论文题目: 针对HY-1A CCD的大气修正与水体组分反演
论文类型: 博士论文
论文专业: 物理海洋
作者: 孙凌
导师: 张杰
关键词: 一类水体,二类水体,大气修正,神经网络,组分反演,遗传算法
文献来源: 中国科学院研究生院（海洋研究所）
发表年度: 2005
论文摘要: 本文在国家高技术研究发展计划项目和HY-1A卫星应用项目的支撑下，面向HY-1A CCD进行海洋水色遥感应用的需求，开展了大气修正与水体组分浓度反演的研究。论文的工作包括： （1）在辐射传输模拟的基础上，针对HY-1A CCD建立了基于查找表技术的一类水体大气修正算法，可以由1～4波段的TOA反射率反演得到1～2波段的离水反射率等参量。其中，瑞利反射率可以用与角度和波长有关的傅立叶级数近似。气体吸收透过率可以用空气质量的三次多项式来近似其角度依赖性，与含量有关的水汽和臭氧透过率也可以用空气质量和气体含量的简单关系式来近似。将瑞利查找表和气体吸收透过率公式用于HY-1A CCD数据处理的总体效果良好。建立了散射透过率查找表，构造了τa（?）γ=ρmix/ρr和pas（?）ρA两类气溶胶查找表（考虑了吸收性气溶胶），并提出了4个针对一类水体的气溶胶修正算法。采用模拟数据的处理试验表明，基于τa（?）γ查找表的算法效果最好，该算法对模拟数据的处理结果很好。 （2）在辐射传输模拟的基础上，针对HY-1A CCD建立了基于神经网络技术的一类水体大气修正算法，可以由3、4波段的ρA和3个角度反演得到1、2波段的ρA、大气透过率和气溶胶光学厚度等参数。基于模拟数据的性能评估试验表明，网络模型的反演是成功的，且对添加±5％的随机噪声不太敏感，具有较高的“鲁棒性”。与基于查找表方法的算法相比，网络算法具有最高的R2和最低的RMSE，而且，在处理未参与网络模型和查找表建立的气溶胶数据时，网络算法的结果明显好于查找表算法，因此，可以认为网络算法具有更好的气溶胶内插能力。由于其同时具有高速处理的特点，采用网络算法进行一类水体大气修正处理也是一个不错的选择。 （3）在辐射传输模拟的基础上，针对HY-1A CCD建立了基于神经网络技术的二类水体大气修正算法，可以由1～4波段的经过瑞利和气体吸收修正的TOA反射率和3个角度反演得到1～4波段的离水反射率和气溶胶光学厚度等参数。基于模拟数据的性能评估试验表明，网络模型反演的总体效果良好，但相比于一类水体网络算法，二类水体网络算法对数据噪声较为敏感。针对HY-1A CCD数据的处理试验表明，除了在非常浑浊的水体，反演结果基本合理。 （4）针对HY-1A CCD，建立了基于遗传优化技术的三组分浓度反演算法，可以由1～4波段的R（0-）同时反演三组分浓度。模拟反演试验表明，应用HY-1A CCD同时反演三组分浓度的效果很好，其中，悬浮物的反演效果最佳，黄色物质其次，只是叶绿素在低浓度时较差。因此，HY-1A CCD可以用于二类水体组分反演，其在悬浮物反演方面的优势明显。引入±10％的数据偏差时，模型反演的悬浮物浓度最大平均相对误差不超过16％。 最后，就算法的完善提出了需进一步开展的研究工作。
论文目录:
第1章 引言
1．1 背景
1．2 大气修正算法简述
1．2．1 标准一类水体大气修正算法
1．2．2 标准大气修正算法面临的挑战
1．2．3 神经网络方法在大气修正中的应用
1．3 水体组分反演算法简述
1．4 本文的主要工作和内容安排
第2章 理论背景
2．1 离水辐射率模型
2．1．1 ρ_w与R(0~-)的关系模型
2．1．2 R(0~-)与IOP的关系模型
2．2 水体固有光学特性
2．2．1 吸收系数
2．2．1．1 纯海水
2．2．1．2 内生颗粒
2．2．1．3 外生颗粒
2．2．1．4 CDOM
2．2．2 散射系数
2．2．2．1 总散射系数
2．2．2．2 纯海水
2．2．2．3 悬浮颗粒
2．3 人工神经网络
2．3．1 网络结构
2．3．2 学习函数
2．3．3 传递函数
2．3．4 训练数据问题
第3章 基于查找表的一类水体大气修正
3．1 辐射传输
3．1．1 算法物理背景
3．1．2 辐射传输模拟
3．2 构造瑞利散射查找表
3．2．1 瑞利反射率模拟
3．2．2 模拟结果分析
3．2．2．1 大气类型的影响
3．2．2．2 观测几何的影响
3．2．2．3 波长的影响
3．2．2．4 波段平均效应的影响
3．2．3 瑞利反射率查找表
3．2．4 HY-1A CCD数据的处理结果
3．2．5 结论
3．3 气体吸收透过率拟合
3．3．1 气体吸收透过率模拟
3．3．2 模拟结果分析
3．3．2．1 不同种类气体吸收的比例
3．3．2．2 大气类型的影响
3．3．2．3 波长的影响
3．3．2．4 单程和双程透过率的关系
3．3．2．5 单种气体透过率与总透过率的关系
3．3．3 吸收透过率拟合
3．3．3．1 特定大气类型的透过率
3．3．3．2 水汽透过率与水汽含量的关系
3．3．3．3 臭氧透过率与臭氧含量的关系
3．3．4 瑞利反射率吸收修正处理结果
3．3．4．1 模拟数据处理结果
3．3．4．2 HY-1A CCD数据处理结果
3．3．5 结论
3．4 构造散射透过率查找表
3．4．1 散射透过率模拟
3．4．2 大气散射透过率查找表
3．5 气溶胶修正
3．5．1 方法1——基于τ_a(?)γ=ρ_(mix)／ρ_r查找表
3．5．1．1 数据模拟与分析
3．5．1．2 构造τ_a(?)γ=ρ_(mix)／ρ_r查找表
3．5．2 方法2——基于ρ_(as)(?)ρ_A查找表
3．5．2．1 数据模拟与分析
3．5．2．2 构造ρ_(as)(?)ρ_A查找表
3．5．3 基于模拟数据的气溶胶修正结果
3．5．3．1 针对查找表中包含的气溶胶模型的检验
3．5．3．2 针对查找表中不包含的气溶胶模型的检验
3．6 小结
第4章 基于神经网络的一类水体大气修正
4．1 建立模拟数据集
4．1．1 辐射传输模拟
4．1．2 数据集生成
4．2 建立一类水体大气修正网络
4．2．1 网络结构
4．2．2 网络训练方法
4．2．3 确定最佳网络
4．2．3．1 网络性能评估参数
4．2．3．2 网络输入数据的影响
4．2．3．3 确定合适的隐含层结构
4．2．3．4 气溶胶复杂性的影响
4．2．3．5 网络输出参量个数的影响
4．2．4 网络实现
4．3 一类水体大气修正网络性能评估
4．3．1 训练数据的反演效果
4．3．2 检验数据的反演效果
4．3．3 独立测试数据的反演效果
4．3．4 对输入数据误差的敏感性
4．3．5 与基于查找表的算法的比较
4．4 小结
第5章 基于神经网络的二类水体大气修正
5．1 建立模拟数据集
5．1．1 大气辐射传输模拟
5．1．2 离水辐射光谱模拟
5．1．3 数据集生成
5．2 建立二类水体大气修正网络
5．2．1 网络结构与训练
5．2．2 确定最佳网络
5．2．2．1 确定合适的隐含层结构
5．2．2．2 数据取样规模的影响
5．2．2．3 网络输出参量个数的影响
5．2．2．4 气溶胶复杂性的影响
5．2．3 网络实现
5．3 二类水体大气修正网络性能评估
5．3．1 模拟数据的反演效果
5．3．1．1 训练数据的反演效果
5．3．1．2 检验数据的反演效果
5．3．1．3 独立测试数据的效果
5．3．1．4 对输入数据误差的敏感性
5．3．2 卫星数据的反演效果
5．4 小结
第6章 遗传算法在HY-1A CCD水体组分反演中的应用
6．1 三组分海水光学模型
6．2 优化方法
6．3 试验与分析
6．3．1 数据模拟
6．3．2 遗传算法参数对反演结果的影响
6．3．3 目标函数对反演结果的影响
6．3．4 波段宽度对反演结果的影响
6．3．4．1 情形1
6．3．4．2 情形2
6．3．4．3 情形3
6．3．5 HY-1A CCD与SeaWiFS反演结果比较
6．3．6 优化反演模型对组分浓度范围的适用性
6．3．7 优化反演模型的误差敏感性
6．4 小结
第7章 结语
7．1 结论
7．2 进一步工作与展望
参考文献
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致谢
发布时间: 2005-04-18
参考文献
- [1].基于神经网络的二类水体大气修正与水色要素反演[D]. 丁静.中国海洋大学2004
- [2].二类水体吸收系数精确校正及其遥感反演研究[D]. 叶虎平.中国科学院大学(中国科学院遥感与数字地球研究所)2017
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