近日，长江中游城市群气象生态环境遥感团队陶明辉教授等人撰写的“A robust and flexible satellite aerosol retrieval algorithm for multi-angle polarimetric measurements with physics-informed deep learning method”论文发表在Remote Sensing of Environment期刊，本研究得到国家自然科学基金（41830109和42271382）等资助。
多角度偏振（MAP）卫星观测提供了丰富的气溶胶光学/微物理特性信息，随着我国高分五号DPC、以及欧洲3MI、美国MAIA等新型MAP传感器为全球气溶胶定量探测带来新机遇的同时，急剧增加的遥感信息量和数据量对气溶胶算法效率提出了更高要求。本研究提出了一种基于物理信息和深度学习（PDL）方法的稳健、灵活的气溶胶反演算法。与需要对所有未知参数进行辐射传输迭代计算的最优化反演方法相比，PDL方法有效避免了不同信息量未知参数之间的误差传递，并且可充分利用观测和先验信息。为了检验 PDL 算法的性能，本研究利用2007-2009 年 POLDER-3 观测数据反演了中国东部地区的气溶胶参数。与 AERONET 产品比较显示，POLDER-3 PDL 气溶胶光学厚度（AOD）和FAOD 具有较高精度（R > 0.91）。随着观测信息量降低， POLDER PDL CAOD 和单次散射反照率（SSA）反演精度较AOD和FAOD有所下降，但与 AERONET 结果仍具有较高的相关性。同时，PDL反演结果与GRASP产品进行了比对，在空间分布和反演精度上具有高度一致性。此外，PDL算法具有较高的计算效率，可用于MAP卫星观测的气溶胶业务反演。
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数据和方法
本研究使用的主要数据包括PARASOL卫星POLDER-3载荷的观测数据，AERONET地基观测数据，MODIS DB气溶胶产品，BRDF地表产品和POLDER-3/GRASP的4种气溶胶产品。我们使用POLDER-3 443、490、565、670、865和1020 nm共6个波段的观测数据，其中490、670、865nm三个波段带有偏振信息，对于这些带有偏振的波段，本研究用到的是比偏振辐射或反射率精度更高的线偏振度DOLP。图1展示了使用的AERONET站点数据地理分布。
图1. 中国东部MODIS真彩影像中AERONET站点的地理位置（红色）。
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MAP PDL反演方法测试
图2显示了从测试数据集反演的PDL与气溶胶光学/微物理参数的“真实”值的比较。PDL AOD、FAOD和CAOD的相关系数（R）均＞0.95，准确度较高。尽管PDL SSA的R较低，但大多数SSA值都很好地集中在1:1线上。
图2. 550 nm处AOD、FAOD、CAOD和443、670、865 nm处SSA的PDL反演值与真值的比较。黑色和虚线为预期误差（EE）±（0.05 + 15%）和1:1线。
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研究结果
3.1 POLDER-3气溶胶反演验证
为评估PDL算法在中国东部地区的反演精度，我们验证了POLDER-3 PDL AOD与GRASP/HP、Models和Component反演结果（图3）。与GRASP结果相比，POLDER-3 PDL AOD与AERONET结果非常吻合，相关系数（R = 0.917）略高，均方根误差（RMSE = 0.202）略低。另一方面，在期望误差（EE）±（0.05 + 15%）范围内的PDL AOD百分比（59.71%）低于GRASP/Models（64.92%），这主要是由于低AOD（<0.2）条件下的高估所致。
图3. 550 nm POLDER-3 PDL、GRASP/HP、GRASP/Models和GRASP/Component AOD与地基AERONET验证结果（上），其偏差的概率密度函数（POLDER-AERONET）（中）和440-865 nm Ångstrom指数（AE） （下）。
同时，POLDER-3的PDL反演在推断粒径方面具有较好的准确性（图4）。与总AOD相比，PDL算法在反演FAOD方面具有更显著的优势。AERONET产品地基验证结果表明，PDL FAOD精度较高，R = 0.926, RMSE = 0.17。此外，PDL FAOD在EE内的百分比超过65%，高于GRASP/Models（58.23%）和Component（63.35%）。尽管GRASP和PDL对CAOD都有较大的低估，但PDL的反演结果更可靠，R = 0.565, RMSE = 0.072，并且具有更少的异常值，74.72%的值在EE ±（0.05 + 15%）内。
图4. 与图3相同，AERONET与PDL FAOD（上）和CAOD（下）对比验证。
POLDER-3 PDL反演的SSA与AERONET变化一致（图5）。与全局验证（Chen et al, 2020）不同，在中国东部地区，GRASP/Models对SSA的反演结果明显优于GRASP/HP和Component。尽管与AERONET验证的PDL SSA的R和RMSE与GRASP/Models反演的R和RMSE非常接近，但GRASP/Models SSA更接近1:1线。由于细模态气溶胶在中国东部地区占主导地位，低值（<0.2）的粗颗粒的信息量有限，导致其折射率的反演存在相当大的不确定性（Dong et al, 2023），这可能是PDL SSA偏差的主要来源。
图5. 443、670和865 nm POLDER-3 PDL、GRASP/HP、GRASP/Models和GRASP/Component 的SSA反演结果和AERONET验证散点图。
3.2 POLDER-3 PDL与GRASP产品的对比
为了概述PDL算法在区域尺度上的性能，我们检查了POLDER-3 2008年PDL反演结果，并与GRASP产品进行了比较（图6）。PDL AOD和SSA与具有最佳性能的GRASP/Models反演具有高度一致性。在季节尺度上，PODER-3 PDL和GRASP反演的空间格局非常一致（图7），PDL CAOD与GRASP/HP CAOD在戈壁沙漠更接近。
图6. 2008年中国东部地区PDL、GRASP/HP、GRASP/Models和GRASP/Component算法的POLDER-3 AOD、FAOD、CAOD和670 nm SSA的年平均值。
图7. 与图6相同，但为2008年春季的季节平均值。
本研究对2007年3月31日中国北方的一次典型沙尘事件进行了分析（图8）。PDL气溶胶产品能较好地捕捉沙尘羽流的空间分布。为了检验PDL反演对气溶胶吸收特性的表征能力，分析了2007年5月28日中国北方生物质燃烧事件（图9）。另外，PDL的单像元反演结果可以反映中国北方小城市/工业热点等更精细的特征。
图8. 2007年3月31日华北地区PDL（上）、GRASP/Models（中）和GRASP/Component（下）的POLDER-3 AOD、FAOD、CAOD和SSA （670 nm）。
图9. 与图8相同，但为2007年5月28日。
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结果与讨论
本研究利用基于物理信息的深度学习（PDL）方法开发了一种灵活高效的气溶胶光学/微物理参数多角度偏振遥感反演算法框架。与最优化反演需要对所有未知量进行辐射传输迭代计算不同，PDL方法避免了最优化反演中不同信息含量的未知参数之间的误差传递，可有效利用观测和先验信息，并且对异常值进行了有效约束。与AERONET 产品验证表明，中国东部POLDER-3 PDL AOD和FAOD精度较高（R>0.91）。尽管精度低于 AOD，但 PDL SSA 与 AERONET 反演结果一致，并且非常接近 GRASP/Models 的最佳估计。通过量化粒径和吸收，POLDER-3 PDL反演可以很好地描述典型沙尘和生物质燃烧事件的空间分布和传输过程。基于算法精度和计算效率方面的表现，PDL算法在MAP卫星观测的业务反演方面具有显著的潜力。
CITATION
Minghui Tao, Jinxi Chen, Xiaoguang Xu, Wenjing Man, Lina Xu, Lunche Wang, Yi Wang, Jun Wang, Meng Fan, Muhammad Imran Shahzad, Liangfu Chen. 2023. A robust and flexible satellite aerosol retrieval algorithm for multi-angle polarimetric measurements with physics-informed deep learning method. Remote Sensing of Environment, 297, 113763, https://doi.org/10.1016/j.rse.2023.113763
转自：“生态遥感前沿”微信公众号
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