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中国区域MODIS与viirs气溶胶遥感产品的性能评估及其时空演变分析

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中国环境科学 2024年

作者：周志高何利杰钟洋王伦澈覃文敏湖北经济学院碳排放权交易省部共建协同创新中心湖南师范大学地理科学学院华中农业大学公共管理学院中国地质大学地理与信息工程学院

准确的气溶胶特征信息对于区域气候变化、生态环境乃至人体健康都具有重要的意义。然而，现今主流的气溶胶产品在中国区域的反演性能及其时空演变趋势仍不明晰。鉴于此，本研究拟基于气溶胶地基观测网络数据（AERONET），对MODIS与VIIR... 详细信息

准确的气溶胶特征信息对于区域气候变化、生态环境乃至人体健康都具有重要的意义。然而，现今主流的气溶胶产品在中国区域的反演性能及其时空演变趋势仍不明晰。鉴于此，本研究拟基于气溶胶地基观测网络数据（AERONET），对MODIS与viirs的六种气溶胶光学厚度（AOD）产品在反演精度、空间覆盖范围、空间分布特征、时间反演频率、以及对个例的极端天气事件的反演性能等方面进行评估，并从土地利用类型、气溶胶模态、季节变化等角度分析其误差来源。结果表明：①从与AERONET地基观测对比来看，MODIS AOD产品反演精度优于viirs AOD反演产品，其中以MAIAC AOD产品精度最高，其相关系数R值为0.83，落入期望误差（EE）内的比例达65.03%；②从空间覆盖范围以及时间反演频率来看，viirs AOD产品显著优于MODIS；③从对个例的极端天气事件反演性能来看，MODIS AOD产品对沙尘事件的反演性能优于viirs，但所有产品对森林火灾的反演性能还需进一步提升；④土地利用类型、气溶胶模态和季节变化对AOD产品反演精度有着显著的影响：六种AOD产品在建设用地的反演精度较高，在农用地的反演精度则较低；六种AOD产品对粗模态气溶胶以低估为主，而对细模态气溶胶则以高估为主；六种AOD产品在秋冬季节反演精度最高，夏季最低。预期研究成果可为多源气溶胶遥感产品的合理使用及其反演算法的改进提供科学指导。

关键词：气溶胶光学厚度 MODIS viirs AERONET 中国

Housing vacancy identification in shrinking cities based on multi-source data:A case study of Fushun city in Northeast China

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Journal of Geographical Sciences 2024年第1期34卷 89-111页

作者： SUN Hongri ZHOU Guolei LIU Yanjun FU Hui JIN Yu School of Geographical Sciences Northeast Normal UniversityChangchun 130024China Northeast Institute of Geography and Agroecology CASChangchun 130102China

Urban shrinkage has attracted the attention of many geographers and urban planners in recent years.However,there are fewer studies on vacant housing in shrinking cities.Therefore,this study combines multi-source remote sensing images and urban building data to assess the spatiotemporal variation patterns of housing vacancy in a typical shrinking city in China.The following points were obtained:(1)We developed an evaluation model to identify vacant residential buildings in shrinking cities by removing the contribution of nighttime lights from roads and non-residential buildings;(2)The residential building vacancy rate in Fushun city significantly increased from 2013 to 2020,resulting in a significant high-value clustering effect.The impact of urban shrinkage on vacant residential buildings was higher than that on vacant non-residential buildings;(3)The World Pop population data demonstrated consistent spatial distribution and trend of population change in Fushun with the residential building vacancy rate results,suggesting good reliability of the constructed evaluation model in this study.Identifying housing vacancies can help the local government to raise awareness of the housing vacancy problem in shrinking cities and to propose reasonable renewal strategies.

关键词： housing vacancy residential building vacancy urban shrinkage viirs

联合微光辅助红外遥感数据的夜间微小火点识别算法

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光学学报 2024年第8期44卷 282-295页

作者：刘慧何玉青胡秀清孙春丽北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室北京100081 中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心)北京100081 许健民气象卫星创新中心北京100081

基于美国国家极地操作环境(NPP)卫星可见光红外成像辐射仪(viirs)的红外和微光遥感数据开展夜间火点检测识别研究,并提出一种联合微光辅助红外遥感数据的夜间微小火点识别(FRJLI)算法。首先,采用viirs多天数据融合获得研究区的城市灯光... 详细信息

基于美国国家极地操作环境(NPP)卫星可见光红外成像辐射仪(viirs)的红外和微光遥感数据开展夜间火点检测识别研究,并提出一种联合微光辅助红外遥感数据的夜间微小火点识别(FRJLI)算法。首先,采用viirs多天数据融合获得研究区的城市灯光背景图,为火点检测消除城市灯光影响;然后,在传统红外通道火点识别算法的基础上,联合微光通道的火点阈值调试,通过多通道阈值判别、绝对火点识别和上下文判别得到最终的识别结果。以韩国2022年3月4—13日森林火灾和蒙古国2022年4月18—19日草原火灾案例进行实验,根据夜间假彩图和植被指数验证了FRJLI算法识别火点的正确性,分析每天识别火点的亮温和辐射值关系,得出红外与微光数据的相关性及敏感性差异,FRJLI算法较NASA官方火点产品或其他火点算法结果具有更高的识别质量,特别是提高了微小火点的识别率,为更高效准确地识别火点提供了技术支持。针对森林和草原火点的识别效果表明,该算法适用性更广。

关键词：遥感 viirs 微光红外波段夜间火点识别联合识别

耦合温度特征的工业热源ANN遥感识别与时空演化分析

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遥感学报 2024年第4期28卷 956-968页

作者：张钦挺邹滨刘宁马绪瀛李沈鑫李梦涛中南大学地球科学与信息物理学院长沙410083 西安科技大学测绘学院西安710054

准确识别工业热源是中国大气污染防治的重要前提,然而因热源特征不明、类型判定不准等问题,工业热源遥感监测目前难以大范围推广应用。本文对此提出了一种耦合温度特征的工业热源人工神经网络遥感分类精准识别方法。该方法首先基于DBSCA... 详细信息

准确识别工业热源是中国大气污染防治的重要前提,然而因热源特征不明、类型判定不准等问题,工业热源遥感监测目前难以大范围推广应用。本文对此提出了一种耦合温度特征的工业热源人工神经网络遥感分类精准识别方法。该方法首先基于DBSCAN聚类算法和土地利用类型从Suomi-NPP viirs Nightfire数据中识别全部类型工业热源;其次利用频率统计方法分类建立工业热源温度特征模板;最后构建人工神经网络模型判别工业热源类型并由此分析了中国近年工业热源的时空动态演化特征。结果表明:(1)煤炭加工业、金属冶炼及压延加工业、水泥、石灰和石膏制造业、精炼石油产品制造业4类工业热源各级温度频率与分布形态、主次峰峰值均呈现明显类间差异,主峰温度分别为795 K、830 K、760 K、1725 K。(2)温度特征模板增强下的人工神经网络方法工业热源分类识别效果好,模型训练集与验证分类识别精度分别为99%和87.86%。(3)中国工业热源时空分布呈现出“地域集中”与“波动下降”双特征。工业热源空间上主要集中分布在北方地区,数量占比高达85.4%。煤炭加工业、金属冶炼及压延加工业、精炼石油产品制造业和水泥、石灰和石膏制造业的主要分布地分别为山西、河北、新疆以及安徽;以2015年和2018年为拐点,2013年—2020年4类工业热源在整体表现出先降后升再降的波动变化趋势。本研究提出的工业热源遥感识别方法可为基于卫星手段的大气工业污染源遥感监测提供技术支撑。

关键词：工业热源温度特征模板人工神经网络 viirs 大气遥感

An analysis of air pollution associated with the 2023 sand and dust storms over China:Aerosol properties and PM_(10) variability

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Geoscience Frontiers 2024年第2期15卷 155-168页

作者： Mikalai Filonchyk Michael P.Peterson Lifeng Zhang Haowen Yan Faculty of Geomatics Lanzhou Jiaotong UniversityLanzhou 730070China Gansu Provincial Engineering Laboratory for National Geographic State Monitoring Lanzhou 730070China Department of Geography/Geology University of Nebraska OmahaOmahaNE 68182USA

Every spring,a large part of China is confronted with sand and dust storms(SDS)–mainly originating in the Gobi(including Chinese and Mongolian Gobi)and Taklamakan deserts.In March-April 2023,most of northern,northwestern and northeastern China was struck by three sandstorms that affected an area with more than 500 million people.In this study,aerosol optical,microphysical and radiative properties were studied during these SDS events using an integrated approach that combines satellite,terrestrial and re-analysis data.The results showed that dusty conditions were observed in most areas north of the Yangtze River(Chang Jiang)with daily average PM_(10)concentrations exceeding 1000 lg/m^(3) in many cities.viirs aerosol optical depth(AOD)at 550 nm during three SDS events exceeded a value of 1 throughout nearly the entire northern part of the country.The AERONET data obtained from the AOE_Baotou site showed a significant increase in total AOD and a corresponding decrease in AE during the SDS.The single scattering albedo(SSA),asymmetry parameter(ASY),real refractive index(RRI)and imaginary refractive index(IRI)values indicate an abundance of scattering coarse-mode particles.Aerosol radiative forcing(ARF)at top of the atmosphere and at the earth’s surface was nearly always negative during the period and ranged from48.5 to+2.7 Wm^(-2)and from180.8 to66.6 Wm^(-2),resulting in high positive ARF values at ATM(from+63.8 to+132.3 Wm^(-2)).Each of these affects the heating of the atmosphere and cooling on the earth’s surface.The atmospheric heating rates ranged from 1.8 to 3.7 K day1.The formation of these SDS mainly resulted from the passage of cold fronts associated with low pressure systems in the Gobi and Taklamakan deserts,creating conditions for dust to rise into the atmosphere and move further downwind.

关键词： Dust storm PM_(10) Aerosol optical depth Radiative forcing viirs AERONET

联合微光辅助红外的夜间微小火点识别算法研究

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光学学报 2024年

作者：刘慧何玉青胡秀清孙春丽许健民气象卫星创新中心中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心) 北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室

常规夜间火点探测一般均采用红外亮温数据，存在准确度受限和微小火点漏判等问题。而微光探测器可以在低照度或夜间条件下获取亮目标优势，其观测数据是对夜间火点识别的有效补充。本文基于美国国家极地操作环境卫星(NPP)可见光红外成... 详细信息

常规夜间火点探测一般均采用红外亮温数据，存在准确度受限和微小火点漏判等问题。而微光探测器可以在低照度或夜间条件下获取亮目标优势，其观测数据是对夜间火点识别的有效补充。本文基于美国国家极地操作环境卫星(NPP)可见光红外成像辐射仪(viirs)的红外和微光数据开展夜间火点识别研究并提出了FRJLI算法。首先采用viirs多天数据融合获得研究区的城市灯光背景图，为火点检测消除城市灯光影响；然后在传统红外通道火点识别算法基础上，联合微光通道的火点阈值调试，最后通过多通道阈值判别、绝对火点识别和上下文判别得到最终的识别结果。以韩国2022年3月4日-3月13日森林火点和蒙古国4月18日-4月19日草原火点案例进行实验，根据夜间假彩图和植被指数验证了识别火点的正确性，分析每天识别火点的亮温和辐射值关系得出了红外与微光数据的相关性及敏感性差异，FRJLI算法较NASA官方火点产品或其他火点算法结果具有更高的识别质量，特别是提高了微小火点的识别率，为更高效准确的识别火点提供了技术支持，针对森林和草原火点的识别效果表明：该算法适用性更广。

关键词： viirs 微光红外夜间火点识别联合识别

基于集合卡尔曼滤波的帽儿山森林多源LAI产品重建及融合校正方法

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浙江农林大学学报 2024年第4期41卷 841-849页

作者：包塔娜范文义东北林业大学林学院东北林业大学森林生态系统可持续经营教育部重点实验室

【目的】现有叶面积指数(LAI)产品大多存在分辨率低、数据异常和精度低等问题，难以满足某些应用需求。因此，本研究提出一种多源LAI数据的融合方法，以减少不同来源数据的差异并提高产品精度。【方法】以帽儿山实验林场的阔叶林和针叶... 详细信息

【目的】现有叶面积指数(LAI)产品大多存在分辨率低、数据异常和精度低等问题，难以满足某些应用需求。因此，本研究提出一种多源LAI数据的融合方法，以减少不同来源数据的差异并提高产品精度。【方法】以帽儿山实验林场的阔叶林和针叶林区域为研究区，基于2017年的MODIS、viirs和PROBA-V的LAI产品，利用多年LAI数据作为先验知识建立LAI背景库修正低质量数据，对3种LAI数据集进行混合像元分解的降尺度处理，基于Sentinel-2反射率产品耦合集合卡尔曼滤波(EnKF)算法、LAI动态模型和辐射传输模型进行数据同化，最后对同化后的3种LAI数据进行赋权融合，使用实测数据进行精度评价。【结果】在阔叶林，同化后的MODIS、viirs和PROBA-V LAI与实测数据的相关系数分别为0.59、0.56和0.62，比原始数据提升了0.57、0.52和0.57；均方根误差分别为0.37、0.31和0.14，比原始数据减小了1.23、1.69和1.06。在针叶林，同化后的MODIS、viirs和PROBA-V LAI与实测数据的相关系数分别为0.59、0.49和0.56，比原始数据提升了0.52、0.30和0.40；均方根误差分别为0.24、0.28和0.19，比原始数据减小了1.22、0.67和1.35。通过融合方法，阔叶林LAI和针叶林LAI的相关系数分别为0.83和0.76，比同化后数据的相关性更高；均方根误差分别为0.15和0.13，比同化后数据的误差更小。【结论】通过数据同化提升了3种LAI产品精度，融合后LAI较同化后单一LAI具有更高的精度和可靠性。图4表2参30

关键词：叶面积指数(LAI) MODIS viirs PROBA-V 重建集合卡尔曼滤波(EnKF) 数据融合

基于viirs火点数据和FARSITE系统的森林火灾蔓延模拟

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遥感学报 2022年第8期26卷 1575-1588页

作者：徐奔奔王炜烨陈良富陶金花纪轩禹张成杰范萌中国科学院空天信息创新研究院遥感科学国家重点实验室北京100101 黑龙江省应急救援保障中心黑龙江省应急管理厅黑龙江哈尔滨150001 江苏省环境监测中心江苏南京210019 黑龙江省森林消防总队黑龙江哈尔滨150000

针对森林火灾模型模拟、预测火灾蔓延结果精度随时间增加而降低的问题,提出了使用卫星遥感火监测数据重初始化火灾模型降低模拟结果误差的方法。使用FARSITE(Fire Area Simulator)火灾模拟系统模拟内蒙古自治区一场森林火灾,并使用375 m... 详细信息

针对森林火灾模型模拟、预测火灾蔓延结果精度随时间增加而降低的问题,提出了使用卫星遥感火监测数据重初始化火灾模型降低模拟结果误差的方法。使用FARSITE(Fire Area Simulator)火灾模拟系统模拟内蒙古自治区一场森林火灾,并使用375 m的viirs(Visible infrared Imaging Radiometer Suite)火监测数据对FARSITE重初始化,探究该方法在中国林火蔓延模拟中的应用。使用SC(S?rensen’s Coefficient)值,辅以多源卫星遥感数据,评估该方法模拟结果精度。结果显示,各模拟过程中,模拟结果精度均随模拟时间的增加而降低,重初始化的模拟结果与实际过火区一致性更高,viirs重初始化模拟结果SC值最高提高56.89%,最终SC值提高了45.45%;最终模拟结果的SC值从最初的54.14%经过viirs火点修正后提高到78.76%;模拟过程中的viirs火点重初始化的模拟结果SC值最高为87.8%。使用viirs火监测数据重初始化FARSITE火灾模拟系统,将火灾分为多次进行模拟,缩短模拟时间,有效控制模拟误差的传递,提高了森林火灾蔓延模拟的精度,这种方法提高了火灾模型在大规模、长时间森林火灾应用中的可靠性。

关键词：遥感森林火灾林火蔓延 viirs FARSITE 火行为模拟

顾及邻近关系的NPP/viirs序列影像时空插值方法

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武汉大学学报（信息科学版） 2022年第2期47卷 252-260页

作者：程钢李岩林赵宗泽杨杰卢小平原东方河南理工大学测绘与国土信息工程学院河南焦作454000 河南理工大学自然资源部矿山时空信息与生态修复重点实验室河南焦作454000 武汉大学测绘学院湖北武汉430079

针对可见红外成像辐射仪(visible infrared imaging radiometer suite,viirs)月度夜光遥感影像的数据缺失问题,提出一种利用地物邻近关系相关性的像元时空插值方法,以时、空关系互相作为约束条件,将时序变化一致性较好的像元数据作为空... 详细信息

针对可见红外成像辐射仪(visible infrared imaging radiometer suite,viirs)月度夜光遥感影像的数据缺失问题,提出一种利用地物邻近关系相关性的像元时空插值方法,以时、空关系互相作为约束条件,将时序变化一致性较好的像元数据作为空间插值的参考,将空间关系一致性较好的月度数据作为时序插值的参考,通过构建不同的卷积核,在时序和空间维度分别对初步插值结果进行卷积运算,求得待插值像元的时空插值。以2015年江苏省月度夜光遥感影像修复为例,对不同维度时空插值方法进行对比分析,结果表明,空间维度插值虽然顾及到像元的空间关联性,仍无法满足数据大范围缺失的插值要求,插值结果整体偏低;时间维度插值考虑到像元的时间趋势性,插值精度较空间维度插值有一定提高,但部分月份插值结果有较大偏差;相对于三次Hermit插值,时空插值方法获得的月度影像灯光亮度总和的最大相对误差、年度影像灯光亮度总和相对误差以及逐像元差值均显著降低。总的来看,所提时空插值方法在插值过程中同时顾及到viirs数据的时间趋势平稳性和空间结构稳定性,影像插值精度提高明显,且对待插值月份前后时序数据没有严格要求,更具有广泛性。

关键词：夜光遥感 viirs 卷积运算时空插值影像修复邻近关系