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中国科学院遥感应用研究所博士学位论文气溶胶多尺度定量遥感监测及其翻格计算研究 摘要 卫星遥感气溶胶光学厚度具有重要意义。一方面，气溶胶光学厚度是遥感的 定量化的基础。另一方面，基于气溶胶光学厚度的知识可以直接确定大气气溶胶 的直接辐射强迫作用，通过气溶胶和云的相互作用确定气溶胶间接影响。气溶胶 光学厚度也是大气污染的量化指示因子。本文以研究气溶胶卫星遥感反演方法为 中心，在总结了气溶胶卫星遥感反演方法的基础上，以m o d i s 数据和a s t e r 数据为基础，展开了不同空间分辨率气溶胶反演方法的研究工作，具体研究内容 包括： 1 ) 在前期的工作基础上，作者提出改进的s y n t a m 模型s y n t a m i i ，该 模型充分考虑了大气水汽的吸收和臭氧、混合气体的吸收作用，使模型更加完善， 模型反演的结果更加准确。此外，针对暗目标，作者提出新的气溶胶反演方法。 与现有的m o d i s 产品算法不同的是，作者提出的方法无需事先假定气溶胶类型。 2 ) 以a s t e r 数据为基础，探讨高空间分辨率陆地气溶胶光学厚度的遥感反演 方法。从最基本的假设入手，由浅入深，逐步建立基于a s t e r 第3 波段的气溶 胶光学厚度反演模型，该模型基于影像自身的信息，实现地表反射率和气溶胶光 学厚度的综合反演。同时对于模型同化做了初步探索，将模型反演的结果应用于 城市大气污染的模拟，为城市大气环境质量控制提供决策支持。 3 ) 为实现气溶胶遥感反演网格服务，开发自适应气溶胶光学厚度反演网格中间 件。该中间件通过适当的自我描述自动对自身行为进行检查和调节，提供任务提 交接口、任务管理和监控接口。 4 ) 针对网格的异构性特点，考虑各个计算资源的主频和处理器数目的差异，提 出气溶胶反演任务优化方法。根据网格环境中各计算资源的当前负载情况和处理 器主频的差异，进行计算任务的不均衡分配，实现了计算资源负载平衡。 5 ) 在开发的中间件基础上，采用优化的任务分配技术，利用遥感信息网格处理 节点，反演气溶胶光学厚度。 关键词： 遥感定量反演，气溶胶光学厚度，m o d i s ，a s t e r ，网格计算，中间件 摘要( a b 盛r a c t ) m u l t i s p a t i a ls c a l ea e r o s o l d i s t r i b u t i o nm o n i t o r i n gu s i n gr e m o t e s e n s i n gt e c h n i q u e b a s e do ng r i dp l a t f o r m a b s t r a c t a t m o s p h e r i ca e r o s o lp a r t i c l e sp l a y ac o m p l e xr o l ei no p t i c a lr e m o t es e n s i n g t h e i ra b s o r p t i o na n dd i f f u s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa l t e rt h er a d i a t i o nr e a c h i n gt h es e n s o r a t m o s p h e r i ca e r o s o lo p t i c a td e p f f ji s a ni n d i c a t o ro fa i rp o ll u t i o n a e r o s o lr e t r i e v a ! u s i n gr e m o t e l ys e n s e dd a d ao v e rl a n dr e m a i n sad i f f i c u l tt a s kb e c a u s et h es o l a rl i g h t r e f l e c t e db yt h ee a r t h a t m o s p h e r i cs y s t e mm a i n l yc o m e sf r o mg r o u n ds u r f a c e by u s i n gm o d i sd a t aa n da s t e r ，w es t u d yt h em e t h o d so fm u l t i s p a t i a ls c a l ea e r o s o l d i s t r i b u t i o nm o n i t o r i n gf o rb e i j i n ga r e a o nt h eb a s i so ft h es y n t a mm o d e l ，w ep r o p o s e dt h ea d v a n c es y n t a mm o d e l s y n t a m i is y n t a m i im o d e lc o n s i d e r st h ea t m o s p h e r ea b s o r p t i o n ，i n c l u d i n g o z o n ea b s o r p t i o n ，m i x - a i ra b s o r p t i o na n dw a t e rv a p o ra b s o r p t i o nc o m p a r i s o nt ot h e a e r o n e t2 0d a t a ，t h ed e r i v e da e r o s o lo p t i c a ld e p t hb ys y n t a m i im o d e li sm o r e a c c u r a c ct h a ns y n i a mm o d e l b yu s i n gm o d i sd a t a at l e wd a r kt a r g e ta l g o r i t h mi s p r o p o s e d h ea l g o r i t h md o e s n tn e e da s s l ；m et h ea e r o s o lt y p e i ts h o w e de x c e l l e n t c o m p e t e n c ea t t h ea e r o s o ld i s t r i b u t i o na n da e r o s o lp r o p e r t i e sr e t r i e v a l ，w h i c hi s ， h o w e v e r , r e s t r i c t e d l yu s e df o rt o w e rr e f i e c t a n c eg r o u n ds u r f a c e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fa s t e rd a t a ，w ep r o p o s e dt h ea e r o s o lo p t i c a l r e t r i e v a lm e t h o d sf o rh i g hs p a t i a lr e s o l u t i o nr e m o t es e n s i n gd a t a t h em e t h o d s m a r k e dw i t h a s y n t a m ”b ya s ny7 f a m ，s u r f a c er e f l e c t a n c ea n da e r o s o lo p t i c a l t h i c k n e s sc a r lb es i m u l t a n e o u s l yr e t r i e v e do v e rv a r i o u sg r o u n dz y p e si n c l u d i n gh i g h e r r e f l e c t i v es u r f a c es u c ha su r b a na t e a t h ep r e l i m i n a r ya e r o s o lr e t r i e v a l su s i n ga s t e r d a t ab ya s y n t a ma r ec a r r i e do n lc y e rb e i j i n gc 畸p r e l i m i n a r yv a e d a t i o nr e s u l t c o m p a r i n gw i t ha e r o n e td a t a s h o w sg o o da c c u r a c ya n dp r o m i s i n gp o t e n t i a l ， f u r t h e rv a l i d a t i o n sw o r ki so n g o i n g + w eh a v ed e v e l o p e dag r i d b a s e dr e m o t es e n s i n gd a t ap r o c e s s i n gs y s t e mf o r a e r o s o lr e m o t es e n s i n g ，i nt h es y s t e m ：t h ee n du s e r ss u b m i tt h e i ra p p l i c a t i o n r e q u i r e m e n t st ot h eg r i dr e s o u r c eb r o k e rw h i c ht h e nd i s c o v e r ss u i t a b l er e s o u r c e sb y f 1 中国科学院遥感应用舻寅所博_ _ = 肇位论文气溶腔多尺度定量遥感j 盘测及其网格计算研究 q u e r y i n gt h ei n f o r m a t i o ms e r v i c e s ，s c h e d u l e st h ea p p l i c a t i o nj o b sf o re x e e u t i o no n t h e s er e s o u r c e sa n dt h e nm o n i t o r st h e i rp r o c e s s i n gu n t i lt h e ya r ec o m p l e t e d ，s o f f w 盯e t o o l sa n ds e r v i c e sp r o v i d i n gc a p a b i l i t i e st ol i n kc o m p u t i n gc a p a b i l i t ya n dd a t as o , t e e s i no r d e rt os u p p o r td i s t r i b u t e da n a l y s i sa n dc o t l a b o r a t i o na r ec o l l e c t i v e l yk n o w na s g r i dm i d d l e w a r e i nt h eg r i d b a s e dr e m o t es e n s i n gd a t ap r o c e s s i n gs y s t e mf o ra e r o s o l r e m o t es e n s i n g ，t h es e l f - a d a p t i v ea e r o s o lr e t r io v a lm i d d l e w a r ei sd e v e l o p e da n d u p # t e d a n dt h eo p t i m i z e dt a s kd i s t r i b u t i o ns l r a t e g yi su s e dt ob a l a n c et h el o a d k e y w o r d s ：q u a n t i t a t i v er e t r i e v a l ，a e r o s o lo p t i c a lt h i e k n e s s ，m o d i s ，a s t e r t g r i dc o m p u t i n g ，m i d d l e w a r e i i i 中国科学院遥感应用研究所 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不舍任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 敝作者签名而”噼嗍一“ 月诳 学位论文使用授权说明 本人完全了解中国科学院遥感应用研究所关于收集、保存、使用学位论文 的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 研究所有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 研究所可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，研究所可以公布论文的部分或全部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) ( 注：此声明及说明请提交研究生部) 做作者签名碣 臣期；谚d b 年y 中国科学院遥感应用研究所博 ：学位论文气溶胶多尺度定量遥感监测及其其唰嗣格计算 i j f 究 1 引言 1 1 选题的目的和意义 包围着地球的大气层除含有氮气、氧气、氩、二氧化碳等气体成分外，还含 有悬浮的尘埃、液滴、冰晶等固体和液体微粒，这些微粒统称为气溶胶。气溶胶 的严格含意是指悬浮在气体中的固体和( 或) 液体微粒与气体载体共同组成的多 相体系( 王明星等，2 0 0 1 ) 。相应的，大气气溶胶是大气与悬浮在其中的固体 和液体微粒共同组成的多相体系，是指悬浮在地球大气中的具有一定稳定性的， 沉降速度小的，尺度范围在o 0 0 1 微米到几十微米之间的分子团、液态或固态粒 子所组成的混合物( 章澄昌等，1 9 9 5 ) 。 气溶胶光学厚度是一个能够表示气溶胶总含量的参数，可以体现大气的混浊 程度，它能够反映大气污染的程度。气溶胶光学厚度是气溶胶辐射特性的主要指 示器( l a c i se ta 1 ，1 9 9 2 ) ，一般通过太阳光度计测量。气溶胶光学厚度是波长的函 数，气溶胶光学厚度随波长变化的特点反映了气溶胶的特性。 陆地气溶胶粒子主要来源于工业活动、生物燃烧等人为源以及沙尘、近海海 洋粒子等自然源。尽管气溶胶只是地球大气成分中含量很少的组分，但由于其在 许多大气过程中的重要作用而日益受到重视。 大气气溶胶通过以下几个方而来影响地球的辐射平衡：散射和吸收太阳辐 射、吸收和散发红外辐射( 直接效应) ；与水态云相互作用以改变其散射特性；对 云的覆盖率和生存周期产生影响( a c k e 玎n a ne ta 1 ，2 0 0 0 ) ( 间接效应 。 气溶胶的气候效应，是人类活动造成全球气候变化研究中的一个十分重要的 课题。研究表明，大气气溶胶不仅影响地球表层系统的辐射收支平衡，而且通过 对太阳短波辐射的散射调节地气系统的反射率从而导致地气系统的降温过程，通 过对太阳辐射的吸收作用导致升温过程( h a y w o o da n ds h i n e ，1 9 9 7 ) ；通过对云 的形成微物理过程的影响，可以改变云的微物理性质( r o s e n f e l d ，2 0 0 0 ) ；对大气 化学过程以及生物地球化学循环也起着重要的作用。上述作用往往表现为对气候 变化的直接强迫和f 町接强迫。 由于气溶胶的组成成分、粒子形状、尺度谱以及其数密度的不同，对太阳辐 第一章引言 射的吸收散射作用也有所不同。因此气溶胶辐射强迫模型的不确定性被认为是影 响气候模型不确定性的最大因素之一( h a n s e n ，1 9 9 0 ) 。 气溶胶的不确定性也是遥感大气纠i f 面临的主要困难。只有得到与像元尺度 相当的大气溶胶性质参数，才能进行逐像元的大气效应纠正，实现完全意义上的 定量遥感分析与反演( 徐希孺2 0 0 5 ) 。因而大气气溶胶主要特征参数反演是定 量遥感首要解决前提。 随着坷：境污染问题的发展，人们己认识到大气气溶胶自身的污染特性与其物 理化学性质以及在大气中的非均相化学反应有着密切的关系。气溶胶还与其他环 境问题密切相关，对人体和其他生物的生理健康也有其特有的影响。大气气溶胶 己成为国际学术界的研究热点之一。 我国当前环境污染物排放总量不断增加，污染范围继续扩大，掌握大气质量 现状与变化趋势对环境防治与经济可持续发展具有重要作用：近年来，北京地区 城市空气质量由于城市交通污染、市政建设、周边地区工业气体排放和自然界生 态环境的严重破坏等人为影响，空气污染严重。监测城市大气环境质量，减少污 染源的影响，加强对大气质量和环境的监测分析愈来愈受到政府和人们的关注， 尤其是北京申办奥运会成功，以“绿色奥运”理念为重要基础的2 0 0 8 年北京奥 运会，对于北京城市及其属边地区的大气环境监测和空气质量控制提出了越来越 高的要求( 李晓静等，2 0 0 3 ) 。 遥感具有多层次、多时相、多功能特点，因而利用遥感技术可以研究北京市 多种空间尺度的大气气溶胶分布，这对于北京市大气环境控制治理具有重要意 义。目前利用卫星资料遥感城市地区气溶液光学厚度的分布日益受至l 关注。城市 气溶胶对城市边界屡的能量收支具有最著影响。以往受技术、经济等因素限制， 只能在城市布设有限的几个监测站点，获得资料有限，不能了解整个城市大气中 污染物分布的全貌。遥感技术的发展揭开了人类从外层空间观测地球的序幕，为 人类监测城市大气污染提供了新的技术途径。遥感在数据获取上具有多层次、多 时相、多功能的特点，在应用方面具有多源数据处理，多学科综合分析、多维动 态监测和多用途的特点。卫星遥感可以提供广阔背景上的有关气溶胶污染物的区 域分布，在污染监测上具有广阔的前景。2 0 世纪9 0 年代以来，遥感技术已广泛 应用于环境监测、自然资源调查和动态监测、城市规划等备方面。它以多空间分 中国科学院遥感应用研究所博士学位论文气溶胶多尺度定量遥感监测及其其网网格计算研究 辨率、多时相的遥感图像和数据使人们能够分析环境和自然资源等的时空变化规 律，推动人类和谐进步与发展。 实现气溶胶遥感反演需要进行大量的数据预处理和复杂的辐射传输方程的 计算，从而使得反演处理过程运算量大，耗时长。因此，如何实现海量遥感数据 快速处理，进而实现气溶胶的快速遥感反演对于环境动态监测以及决策具有重大 意义。网格计算技术的出现使对海量卫星遥感影像进行快速处理进而实现气溶胶 卫星遥感的快速反演计算成为可能，使应用领域部门能够及时获得气溶胶遥感信 息数据成为可能。网格计算是一种新概念、新方法，是在巨型计算机与互联网技 术基础上的新变革，通过高速互联网，利用网络中闲置的处理能力解决复杂问题 的求解。网格计算平台是一种无缝的、集成的计算与协作环境。网格计算平台是 实现快速进而实时的气溶胶遥感监测的技术平台。 1 2 国内外研究现状与存在的主要问题 121 国外研究现状 自1 9 6 0 年美国发射t i r o s 气象卫星，1 9 7 2 年发射首颗地球资源卫星以来， 卫星遥感技术在全世界得到广泛应用。卫星携带的传感器波段覆盖了紫外、可见 光、红外及微波波段，地面分辨率由千米级到米级，波谱分辨率也由几百纳米发 展到几纳米。近年来，全球环境问题突出，具有全球覆盖、快速、多光谱、大信 息量的遥感技术己成为一种重要的技术手段。全球监测计划主要有：n a s a 的地 球观测计划( e o s ) ，美国农业和资源环境空间遥感计划、欧空局( e r s ) 地球 观测计划、加拿大全球雷达卫星计划，同本地球观测计划等。 在大气环境遥感方面，美国n o a a 发射了极轨气象卫星系列，主要用于气 象、海洋和环境监测。主要传感器有a v h r r 扫描仪、h i r s 2 1 、m u s 、s s u 、 e r b e ，主要用于云覆盖、大气温度、湿度和大气辐射能量测量。欧空局e r s 一2 的g o m e 、a t s r 2 s 等传感器主要获得大气中微量气体、气溶胶、水、温度、 压力的信息。l a n d s a t 和e o s 利用t m 、m o d i s 等传感器，可以获得监测土 地利用和大气、植被、海洋等信息。日本自1 9 7 7 年7 月发射g m s 卫星以来， 总共发射了5 颗g m s 卫星。g m s 5 于1 9 9 5 年3 月发射，定位于1 4 0 0 e 。g m s 卫星虽然数量不多但相当稳定可靠，在亚太地区起了重要的作用。2 0 0 5 年2 月 3 第一章引言 2 6 同，用于取代气象卫星g m s 一5 的m t s a t 卫星被送入预定轨道，并于5 月底 投入使用。比起o m s 卫星系列，m t s a t 的观测功能有重大改进。 国际上利用卫星遥感资料反演大气气溶胶的研究工作始于2 0 世纪7 0 年代中 期，早期主要是进行海洋上空气溶胶光学厚度的反演，用于探测海洋上空的沙尘 粒子( f r a s e r ，1 9 7 6 ) ，o o r d o a 最早考虑了气溶胶在海洋水色遥感中的影响 ( g o r d o n ，1 9 7 8 ) ，t a a r e 等人的研究则使人们认识到在陆地遥感中去除大气， 特别是气溶胶的模糊效应的重要意义和可行性( t a n r ，e ta l 。1 9 7 9 ) ，并由此开 始了陆地上空气溶胶的遥感研究。利用a v h r r 可见光通道遥感海洋上空气溶胶 已作为n o a a 的业务运行，每周提供一次全球海洋上空气溶胶光学厚度分布图， 用来分析全球海上气溶胶的分布特性( h u s a re ta l ，1 9 q - , ) 。p o l d e r ，m o d l 8 ， m i s r ，和e o s p 传感器，为气溶胶研究作了特别设计。自从m o d i s 在n a s a 的t e r r a 和a q u a 的卫星平台上运行以来，已经为全球的气溶胶分布提供了 大量的数据产品( 光学厚度分布，以及气溶胶性质等) 。到目前为止，利用卫星 遥感气溶胶己经形成了一个非常丰富的研究体系，目前常用的卫星遥感气溶胶的 方法包括单通道遥感和多通道遥感、反差减少法、多角度多通道遥感、偏振特性 遥感四大类( k a u f m a n ，1 9 9 7 ；k i n g ，1 9 9 9 ) 。 1 2 , 2 国内研究现状 在大气遥感监测方面，我国重点开展以下几方面的工作：利用遥感技术监测 大气污染与污染源和时空分布特征和运移枷律：以植物对污染的指示性反演大气 污染：以地面采样与遥感图像相结合分析大气污染情况。 在地基遥感方面，目前国内开展的方法主要有太阳直接辐射的宽带分光辐射 遥感、多波段光度计遥感、根据天空散射亮度分布遥感、全波段太阳直接辐射遥 感、华盖计遥感以及激光雷达遥感等( 毛节泰等，2 0 0 2 ) 。 太阳直接辐射的宽带分光辐射遥感利用能够测量太阳直接辐射宽带分光辐 射传感器测量出两个波段的气溶胶的消光，然后根据描述气溶胶的光学厚度与波 长的关系的a n g s t r o m 公式，便可以求出相应的参数，从而得到气溶胶浓度和粒 子半径的信息。我国多位学者在利用该遥感方法上作了大量的工作。邱金桓 ( 1 9 9 5 ) 提山了从全波段太阳直接辐射确定大气气溶胶光学厚度的方法。通过对 中国科学碗适感舸用研究所博士学位论文气瘩腔多尺度定重遥感益坝i 及代其网i 呵辖计算研究 太阳直射表和太阳光度计探测的大气柱气溶胶光学厚度的比较，邱会桓( 1 9 9 5 ) 分析了从太阳直射表探测的全波段太阳直射光强信息确定大气柱气溶胶光学厚 度的误差，并应用北京观象台的太阳直射表观测资料，反演得到了1 9 9 0 1 9 9 3 年 北京大气柱气溶胶光学厚度。祁栋林等利用1 9 9 7 年观测的资料分析得到了瓦里 关山地区大气浑浊度特点( 祁栎林等，1 9 9 9 ) 。杜萍等利用晴空无云条件下地面 上实测的太阳直接辐射资料，用两种不同的方祛分别反演了宽频上的气溶胶光学 厚度，取得了较好的精度( 杜萍等，2 0 0 2 ) 。 多波段光度计是利用可见光到近红外波段范围内一系列窄波段滤光片r 半波 宽度通常小于2 0n m ) 测量大气对太阳盲接辐射的消光效应，然后进一步反演大 气气溶胶光学厚度和粒度谱分布( 毛节泰等，2 0 0 2 ) 。这是目前在气溶胶地基遥 感方法中比较准确、也是较为常用的一种方法。2 0 世纪8 0 年代，赵柏林等在中 国较早地丌展利用多波段光度计遥感气溶胶研究工作，他们利用自己研制的7 波段光度计，对北京地区气溶胶进行了遥感观测并反演_ r 粒子谱( 赵柏林等， 1 9 8 3 ) 。目前，用多波段光度计观测结果所计算得到的气溶胶光学厚度也是进行 卫星观测等其他方法遥感大气气溶胶的重要的检验手段( 邵鸿飞等，1 9 9 9 ) 。 激光雷达遥感利用辙光雷达得到气溶胶的垂直分布信息。我国在2 0 世纪6 0 年代中期研制成功了第一台激光气象雷达，从此开展了一系列基于激光雷达大气 探测的研究( 周诗健等，1 9 8 1 ；孙景群，1 9 8 9 ) 。邱会桓等( 丘b 金桓等，1 9 9 4 ) 利用激光雷达遥感了开展沙尘暴方面的研究，得到了沙尘暴粒子的消光特| 生利沙 尘暴的垂直分布特性。杨舒等从理论上丹展了利用多波段激光雷达反演大气气溶 胶粒子谱以及复折射翠翦方法研究( y a n g ，e ta 1 ，1 9 8 6 ) ，近几年利用激光雷达 遥感气溶胶盼研究越来越受到重视，但由于澈光雷达设备费用较高，我国目前仅 在合肥、北京等少数地区开展利用辙光雷达对气溶胶进行长期观测遥感的工作。 地基遥感气溶胶可以得到较为准确的气溶胶信思，但是目前这种方法只能在 有限的区域进行，不能用来遥感大范围气溶胶光学特性。利用卫星遥感可以弥补 这个不足，特别是在环境恶劣的边远地区和广阔的海洋地区，卫星遥感方法更能 显出它的优势。 我国对气溶胶卫星遥感的研究始于上世纪八十年代。吕达仁等于1 9 8 1 年提 出了消光角散射法遥感气溶胶分布的原理，并作j 7 试验研究( 邱金桓，1 9 8 3 ) ， 第一蕈弓i 言 此后关于气溶胶遥感反演的方法陆续被提出并加以改进。赵柏林( 1 9 8 3 ，1 9 8 6 ) 进行了光学遥感大气气溶胶和海上气溶胶卫星遥感的研究。刘广员等( 1 9 9 8 ) 提 出了一种在晴空条件下、均匀下垫面上利用n o a a 极轨卫星甚高分辨率辐射计 f a v h r r ) 可见光和近红外两个通道观测的反射率资料，遥感整层大气气溶胶光学 厚度的双通道方法。张军华、毛节泰等( 2 0 0 1 ，2 0 0 3 ) 利用g m s 卫星遥感湖面 上空气溶胶光学厚度并与地面观测结果进行了对比实验。还有许多研究人员对暗 目标法和偏振信息反演气溶胶的方法进行了探讨和研究( k a u f m a n , e ta l ，1 9 9 7 ， o o l o u be la 【11 9 9 9 m u k a ia n ds a n e1 9 9 9 ，m a s u c l ac ta 1 1 9 9 9 、2 0 0 0 、2 0 0 2 ，杨之文， 2 0 0 3 ) 。针对m o d i s 的特性，我们也提出了s y n t a m 模型和算法( t a n gc ta 1 ， 2 0 0 5 a ，b ) 。刘荣高等人( h t t p ：t w w w 1 r e i s a c c n z y x m z d j c x m h t m ) 在完成了国家 重大基础研究计划( 9 7 3 计划) 项目“陆地生态系统碳格局的遥感反滨与时空尺 度转换中的m o d i s 碳相关参数提取研究”的过程中，完成了大气气溶胶反演算 法、并进行了软件业务化丌发，近年来，研究人员已经丌始利用多波长、多角度 和偏振方法遥感大气气溶胶，并且开展了大量同时反演光学厚度和其它气溶胶参 数的研究。 1 2 3 气溶胶遥感反演的难点 气溶胶遥感的意义在于能够更好地计算和评价气溶胶对气候的辐射强迫和 气溶胶的气候效应，提高卫星遥感影像的大气校正精度，同时也是研究大气污染 的关键参量。但是由于气溶胶浓度具有强烈的时空问变化特性。目前，国内外气 溶胶遥感面临的难点有： t ) 地面监测站稀疏，满足不，全球性的研究评价的需要。 2 ) 受卫星遥感的时、空分辨率限制，城市区域尺度气溶胶遥感的业务化监测难 度很大。 3 ) 陆地上的气溶胶反演解析业务化依然是个挑战。 4 ) 气溶胶遥感反演涉及大量的遥感数据的处理以及大量复杂的基于辐射传输 方程的计算导致反滨过程运算量大，耗时长，获得反演结果的时效性差。 研究气溶胶反演算法，对于我国气溶胶的性质、分布、动态变化规律以及进 一步的环境监测与决策以及提高我国在全球气溶胶气候研究计划项目( g a c p ) 中国科学院遥感应用研究所博士学位论文 气溶胶多尺度定量遥感监铡及其其网网格计算研究 中的研究地位具有重大意义。 3 气溶胶遥感的传感器分类 美国自7 0 年代初开始发射陆地资源卫星，到9 0 年代地球观测系统项目开始 时其卫星设计和发射技术均已经成熟。美国地球观测系统第一系列( 1 9 9 9 - 2 0 0 3 ) 总计发射2 l 颗卫星，其中包括美国1 7 颗，它们分别承担了对大气、水、海洋、 生物、陆地等地球综合圈层的测量和信息获取的任务( 见表1 1 ) ( e o sr e f e r e n c e t t a n d b o o k ) 。地球观测系统跟踪系列阶段( 2 0 0 3 年以后) ，t e r r a ( e o s a m ) 、 a q u a ( e o s p m 、e o s c h e m 、l a n d s a t7 等系列卫星将接续发射后续星( e o s r e f e r e n c eh a n d b o o k ) 。卫星的任务仍将集中在大气化学、大气物理和大气循环、 全球水循环及水文、海洋地理及极地研究、土地覆盖、土地利用、陆地生态系统、 动态地球过程、地质及自然灾害等科学研究与应用。美国新一代地球观测系统发 射的传感器中，对大气观测的传感器占最重要的部分，并且与卫星运转周期、传 感器通道设计形成系列( 见表1 2 ) ( e o sr e f e r e n c eh a n d b o o k ) 。各个阶段卫 星的任务和星载传感器各有爿i 同它们有机联成一体，共同构筑了地球观测系统 的整体框架。 根据利用气溶胶反射的太阳辐射光谱、角度分布以及极化信息等特性，可以 将目前用于气溶胶遥感的传感器分为以下凡类： 1 ) 利用反射光谱强度信息。如e o s m o d i s ，a d e o s o c t s o l i ： 2 ) 利用角度分布反射光谱信息。如e o s m i s r ，a d e o s p o l d e r ： 3 ) 利用反射光谱极化信息：如p o l d e r ( d e u z e 等，1 9 9 3 ) ( p o l a r i z a t i o na n d d i r e c t i e n a l i t yo fe a r t h sr e f l e c t a n c e $ ) ，e o s e o s p ( y r a v i se ta l ，1 9 9 5 ) ( e a r t h o b s e r v i n gs c a r m i n gp o l a r i m e t e r ) 。 第一章日；言 表l 一1 地球观测系统卫星( 1 9 9 9 - - 2 0 0 3 ) 及其主要科学任务 ! 星名称发射年份主要任务星载传感器土要技术参数 1 9 9 9 8 0 3 公里、9 9 6 0 u k s c a t全琳海洋洋血风速与风向 s e a w i n d s 。、6 ：0 0 a m 1 9 9 9 7 0 5 公里 l a n d s a t 7 高分辨牢地表理测与监剁 e t m +9 8 2 。 l o ：o d a m 19 9 9 云雾辐射平衡m o d i s 、m 【s r 、c e r e s7 0 5 公里 t e r 僵地表特征( 2 ) 、m o p i t t ( 加拿9 s 1 3 。 碳循环大) 、a s t e r ( 日奉) 1 0 ：，n 吣“ a c r f m s a1 9 9 9 5 8 5 公里 t 太阳总辐射 a c r i mi l l9 8 1 3 。 1 0 ：5 0 a m 7 0 5 公学 n m p 峙o 1 9 9 9 a l l 、h y p e r i o n 、 9 8 ，2 。 l a t m o s p h e r i c 、c o r r e c t o r 1 0 ：0 l a m 恢复全球杠对流层、中问层和 1 0 2 0 公里 m e t e o r 2 0 0 0 j 司盈层中大气汽溶胶、臭氧、 s a g ei 儿( 俄罗斯)9 9 5 “ 3 m i水分蒸发、温室气件、温度班 及气压等方面的基本框禁 9 。3 0 a m 2 0 0 0辑洋循环】m r 。g p s 。p o s e l d o n2 。i 3 6 公单 j a9 0 n 一1 悔3 f 面特? md o r s ( 法国)击6 “ 臭氧、汽溶胶、大气温度、凤、 s e a w i n d s 、a m s r 、o l l 、8 0 3 公单 a d e o s i i2 0 0 0水蒸发。s s t 、能量平衡，盖、i l a s - 2 ( f l 木) 、9 8 6 。 淋等、舞洋颜也弓海洋生物p o l d e r ：往国) 1 03 0 a m 2 0 0 04 0 0 公里 e $ s p 厂v c l测量植被冠层的高度 m b l a 、g p s 6 7 。 孟、降水秆辐射平衡、大气温a i r s 、a m s 0 a 、 7 0 5 公晕 a q u a 2 0 0 0 度和湿度、陆地积雪和海洋c e r e s ( 2 】、m o d i s 、 9 8 ，2 。 i e o s - p m l球、向洋表血温度和j i 洋生物 h s re ! 两) 、a m s r - e 量( | ! 率) 1 ：3 0 p m e s s p 2 0 0 l 地球熏力的变化 h a i r s 、s u p e r s t a r ( 美 4 8 5 公罩 o r a c e胃、沾国台怍)8 9 。 球盖质量甲衡 g l a s 6 0 0 岔犟 i c e s a c2 0 0 i y i 高厦删量0 4 。 太m 光爵辐照厦 t f m 、s l m 、s o l s t l c e 、 6 0 0 公罩 s o u r c e2 0 0 2 太阳辐照度总量x p s4 0 。 大气化学成分和它们的转化、m l s 、t e s 、h l r _ d l s7 0 5 公里 e o s c h e 2 0 0 3 化学与气候的相豆作用、空气( 英国、美国台作) 、 9 8 2 o m 质量o m i ：荷兰、芬兰合作) 1 ：4 5 p m s p a c e 3 35 0 罩 s t a t i o n2 0 0 3s a o e i 儿 5 1 6 - s a g e r l i e s s f3 l i d a r 、a b s 、w f c 、 7 0 5 公里 p i c as s 02 0 0 3孟祁汽徭腔的垂直分布 i r ( 法国) 9 80 s 。 一c e n a1 ：3 0 p m e s s p 一4 2 0 0 3 进一步r 解厚云在地球辐射p a b s i 、c p r f 黄国、加 7 0 5 公罩 9 8 0 5 。 c l o u d s a t平衡中的作用拿人台作) 1 ：3 l p m a v h r r - 3i a s i 、 气象- j 气候监测 h i r s _ 4a m s u a 、8 5 0 公里 m e t o p l2 0 0 3m h s a s c a t9 8 8 。 ( n o a a 参o _ ) o o m e a r g o s 、 9 ：0 0 a m s e m s r 降水及茸有关的变量、中高茚 汀m o s + l2 0 0 3 座地球辐射平衡、温室气体 中国科学院遥感应用研究所博士学位论文 气溶胶多尺度定量遥感监测及其其网网格计算研究 表1 - 2 美国地球观测系统主要传感器有关参数对照表 扫描 波段时间分水平分垂直分传感器名传感器名 主要功能 幅度 数 辨率辨率 辨率 称( 英缩)称( 中文) f 公里) 先进空腔 a c r j m 式太阳光 太阳辐射总量 儿i 照射脏测测量 2 分钟 器 大气红外 1 35 公 a l r si6 5 02 3 8 2l 公里 探测仪 公里 6 4 先进微波 1 4 8 a m s r 一全球亮点温度 3 2 x j 8 扫描辐劓 测量 1 4 4 56半日 计e 2 7 x 1 6 5 i 2 9 7 5 x 4 3 先进星载 熟辐射与 6 01 5 米 a s t e r1 0 6 4 1 6 天 3 0 米2 5 米 反射测量 仪 3 1 4 9 0 ，托 云与地球 全球云、大气、 辐射能量 c e r e s海洋辐射与能3l4 , n , i2 0 公里 系统测量 量系统测量 仪 地球观测 e o s p扫描极化 l 1 天1 0 公里 1 丁 增强型专全球高分辨率 1 5 米 e t m +1 8 581 6 天3 0 米 题制国仪陆地数据获取 6 0 米 巴两湿度i35 公在l o 公 h s b探测液态水 1 6 5 04 半 1 探测计掣里以内 高分辨率测量大气化学2 0 0 米 h 1 r d l s 动态成分成分的水甲和 3 0 0 01l2 分钟5 0 0 公卑f o i5 0 扫描仪垂直分布公单 j a s o n 雷达测量海平面浪 j a s o n 1 3 实时 35 公里 高度汁高图 雷电成像 6 0 0 l i s5 公里 仪 6 0 0 多角度成 全球多角度地2 7 5 米 m i s r形地物数据获3 6 0 4 波段 9 天5 5 0 米 象光谱仪9 镜头 取 1 1 0 0 米 1 0 0 米 微波成分大气中化学成 l 公罩 m l s5i 2 天5 0 0 公里 探测1 i 星分的数据获取3 公里 5 公里 中分辨率全球陆地、海2 5 0 ) | m o d l s成象光蒲洋、大气每日数2 3 3 03 61 1 2 天5 0 0 米 仪据获取 1 0 0 0 米 热带污染测量c o 和c n 4 m o p i t t6 4 0 实时2 2 公阜4 公里 测量仪韵岔量 o m l 臭氧监测大气化学与臭 l3 2 4 ( 荷兰、芬i 天8 公里 仪氧层监测公里 同温层气 全球实时对h 、 2 分钟对 l5 公里 溶胶和气对日5 0 0 米 s a g e 旺i对月化学成分捌，l 小 体实验3 号 3 5 公里 测量时对月 对月 s e a w i n d s海风卫星 海洋风向与风 18 0 0i l 天 6 x2 5 力公里 太阳辐射 太阳入射能量1 5 经纬 l 公里s o r c e与气候实 和光谱 4 实时 度 验 同温层辐低层大气化学 0 5 3 t e s 53 85 4 天2 公晕 射波潜仪 成分测量5 3 公里 9 第一章0 1 言 1 4 网格计算的研究现状及发展趋势 1 4 1 网格计算的研究现状 由于气溶胶遥感反演的复杂性和费时性，北京气溶腔遥感反演实现平台拟选 用网格计算平台。 网格概念早在1 9 6 0 年就被提出了。网格是一个计算资源池。网格技术适于 大型的科学计算和项日研究，它是科技发展的必然产物。当今。计算已经成为重 大科学领域研究的方法和手段。由于| 司题和规模越来越复杂，解决问题需要的计 算能力也相应大幅度增加。网格计算就是以更大范围的资源共享为目的的计算方 式，它的实现需要网络和计算机方面的技术支撑。高性能计算技术和互联网技术 迅猛发展和融合，实现了计算机硬件和资源的连通，为网格计算的发展提供了技 术支持。 在科学研究领域，网格计算技术可以辅助科学家完成重大领域的科学研究。 网格计算技术除具备超级计算能力以外，还将不同地域的资源整合在一起，使科 学工作学能够紧密合作，充分利用共享的资源( 如大型的昂贵的仪器设备等) 。 网络计算技术在美国，首先是在生命科学领域，正在成为现实。在物理学研究方 面，德国m a xp l a n c k 引力物理研究所与德国和美国多个机构合作，利用网格的 超级计算能力，共同完成了模拟黑洞的项目。 目前科研领域主爱的网格计算项目有： 荷兰国家网格计划：荷兰国家网格计算计划将使五个大学的研究人员能够更 有效她在生物信息到粒子物理等科研项目方面进行合作( t a t i p a m u l ama n db 。s e j ，2 0 0 4 ；i b m ，2 0 0 6 ) 。 美国d t f 又称t e r a g r i d ：d t f 将能够使全美国成千上万的科学家通过 全球最快的研究网络共享计算资源。d t f 有助于加快生命科学、气候模拟以及 其他关键学科取得突破性的成果( i b m 、2 0 0 6 ；c a t l e t 【c e ，2 0 0 5 ) 。 欧洲也有许多重要的g r i d 项目，包括欧盟支持的e u r o g r i d ( l 。gb ，b a l ap er w i