标准差椭圆 空间自相关 PM 2.5 PM2.5 satellite remote sensing standard deviation ellipse spatial autocorrelation 大气与环境光学学报
2022, 17(6): 613
