基于TM资料估算丹江口水库及其周边的气溶胶参数-毕业论文

南阳师范学院20XX届毕业生毕业论文（设计）题 目：基于TM资料估算丹江口水库 及其周边的气溶胶参数 完 成 人： 班 级： 学 制： 专 业： 地理信息系统 指导教师： 完成日期： 目 录摘要（1）0引言（1）1问题分析（1）1.1研究现状（1）1.2研究区概况（2）2数据准备（2） 2.1数据简介（2）2.2遥感数据资料（3）3算法描述与参数分析（3）3.1利用清洁水体像元法来估算气溶胶参数（3）3.2确定绿光波段的气溶胶参数（7）4结论分析与讨论（7） 4.1创新之处（7） 4.2存在的问题与展望（7）参考文献（9）Abstract（10）基于TM资料估算丹江口水库及其周边的气溶胶参数 摘要：利用2007年9月15日丹江口水库地区Landsat5的TM影像通过清洁水体像元法来估算气溶胶参数。结果表明通过该方法所得到的气溶胶参数可以很好的除去大气中的程辐射（path radiance）对遥感图像的影响，它将暗目标像元的地表辐射值赋了一个很低的值，但不是零，从而减少“零”假设带来的误差，有效的校正了大气的影响。关键词： 丹江口；遥感；TM影像；大气气溶胶；气溶胶参数0引言气溶胶（Aerosol）是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系，它们能作为水滴和冰晶的凝结核、太阳辐射的吸收体和散射体，同时参与各种化学循环，是大气的重要组成部分。气溶胶按其来源可分为一次气溶胶（以微粒形式直接从发生源进入大气）和二次气溶胶（在大气中由一次污染物转化而生成）两种。它们可以来自被风扬起的细灰和微尘、海水溅沫蒸发而成的盐粒、火山爆发的散落物以及森林燃烧的烟尘等天然源，也可以来自化石和非化石燃料的燃烧、交通运输以及各种工业排放的烟尘等人为源。气溶胶对环境与气候有着重要的意义大气气溶胶能够影响地气系统辐射平衡,是大气污染和气候变化研究中的重要因子之一。在遥感方面，气溶胶较大的时空变化特性使它成为决定遥感精度的关键因子和空间遥感器发射前后定标的重要角色1。气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）和气溶胶有效半径（effective radii of aerosol ，AER）是描述气溶胶特性的两个主要参数2。1问题分析1.1研究现状第 1 页（ 共 15 页）目前对气溶胶参数的研究大多集中在气溶胶的光学厚度、特征分析和产品应用。如：毛节泰等做的MODIS卫星遥感北京地区气溶胶光学厚度及与地面光度计遥感的对比3；李成才等做的利用EOS 卫星上MODIS 传感器遥感大气气溶胶光学厚度（AOD） 的研究4；肖钏湧等做的利用MODIS遥感数据反演广州气溶胶光学厚度5；吴序鹏等做的塔克拉玛干沙漠地区气溶胶光学厚度卫星遥感产品验证6；邓学良等做的卫星遥感中国海域气溶胶特征分析7。以上这些研究大都基于MODIS数据进行的，而使用TM数据进行气溶胶研究尤其是对气溶胶参数的研究情况较少。基于这种现状，本文以丹江口水库及其周边地区为研究区，以TM数据为基础，来估算气溶胶参数，以期为其他地区的水体开展遥感影像反演气溶胶参数研究提供参考。1.2研究区概况丹江口水库，是亚洲第一大人工淡水湖、国家南水北调中线工程水源地、国家一级水源保护区、中国重要的湿地保护区、国家级生态文明示范区。丹江口水库位于汉江中上游，由1973年建成的丹江口大坝下闸蓄水后形成，横跨鄂、豫两省，由汉江库区和丹江库区组成。丹江口水库多年平均入库水量为3948亿立方米，水源的98%来自于汉江上游的干支流，2%来自汉江的支流丹江。水库多年平均面积700多平方公里，2012年丹江口大坝加高后，水域面积将达1022.75平方公里，蓄水量达290.5亿立方米，被誉为“亚洲天池”。丹江口水库水质连续25年稳定在国家二类以上标准，水质保持优良。丹江口水库为南水北调中线工程的取水源头，研究其气溶胶参数有助于更好的监测丹江口水库及其周围地区的环境。2数据准备2.1数据简介TM影像是指美国陆地卫星45号专题制图仪（thematic mapper）所获取的多波段扫描影像。有7个波段，其波谱范围：TM-1为0.450.52微米，TM2为0.520.60微米，TM3为0.630.69微米，第 3 页 （共 15 页）以上为可见光波段；TM-4为0.760.90微米，为近红外波段；TM-5为1.551.75微米，TM-7为2.082.35微米，为中红外波段；TM-6为10.4012.50微米，为热红外波段。影像空间分辨率除热红外波段为120米外，其余均为30米，像幅185185。每波段像元数达61662个（TM-6为15422个）。一景TM影像总信息量为230兆字节），约相当于MSS影像的7倍。因TM影像具较高空间分辨率、波谱分辨率、极为丰富的信息量和较高定位精度，成为世界各国广泛应用的重要的地球资源与环境遥感数据源。本方所采用的清洁水体像元法就是基于图像信息来获取大气参数的方法之一。2.1遥感数据资料 在相关网站（/）上下载了2007年9月15日的丹江口水库及其周围地区的TM影像并下载了相关的头文件。3算法描述与参数分析3.1利用清洁水体像元法来估算气溶胶参数通过TM的中红外波段（Band7，2.215）来确定清洁水体像元。相对于可见光波段，中红外波段对气溶胶散射不敏感，但依然对地表特征敏感。因此，TM中红外波段被用来确定清洁水体像元。忽略中红外波段的气溶胶散射，利用式（2-1）来计算中红外波段的离水辐射率Lw（1）8。 （2-1） 其中 为辐亮度，其值由公式（2-2）可以得到 （2-2）式中，Gain为增益，Bias为偏置，其值可从Landsat TM数据头文件获取，见（表1）表1 Landsat5的增益和偏置取值9波段1984年3月1日2003年5月4日2003年5月4日后增益偏置增益偏置10.6024-1.520.7628-1.5221.1751-2.841.4425-2.8430.8058-1.171.0399-1.1740.8145-1.510.8726-1.5150.1081-0.370.1199-0.3760.05511.23780.05511.237870.057-0.150.0653-0.15为瑞利散射其值可根据下式（2-3）计算10： （2-3）式中，EO是波长为的大气上界太阳辐照度，它随着日地距离的变化而变化，通过EO（）=Eos/d2计算，其中d为单位日地距离，Eos为标准太阳辐照度。和Eos可以从Landsat5 TM 参考手册中获取（见表2）。日地距离则需要根据TM影像获取的时间来从USGS给出的日地距离参数表查到（见表3）。 表2 TM图像辐射定参数及大气顶部太阳辐照度11BandTM11.26880-0.01000.71081-1.428570.071957.00TM22.981260.02321.46140-2.900000.081826.00TM31.76186-0.00781.15154-1.300000.061554.00TM42.81771-0.01930.78927-1.378570.141036.00TM50.65277-0.00800.12799-0.400000.20215.00TM70.44375-0.00400.06445-0.148150.2780.67表3 日地距离参数查找表12日数距离日数距离日数距离10.98321211.00762421.0092150.98361351.01092581.0057320.98531521.0142741.0011460.98781661.01582880.9972600.99091821.01673050.9925740.99451961.01653190.9892910.99932131.01493350.98601061.00332271.01283490.98433650.9833注：日数是儒略日 由于本次研究所用的TM影像获取日期为2007年9月15日，所以根据上表推算出当日的日地距离为1.0110，无量纲。第7波段的标准太阳辐照度为80.67。据此可以算出的值为78.92412TOZ是臭氧上行和下行总透射率，这个可以由公式（2-4）计算： TOZ（）=expOZ（）（1/+1/O） （2-4）式中，O和分别为太阳天顶角和卫星天顶角的余弦，OZ为臭氧的光学厚度，是波长和时相的函数，OZ（）=OO3。O是臭氧的吸收系数，O3是臭氧浓度（atm-cm）。第7波段的值为013。R是瑞利光学厚度，可以写成波长和海拔的函数（2-5）：R（，h0）=Hr（h0）0.00859-4（1+0.0113-2+0.00013-4） （2-5） 其中，为波段的中心波长，单位为m, ,h0 为海拔 ，单位为km.丹江口大坝加高以后，水库正常蓄水位将从157米提 高至170米14,基于此，本文将海拔高度定为165m,也即0.165km。所得到的的值为0.98056km,也即的值为0.0003507。和分别为入射光和反射光的瑞利相位函数，计算公式如下： （2-6） （2-7）式中，和分别为入射光和反射光散射相位角，分别用式（2-8）和式（2-9）计算： （2-8） （2-9）式中，分别为太阳的天顶角和方位角，分别为卫星的天顶角和方位角，从Landsat TM数据头文件中获取，=，=；=,值不存在。所以=0.80474。由第 7 页 （共 15 页） 于对反射光的瑞利散射强度还受菲涅耳（Fresnel）反射率（2-10）的影响： （2-10）式中，x=；，m为水的折射系数，本文取平静水面水的折射系数值为1.331516。由前述数据可得出=0.02006，=0.02264。为大气上行透射率，可以根据式 （2-11）计算得到： （2-11） 根据前述的数据可以很容易到出 的值为0.99983 根据 TM中红外波段的离水辐射率图像和表3给出的定义，把研究区分为清洁水体、一般水体和非水体像元。 表3 基于TM中红外波段的水体像元类型的定义1.0水体像元类型清洁水体像元一般水体像元非水体像元根据（2-1）和（2-11）公式可以得到TM中红外波段的离水辐射率图像，见图1 图1 TM中红外波段的离水辐射率图像 图2丹江口TM图像的清洁水体像元分布第 9 页 （共 15 页）根据表3水体分类标准，从图1可以看出清洁水体主要分布在丹江口水库中心北部，西北部和东部。需要说明的是由于受到图像分辨率的影响，很多零散的清洁水体在图2中没有显示出来。3.2确定绿光波段的气溶胶参数清洁水体在绿光波段的离水辐射相对稳定。清洁水体在绿光波段的气溶胶散射可以用公式（2-12）来计算17： （2-12） 取第二波段的中心波长为=0.56，GAIN=1.4425，BIAS=-2.84并由公式（2-1）到（2-11）可以得=17.24873，由于受到周边城镇的影响，丹江口水库区域内的气溶胶分布并不是水平均匀分布的，因此在TM影像第二波段的丹江口水库研究区，选取四个点，DN值分别为3、4、5、6，利用上述公式（2-12）计算得到它们的绿光波段的气溶胶参数分别为1.20092、1.09101、0.71342、0.87119，取其平均值为0.969135。至此绿光波段的气溶胶参数就计算来了。4 结论分析与讨论4.1创新之处与前人的研究相比较而言，本文的主要创新之处有两点：第一，是研究区的创新，根据南水北调中线工程的计划进度，2014年秋后，丹江口水库将向河南、河北、北京、天津4省市沿线地区的20多座城市，提供生活和生产用水。将这一地区做为研究区既能为该地区的大气校正提供一定的参数依据又弥补了该地区缺乏具体的基于图像信息来获取的大气参数。第二，数据的创新，前人对气溶胶的研究大都以MODIS的影像为基础对不同的地区进行研究，而使用TM影像做为基础研究数据的较少，本方所做的基于TM影像的研究在数据方面也有一定的创新。4.2存在的问题与展望由于大气中的气溶胶变化较快,在不同的时间段不同的时刻气溶胶光学厚度的变化也比较大，本方所采用的TM影像为2007年的，由此得到的参数对研究现在的丹江口水库及其周围地区的气溶胶状况有一定的偏差，只能做为参考值。随着近年来各种高分辨率和高定标精度探测器的出现, 气溶胶遥感已形成一个非常丰富的体系。由遥感图像信息所获得的气溶胶参数也越来越接近地面的实测值。卫星遥感产品也从反演气溶胶光学厚度, 发展到了反演气溶胶粒子谱分布、折射率指数及气溶胶类型。这对全面、深入地研究气溶胶提供了丰富的信息。未来的目标是实现最大程度的地基遥感与空基遥感相结合, 探测更大范围的气溶胶光学特性。同时, 比较分析不同的气溶胶遥感方法和结果, 配合地面同步观测, 为卫星反演提供评价和检验依据。随着更先进的传感器投入使用, 将会提供更多的地表和大气的信息, 将有助于地表反射率和气溶胶光学厚度的联合反演。 进而能更加精确的估算大气参数，提高遥感图像的大气较正精度。参 考 文 献1 李正强,赵凤生,赵崴,等.黄海海域气溶胶光学厚度测量研究J. 量子电子学报,2003,20(5): 635640.2 王峰,王世新,周艺,等. 一种基于MOD IS影像反演太湖类水体上空气溶胶参数的算法J. 环境科学学报,2009, 29 (11): 22592266.3 毛节泰, 李成才, 张军华,等. MOD IS卫星遥感北京地区气溶胶光学厚度及与地面光度计的对比 J .应用气象学报, 2002, 13( Suppl): 127135.4 李成才, 毛节泰, 刘启汉,等. 利用MODIS 研究中国东部地区气溶胶光学厚度的分布和季节变化特征.科学通报,2003,48: 20942100.5 肖钟湧，江洪，陈健，张秀英，彭少麟.用MODIS遥感数据反演广州市气溶胶光学厚度.中国环境科学.2010，30（5）：577584.6 吴序鹏，杨军，车慧正，等塔克拉玛干沙漠地区气溶胶光学厚度卫星遥感产品验证J气候与环境研究，17（2）：149159.溶胶特征分析, 遥感学报.2012，14（2）: 294312.7邓学良, 何冬燕, 潘德炉, 孙照渤. 卫星遥感中国海域气溶胶特征分析, 遥感学报.2010, 14(2): 294312.8冯学智,肖鹏峰,赵书河等.遥感数字图像处理与应用.北京：商务印书馆.2011：7887.9韦玉春，汤国安，杨昕等.遥感数字图像处理教程.北京：科学出版社,2007:101.10冯学智,肖鹏峰,赵书河等.遥感数字图像处理与应用.北京：商务印书馆.2011：7887.11 徐春燕，冯学智.TM图像大气校正及其对地物光谱响应特征的影响分析.南京大学学报（自然科学）.2007,43（3）:30931712 韦玉春，汤国安，杨昕等.遥感数字图像处理教程.北京：科学出版社,2007:101.13冯学智,肖鹏峰,赵书河等.遥感数字图像处理与应用.北京：商务印书馆.2011：7887.14百度百科：丹江口水库。/view/188128.htm15/html/201301/5273013.html16黄勇军.激光测振技术测质点振速的研究，声学与电子工程.增刊（2006）第49号：8284.17冯学智,肖鹏峰,赵书河等.遥感数字图像处理与应用.北京：商务印书馆.2011：7887. An algorithm of aerosol properties based on re