[发明专利]一种星载超光谱成像仪气体探测条带效应修正方法

说明书

本发明公开了一种星载超光谱成像仪气体探测条带效应修正方法。首先基于光照几何参数进行气体产品的大气传输光程校正；随后使用气体反演中均方根残差作为气体数据质量筛选判据，消除云饱和、光照过弱等因素导致的无效数据；再利用主成分分析算法实现对多轨数据气体浓度系统性条带效应结构的提取，用于条带效应修正。使用本发明条带效应修正方法，可以在准确的保留气体区域分布细节的同时，有效去除条带效应，解决了星载超光谱成像光谱仪在大气探测中的固有非均匀性问题，也有助于条带效应修正算法的自动业务化实现，实现星载超光谱成像光谱仪长寿命在轨期间的条带效应定期自动修正，最终实现高质量NOsubgt;2/subgt;、SO2、O3、HCHO、BrO、OClO等多种大气痕量气体成分的遥感探测。

技术领域

本发明属于大气污染卫星遥感监测数据处理领域，具体涉及一种星载超光谱成像仪气体探测条带效应修正方法。

背景技术

卫星遥感技术以其独特的全球覆盖、快速、多光谱、大信息量的特点在大气环境监测领域占有无可比拟的优势。目前，国内外已经有多颗星载超光谱成像仪在轨运行，用于地球大气遥感，如欧洲的OMI、TROPOMI，中国的大气痕量气体差分吸收光谱仪(EMI)等。这些载荷设计视场大，面阵推扫工作方式工作，一天完成全球覆盖。光谱范围宽，覆盖紫外可见波段，光谱分辨率通常优于0.5nm。载荷通过探测地球大气或地球表面反射、散射的紫外/可见光辐射来解析痕量污染气体成分分布和变化。利用光谱数据，基于差分吸收光谱算法等手段，用户实现O₃、NO₂等气体的遥感定量反演。

星载超光谱成像仪应用过程中，由于仪器本身非均匀性的存在，导致了最终气体产品出现了系统性条带效应。以大气痕量气体差分吸收光谱仪(EMI)为例，在采用差分吸收光谱算法，反演NO₂、O₃、HCHO等气体产品过程中，均发现气体柱浓度呈现出异常的条带效应，在穿轨方向柱浓度存在系统性固定偏差，偏差的大小和位置基本固定。如图1给出了一轨观测的NO₂斜柱浓度分布。可以看出伴随着升轨飞行轨迹，在横向穿轨方向分布着大小不一的竖线。考虑大气分布实际特质，这些条带是不应该存在。如果不加处理，会干扰真实气体浓度信息。

对于条带效应，目前现有的校正手段是基于洁净区域气体浓度均一的特点，通过统计学方法，分析条带偏差的大小进行校正。存在的问题是，统计过程中原始数据受云、光照、污染源排放干扰，需要人工挑选洁净区域的高质量数据进行统计，费时费力，难以实现业务化。考虑到星载仪器在轨寿命通常长于10年，由于仪器衰退，条带效应的校正系数也在持续变化，有必要开发一种新的气体探测条带效应修正方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种星载超光谱成像仪气体探测条带效应修正方法，来消除条带效应对真实大气信息的干扰，获得高精度气体浓度数据产品，并实现业务化校正。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种星载超光谱成像仪气体探测条带效应修正方法，利用基于光照几何参数进行气体产品的大气传输光程校正；随后使用气体反演中均方根残差作为气体数据质量筛选判据，消除云饱和、光照过弱等因素导致的无效数据；再利用主成分分析算法实现对多轨数据气体浓度系统性条带效应结构的提取，用于后续条带效应修正。如图2描述了条带效应修正流程。具体实现方法如下：

步骤1、对气体产品反演过程中的斜柱浓度进行大气传输光程校正。气体产品的生产过程包括斜柱浓度反演、垂直柱浓度转化。其中垂直柱浓度同观测几何角度无关，而斜柱浓度代表光线传输路径内气体积分浓度，二者转化需要借助辐射传输模型。为避免繁琐耗时的辐射传输模型计算过程，考虑到条带效应产生于斜柱浓度反演阶段，因此选择斜柱浓度数据进行后续分析。如图3所示，可以采用简化几何模型消除斜柱浓度同天顶角、方位角的相关性。将一轨斜柱浓度按照如下形式进行组织：