【摘要】：遙感衛(wèi)星臭氧產品對于監(jiān)測大氣臭氧的時空分布及變化規(guī)律有著十分重要的作用。但是由于軌道幅寬限制和傳感器異常等因素影響,現(xiàn)有的大氣臭氧總量產品中經(jīng)常出現(xiàn)大量信息丟失的現(xiàn)象,使得遙感時間序列臭氧總量產品呈現(xiàn)時間不連續(xù)、空間不完整的狀態(tài),嚴重影響了其后續(xù)應用與分析。搭載于Aura衛(wèi)星上的臭氧監(jiān)測儀器提供的臭氧總量產品 OMTO3e(ozone monitoring total ozone level 3 expanded),自 2006年末開始出現(xiàn)信息缺失問題,每個數(shù)據(jù)的缺失區(qū)域占到三分之一甚至更多,嚴重阻礙了該產品的正常使用。Earth Probe衛(wèi)星上搭載的TOMS傳感器反演的臭氧總量產品TOMSM3L3,在赤道位置處存在條帶狀缺失。這主要是由于衛(wèi)星的軌道高度較低,導致軌道的空間覆蓋面積不夠,從而在赤道附近出現(xiàn)了條帶狀的缺失現(xiàn)象。因此,針對衛(wèi)星臭氧產品普遍存在的信息缺失現(xiàn)象,發(fā)展一套可行高效的重建技術,進而生成一套高精度、長時序、連續(xù)的時空覆蓋全球臭氧產品具有重要意義。本文主要工作總結為以下幾方面:(1)針對全球衛(wèi)星臭氧總量產品在赤道附近普遍存在的條帶狀缺失現(xiàn)象,以重建缺失信息,生成長時序、高精度的臭氧總量數(shù)據(jù)集為主線,介紹了幾種遙感影像缺失信息重建基礎方法以及歸納總結了它們在實際應用中的不足。(2)提出基于時空加權回歸的重建方法,該方法針對OMI傳感器反演的三級臭氧總量數(shù)據(jù)OMTO3e的數(shù)據(jù)缺失情況進行信息重建,研究區(qū)域是包括中國大陸在內的矩形區(qū)域。為了保證臭氧總量數(shù)據(jù)的時空自相關性和非平穩(wěn)性,利用局部時空加權回歸方法,建立目標數(shù)據(jù)與多時相輔助數(shù)據(jù)的時空關系模型,實現(xiàn)研究區(qū)域內衛(wèi)星臭氧總量產品時空無縫。該方法采用逐像元的策略對缺失像元進行缺失重建,首先將目標數(shù)據(jù)前一天和后一天的數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù),然后建立輔助數(shù)據(jù)與目標數(shù)據(jù)在目標像元位置處的線性回歸關系,通過選取合適的參考像元,求得回歸關系的方程系數(shù)。最后通過加權求和得到目標像元的預測值。經(jīng)過模擬實驗證明,相對于傳統(tǒng)方法,該方法具有更高的修復精度。(3)提出顧及臭氧異質性分布特征的殘差校正方法,該方法是在基于時空加權回歸重建方法的基礎上,顧及臭氧總量在沿緯度和經(jīng)度方向具有不同變化率的特點,建立殘差校正模型,對上述時空重建方法的預測值進行校正。研究對象是全球范圍的OMTO3e數(shù)據(jù),主要思想是首先利用基于時空加權回歸重建方法對全球區(qū)域的臭氧總量缺失進行信息重建;然后將時空重建模型應用到目標像元的參考像元上,并求取各個參考像元的預測殘差值;接著通過建立參考像元殘差的各向異性變差函數(shù),利用克里金插值法來估計目標像元的預測殘差。模擬實驗和真實實驗的結果表明該方法能夠重建出全球覆蓋、高精度、時空連續(xù)的臭氧總量數(shù)據(jù)。在此基礎上,生成了一套2004年～2014年每日的、時空連續(xù)的全球臭氧總量產品。(4)提出基于多傳感器的長時序臭氧產品重建與校正方法,由于監(jiān)測臭氧總量的時空變化趨勢往往需要長時序的臭氧數(shù)據(jù)作為支撐,單個衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù)通常具有一定的時間局限性,聯(lián)合多個傳感器的臭氧總量數(shù)據(jù)是一條有效的途徑。但是,不同傳感器由于觀測方式以及反演算法不同,造成了不同傳感器反演的臭氧總量產品之間存在相對差異。而衛(wèi)星光學臭氧反演過程中,通常使用標準有效臭氧溫度計算得到臭氧吸收系數(shù),使得臭氧吸收系數(shù)不具地域性和季節(jié)性。忽略臭氧吸收系數(shù)對于溫度的響應關系,導致最終反演的臭氧總量存在較大誤差。本研究嘗試建立多傳感器臭氧數(shù)據(jù)的歸一化模型,利用M估計求解模型系數(shù)保證模型的穩(wěn)健性,以消除不同傳感器之間的相對誤差;并且顧及臭氧光學反演中臭氧吸收系數(shù)對溫度的依賴關系,引入有效臭氧溫度數(shù)據(jù),利用廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(GRNN)構建校正模型,從而提升衛(wèi)星臭氧數(shù)據(jù)的反演精度。實驗證明,M估計穩(wěn)健回歸方法大大削弱了離群點對回歸系數(shù)的影響,克服了傳統(tǒng)最小二乘法對異常數(shù)據(jù)敏感及評估精度低的缺點。使用十字交叉法驗證GRNN模型,結果表明衛(wèi)星臭氧總量數(shù)據(jù)的反演精度有了較大的提升。
【學位授予單位】：武漢大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：P407
【圖文】：

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本文編號：2792977