• GF4卫星影像反演气溶胶光学厚度


    翻阅论文资料后,气溶胶光学厚度AOD遥感反演算法总结如下:

    基于GF-4卫星影像蓝光波段以及MOD09A1地表反射率数据,采用深蓝算法,利用6S模型建立查找表,反演气溶胶光学厚度。

    核心原理如下公式: 

     

     式中:是表观反射率,是气溶胶反射率, 是瑞利散射, 是地表反射率

    S是大气半球反照率,是大气下行透过率,是大气上行透过率

    是卫星影像辐射定标后的结果,采用MOD09A1地表反射率产品,、S、由6S大气模型计算得到。 

    6S模型输出结果:

    详细步骤如下:

    1、对GF-4卫星影像进行预处理,包括辐射定标、正射校正、图像配准、镶嵌、裁剪等步骤,计算得到研究区范围内蓝光波段的表观反射率;

    2、分离提取云、水体区域,云体暂时还没有较好的自动化提取算法,水体可用NDWI阈值分割;

    3、处理GF-4同时期的MOD09A1数据,获取研究区内的地表反射率数据;

    4、将影像转投影为等经纬度坐标,根据影像左上角坐标,计算各像元位置的经纬度;

    5、根据各像元经纬度、成像日期时间,计算各像元成像几何条件,主要包括太阳天顶角、太阳方位角、卫星天顶角、卫星方位角;

    相关计算公式参考如下(查询了很多网站资料,众说纷纭,公式也不尽相同,还没完全搞清楚计算原理,暂且按照下面的参考资料):

    https://www.it610.com/article/1292398285364994048.html

    https://www.pveducation.org/zh-hans/pvcdrom/%E5%A4%AA%E9%98%B3%E6%97%B6

    6、逐像元获取成像几何条件执行6S模型,效率太慢,又因一定范围内的像元几何条件可以近似看做相同,故每100*100像元块(GF-4影像空间分辨率50m,即5km*5km)执行一次6S模型,几何条件选取100*100像元的均值,气溶胶厚度依次设为0.0005、0.25、0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0,则每个像元块执行9次6S模型,利用得到气溶胶反射率、瑞利散射、大气半球反照率、大气下行透过率、大气上行透过率代入前面的公式,计算得到表观反射率,9个气溶胶值,则对应9个表观反射率;

    7、所有像元块计算完成后,得到9个气溶胶厚度对应的9幅表观反射率数据,逐像素遍历,建立表观反射率与气溶胶厚度的线性关系,再以GF-4影像计算所得表观反射率为自变量代入拟合关系,得到对应的气溶胶光学厚度,逐像素遍历建立回归关系速度慢,可利用多进程机制提高运行速度。

    8、将云、水覆盖区域赋为无效值;

    9、最终,建立Aeronet站点观测数据与反演结果的线性关系,评价反演精度。

    反演结果如下:

     注:GF系列卫星幅宽较大,需计算各个像素的几何条件(太阳天顶角、太阳方位角、卫星天顶角、卫星方位角),不能用中心像素的值代替,而5中的参考方法不适用于计算极轨卫星的卫星天顶角、卫星方位角,故暂时选取GF-4静轨卫星数据反演AOD。

    参考文献:

    王中挺,厉青,王桥,李莘莘,陈良富,周春艳,张丽娟,徐拥军.2012.利用深蓝算法从HJ-1数据反演陆地气溶胶. 遥感学报

    马小雨,陈正华,宿鑫,于会泳,贾丹丹,姚焕玫.2020.GF-4增强型地表反射率库支持法的气溶胶光学厚度反演. 遥感学报

    田信鹏,孙林,刘强,李秀红.  2018. 北京地区Landsat8 OLI高空间分辨率气溶胶光学厚度反演. 遥感学报

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