（摄影测量与遥感专业论文）基于MODIS和PMlt10gt数据的广州地区大气环境质量研究.pdf

摘要 近年来，广州地区大气污染事件频繁发生，对人们的生产生活造 成了严重的危害。大气污染事件中，大气气溶胶和可吸入颗粒物扮有 重要角色，因此对它们进行研究具有十分重要的意义。 本文主要针对广州地区的气溶胶光学厚度、可吸入颗粒物及二者 之间的关系进行研究，旨在为研究大气污染事件提供一定的参考和技 术支持。 研究的内容包括以下几个方面： 1 ) 利用6 s 模型模拟不同日期、几何条件、气溶胶类型和光谱通 道条件下表观反射率与地表反射率和气溶胶光学厚度的关系； 2 ) 利用e n v i 软件和i d l 程序对广州地区m o d i s 气溶胶产品 大气气溶胶光学厚度进行分析，得到广州地区在一年内的气溶胶光学 厚度的变化规律； 3 ) 收集广州地区各空气质量监测站的可吸入颗粒物空气污染物 分指数，进行数据处理，使其变为可吸入颗粒物质量浓度，从而对广 州地区可吸入颗粒物的浓度变化进行时空分析； 4 ) 使用s p s s 软件将气溶胶光学厚度数据与p m 。o 数据进行相关 分析和回归分析，并建立它们之间的数学模型。 关键词：m o d i s ，气溶胶光学厚度，6 s 模型，可吸入颗粒物 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，g u a n g z h o ur e g i o ni s s u f f e r i n gf r o mf r e q u e n ta i r p o l l u t i o n ，w h i c hh a sm a d eas e r i o u sd a n g e ri np e o p l e sp r o d u c t i o na n d d a i l yl i f e t h ea e r o s o lp a r t i c l e sa n dp m l op a r t i c l e sr e - p l a ya l li m p o r t a n t r o l ei na t m o s p h e r i cp o l l u t i o ni n c i d e n t s ，a n di th a sag r e a ts i g n i f i c a n c et o r e s e a r c ht h e m t h i sp a p e ra i ma tr e s e a r c h i n go fa e r o s o lo p t i c a ld e p t h ，p m l oa n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e mi ng u a n g z h o ur e g i o n ，h o p et op r o v i d ea r e f e r e n c ea n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o ra i rp o l l u t i o ni n c i d e n t s t h ec o n t e n t so ft h es t u d yi n c l u d ef o u rp a r t s ，a n di ti ss h o w na s f o l l o w s ： 1 ) m a k eu s eo ft h es e c o n ds i m u l a t i o no fas a t e l l i t es i g n a li nt h e s o l a rs p e c t r u mm o d e lt os i m u l a t e t h ea p p a r e n t r e f l e c t a n c e ，u n d e r d i f f e r e n t p a r a m e t e r s ，w h i c hi n c l u d ed i f f e r e n tg e o m e t r i cc o n d i t i o n s ， a e r o s o lt y p e ，m o d i ss p e c t r a lc h a n n e l sa n ds u r f a c er e f l e c t a n c e 2 ) m a k eu s eo fm o d i sa e r o s o lp r o d u c t sa n de n v is o f t w a r et o r e s e a r c ht h ev a r i a t i o na n dr e g u l a r i t yo fa o di ng u a n g z h o u r e g i o n 3 ) c o l l e c t i n gt h ed a t eo fa p is u b i n d e x ，a n dm a k eac o n v e r s i o no f t h e mt o c o n s i s t e n c yo fp m l o ，a i ma tm a k i n ga n a l y s i so ft e m p o r a la n d s p a t i a lv a r i a t i o no fp m l o 4 ) u s i n gs p s ss o f t w a r et om a k er e l a t i o n s h i pa n dr e g r e s s i o na n a l y s i s o fa o da n dp m l 0 ，a n de s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e m k e yw o r d s ：m o d i s ，a o d ，6 sm o d e l ，p m l o i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：垂整l 日期：j 鲤乒年j 月斗日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：谁导师签名塑堡星：日期：立蝣月丑日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景及研究意义 第一章绪论 1 大气气溶胶研究意义 大气气溶胶是大气中的重要成分之一，其质量仅占整个大气质量的十亿分之 一，是由大气介质和混合于其中的固体或液体颗粒物组成的体系【l 】。它具有一定 的稳定性，沉降速度小，尺度范围常i 玻, 1 0 弓岬的分子团到1 0 岬的尘粒、云滴， 大气中悬浮着的各种固体和液体粒子，例如尘、烟、雾、霾、微生物、海盐、植 物孢子和花粉等粒子，都是气溶胶【2 】。 大气气溶胶是研究大气污染的重要参数，已成为大气科学的重要分支学科， 具有显著的边缘学科性质，它所涉及的领域与大气物理( 云物理、大气辐射传输、 大气光学、大气电学) 、空气污染、大气化学、高层大气学、气候学、环境和工 程技术、医疗卫生等学科密切相判2 1 。虽然气溶胶在大气中的含量很少，但由于 其具有不均匀广泛分布、变化尺度小、远距离输送、短暂的生命期、巨大的空间 变化、复杂的化学组成和辐射强迫等特点，它不仅对云的凝结核、雨滴等形成、 能见度等方面产生重要影响，还对辐射平衡、区域气候异常及全球气候环境变化 和人类健康有着极其重要的影响【3 5 】。除此之外，气溶胶粒子之间还可能发生化 学反应，使其成分和状态发生改变，从而转化为二次气溶胶，而二次气溶胶的危 害更大。 在表征大气气溶胶的参量中，光学厚度( a e r o s o lo p t i c a ld e p t h ，a o d ，也 称a o t ) 是其中最重要的物理量之一，是推算气溶胶的含量，评价大气环境污染 程度，研究气溶胶辐射气候效应的一个最关键的因子【6 1 。大气气溶胶光学厚度是 指无云大气铅直气柱中气溶胶散射造成的消光程度，表示的是单位截面在垂直方 向上消光系数的积分，可用来表示大气浑浊度。 大气气溶胶颗粒是灰霾的主要成分，而灰霾对大气环境造成了非常恶劣的影 响。灰霾又称大气棕色云，在中国气象局的地面气象观测规范中，灰霾 天气被这样定义：“大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能 见度小于1 0 千米的空气普遍有混浊现象，使远处光亮物微带黄、红色，使 黑暗物微带蓝色。 目前，在我国的部分区域存在着4 个灰霾严重地区：黄 淮海地区、长江河谷、四川i 盆地和珠江三角洲。灰霾期间，大气能见度恶化、 交通事故高发、空气质量下降、人们心脑血管疾病等病症急剧上升，灰霾正演变 为我国城市大气中的主要灾害之一。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 近年来，珠江三角洲地区的大气污染事件频频发生，出现多次灰霾天气。有 观测记载资料显示：灰霾天气从6 0 年代的年均不足2 天，要! l j 2 0 0 2 年，广州的灰霾 天气为8 5 天，2 0 0 3 年升至9 8 天，2 0 0 4 年多达1 4 4 天，2 0 0 5 年灰霾日开始呈现缓慢 回落，是1 3 2 天，2 0 0 6 年是1 2 3 天，2 0 0 7 年是1 3 1 天，到了2 0 0 8 年，灰霾天气是1 1 0 天，并且一次灰霾的持续时间有时长达7 天【7 8 1 。由于大气气溶胶颗粒是灰霾的主 要成分，因此加强珠江三角洲地区的大气气溶胶研究不仅必要，并且具有十分重 要的意义。 2 可吸入颗粒物研究意义 可吸入颗粒物又称为飘尘，我国的环境空气质量标准( g b 3 0 9 5 1 9 9 6 ) 中将可吸入颗粒物定义为：悬浮在空气中，动力学当量直径 1 0 扯m 的颗粒物，简 称p m l o 。p m l o 在环境空气中持续的时间很长，对人体健康和大气能见度影响都 很大。p m l o 的主要来源是烟囱和车辆排放的废气、燃料不完全燃烧所形成的烟雾 和环境空气中硫的氧化物、氮氧化物、挥发性有机化合物及其它化合物互相作用 形成的细小颗粒物，它们的化学和物理组成依地点、气候、一年中的季节不 同而变化很大。p m l o 其细小而不受人的鼻腔阻档，可以直入人肺部并存留在肺 的深处，不易被排出体外，是大气颗粒物中对人体健康威胁最大的一类【9 1 。 灰霾天气下，气压降低，还会造成空气中可吸入颗粒物骤增。灰霾天气可减 弱近地层紫外线，由于空气流通不好，易使空气中的传染性病菌的活性增强，传 染病增多，呼吸道、心脑血管、肺炎、鼻腔炎症等疾病的患者增多，还容易让人 产生悲观、忧郁情绪u o - u 】。 可吸入颗粒物已逐渐成为我国大多数城市中首要的大气污染物，加强这一领 域的研究是我国面临的一项紧迫任务，具有重要的科学意义和应用价值【1 2 1 。珠江 三角洲地区随着经济的高速发展，人民生活水平的迅速提高，各城市的工业企业 大量兴起，汽车、摩托车的保有量逐年递增，可吸入颗粒物的污染也有日益明显 的趋势；同时本地区处于气候温暖的沿海地区，其可吸入颗粒物主要来源于工业 排放、汽车尾气排放和土壤扬尘等过程，具有与北方的煤烟型污染大不相同的污 染特征。因此，加强珠江三角洲地区的可吸入颗粒物研究工作力度，不仅具有很 强的现实指导意义，也有很高的科研价值【l 3 1 。 1 2 大气气溶胶反演的国内外研究进展 1 2 1 国外研究进展 国际上卫星遥感气溶胶的研究始于2 0 世纪7 0 年代中期，早期主要用单通道 反射率方法来探测海洋上空的沙尘粒子【1 4 】；随后，r a o ，s t o w e ，l o n g 等人利用 中南大学硕士学位论文第一章绪论 n o a a 的a v h r r 资料反演了海洋上空气溶胶光学厚度【1 5 d7 1 。上个世纪8 0 年代， 陆地气溶胶遥感研究逐渐发展起来，其中最具代表性的方法是k a u f m a n 和s e n d r a 建立的暗像元算法【1 8 】，此后，经过不断改进【1 9 2 1 1 ，它成为目前陆地上空气溶胶遥 感应用最广泛的算法。 上个世纪末本世纪初，t e r r a 卫星( 1 9 9 9 年发射，携带m o d i s 传感器) 和 a q u a 卫星( 2 0 0 2 年发射，携带m o d i s 传感器) 发射以来，n a s a 开始了全球 海洋和部分陆地上空的气溶胶光学厚度反演，并将其拓展为业务产品，免费提供 全球海洋和部分陆地上空的气溶胶光学厚度。这为许多单位和科研院所提供了良 好的研究气溶胶光学厚度的条件。 目前为止，卫星遥感气溶胶已形成了一个非常丰富的体系。可用来遥感气溶 胶光学厚度的主要传感器有a v h r r 、t o m s 、a t s r 2 、p o l d e r 、m o d i s 、 m i s r 、o m i 和g m s 等；并且根据遥感仪器的不同，卫星遥感气溶胶的方法也 有多种，主要有单通道遥感、多通道遥感、多角度多通道遥感、偏振特性遥感四 大类【锄。 1 2 2 国内研究进展 我国的科研人员从2 0 世纪8 0 年代也开始了反演大气气溶胶光学厚度的研 究，吕达仁等【2 3 l 论述了消光一小角散射综合遥感气溶谱分布的原理以及分段反演 和联立反演两种数学处理方法，数值试验表明综合遥感能够发扬消光法和小角散 射法的长处，克服各自的局限，既能提高大粒子的反演精度，又能改善小粒子的反 演结果。随后，邱金桓等【2 4 】利用消光一小角散射法遥感气溶胶谱分布。1 9 8 6 年， 赵柏林等【2 5 】最早利用n o a a - a v h r r 资料对海上单点的气溶胶光学厚度进行遥 感。李正强掣2 6 】根据无云的垂直非均匀、平面平行混浊大气模型条件下，大气顶 的可见红外波段的辐射与气溶胶光学厚度之间的单调相关关系，利用g m s 卫星 v i s r r 资料近似求取海面上空的大气气溶胶光学厚度。陈洪滨等人【2 7 】曾经利用 a d e o s 上的p o l d o e r ( 辐射偏振探测器) 资料对草地上空的气溶胶光学厚度进 行遥感研究。毛节泰等【2 8 】利用g m s 卫星v l s s r 可见光波段资料，首先反演陆 地上的众多湖泊等大型水体上空的大气气溶胶光学厚度，然后内插到整个陆地表 面，进而达到求取任意陆地表面上空的大气气溶胶光学厚度的目的，结果证明该 方法是可行的。现对大气气溶胶研究的五个主要方面：气溶胶的特性、气溶胶的 大气化学过程、沙尘气溶胶、气溶胶对气候和健康的效应。 上世纪末、本世纪初，m o d i s 传感器发射之后，国内有许多学者开始了用 m o d i s 资料来反演气溶胶光学厚度。李晓静等【2 9 】采用暗像元法和结构函数法建 立了反演陆地气溶胶光学厚度的遥感模型，用于获取北京及其周边地区的气溶胶 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 光学厚度，并利用与卫星观测同步的地基太阳光度计观测资料估计的气溶胶光学 厚度数据验证了卫星资料反演结果。李成才等【3 0 】在美国国家航空和宇航局 ( n a s a ) $ m j 用中分辨率成像光谱仪( m o d i s ) 遥感大气气溶胶业务算法的基础上， 提出了一个l k m 高分辨率气溶胶光学厚度反演方法，并应用于香港地区的反演， 与地面太阳光度计的长期对比相对偏差大约为2 0 以内。唐家奎等【3 l 】提出了基于 利用t e r r a 和a q u a 叉j ( 星m o d i s 数据的协同反演模型算法( s y n t a m s y n e r g yo f t e r r aa n da q u am o d i s ) ，用以反演陆地气溶胶的光学厚度等信息，该算法实现了 地表反射率与气溶胶光学厚度的同时反演，通过与a e r o n e t 的地面数据对比， 具有较高的精度。 1 3 大气可吸入颗粒物研究进展 美国国家环保局e p a 于1 9 8 5 年将原始颗粒物指示物质由总悬浮颗粒物t s p 项 目修改为p m i o ，我国也在1 9 9 6 年颁布的环境空气质量标准( g b 3 0 9 5 1 9 9 6 ) 中 规定了p m l o 的标准，并统一在空气质量日报中采用p m l o 指标【l3 1 。上世纪六七十年 代，国外对可吸入颗粒物的研究集中在化学成分分析和污染源解析方面，到了八 九十年代，则侧重于从流行病学角度来解释可吸入颗粒物对人体造成的危害【3 2 1 。 目前，国内对大气可吸入颗粒物的研究主要集中在可吸入颗粒物的来源、特 征、机理及危害等方面，对p m l o 和p m 2 5 的研究才刚刚起步，还没有对大气中的 p m l o 和p m 2 5 进行系统的研究，也没有对这些细颗粒污染物的物理化学特征及其 环境效应进行过系统的评价【3 3 1 。 如魏复盛等【3 4 】对我国四个大城市( 广州、武汉、兰州和重庆) 空气中p m 2 5 和p m l o 污染及其化学组成进行了研究：宋宇等【3 5 】发现颗粒物的散射消光作用在 北京市能见度下降中占有主要地位，并利用细粒子质量浓度方便快捷地估算出大 气能见度的近似值；李凤龙等 3 6 】在2 0 0 3 年7 f l 至2 0 0 4 年6 月期间对广州市街道 p m l o 、p m 2 5 进行了初步测定，结果表明p m l o 、p m 2 5 质量浓度季节变化幅度较大、 变化趋势相似，并且p m l o 、p m 2 5 两者之间存在显著的相关性，表明广州市街道空 气中细颗子( p m 2 5 ) 在可吸入颗粒物中占很大比重；崔明明等【y 7 】针对广州地区讨 论了p m l o 的化学组分特征以及气象条件对主要污染物的影响，并在此基础上应用 主因子分析法对p m l o 的主要来源进行解析，确定广州地区p m l o 的主要污染源是 地面扬尘、燃油排放、冶金化工及电子加工排放、燃煤、二次转化和生物质燃烧； 芮冬梅等【38 】采用化学质量平衡( c m b ) 模型解析南京市环境空气中可吸入颗粒物 的来源，认为扬尘等开放源类是南京市可吸入颗粒物污染的首要因素；郭斌等【3 9 】 研究了石家庄市秋季可吸入颗粒物质量浓度垂直分布和粒度分布特征，结果表明 p m 2 5 和p m l o 累积分布随高度增加呈现出对数增加的规律；沈家芬等【4 0 】对广州市 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 p m i o 的时空变化特征进行分析，结果显示广州市p m l o 年平均质量浓度逐年递增， 月平均质量浓度和季节变化趋势也较明显，秋冬季节污染较重，春夏季节污染较 轻。 1 4 本文的研究内容 近年，广州地区近年大气污染事件频繁发生，灰霾天气占到全年的1 3 左右， 对人们的生产生活产生了严重的危害，而灰霾的主要成分是大气气溶胶颗粒，并 且灰霾会造成可吸入颗粒物的增加，因此对大气气溶胶和可吸入颗粒物的研究具 有十分重要的意义。大气污染大气气溶胶光学厚度和可吸入颗粒物质量浓度虽然 含义不同，但是均可以反映空气质量状况，因此可以将它们结合起来来对大气污 染进行研究。本文主要针对广州地区的气溶胶光学厚度及可吸入颗粒物进行研 究，研究的内容包括以下几个方面： 1 ) 叙述m o d i s 遥感陆地气溶胶的原理及方法，具体的阐述了m o d i s1 b 数据预处理，并利用6 s 模型模拟广州地区在不同的日期、几何条件、气溶胶类 型和光谱通道下地表反射率、气溶胶光学厚度与表观反射率之间的关系： 2 ) 对m o d i s 气溶胶产品进行数据预处理，并利用m o d i s 气溶胶产品对广 州地区大气气溶胶光学厚度进行分析，研究广州地区在不同时间段气溶胶光学厚 度的变化，旨在为研究广州地区大气气溶胶污染及控制提供一定的参考和技术支 持； 3 ) 收集广州地区各监测站空气污染物分指数，并对其进行数据处理，使其 变为p m l o 质量浓度，从而对广州地区p m l o 污染进行时空变化分析； 4 ) 将气溶胶光学厚度数据与p m l o 数据进行相关分析和回归分析，建立各种 数学模型，从而得出它们之间的关系，为预测气溶胶光学厚度和分析大气污染事 件提供一定的参考和技术支持。 中南大学硕士学位论文 第二章m o d i s 遥感陆地气溶胶光学厚度原理及敏感性试验 第二章m o d ls 遥感陆地气溶胶光学厚度原理及敏感性试验 由遥感的物理基础可知，传感器所记录的数据是地面观测目标的反射或辐射 能量的光谱辐射绝对值，包含了由于太阳位置和角度条件、大气条件、地形影响 和传感器本身的性能所引起的各种失真，特别是由于大气吸收、折射和散射导致 遥感可用的大气窗口较少，而且会减弱进入遥感器的能量，容易得出大气只能对 遥感产生负面影响的结论。事实上，正是大气的这一特性使得遥感监测大气环境 成为可能。由于大气影响，传感器接收的信息就会“失真，这种“失真”信息 研究就成为遥感监测大气环境污染的基础【4 1 - 4 2 。 2 。1 卫星遥感气溶胶光学厚度原理与方法 2 1 1 卫星遥感气溶胶光学厚度原理 陆地上空气溶胶遥感发展于大气上界观测辐射p 幸，以表观反射率为单位可 表示为： z r l , u o ( 2 一- 1 ) = l lj 其中三是大气上界辐射，e 是大气外界太阳辐射通量，胁是太阳天顶角的 余弦。 假设大气垂直均匀变化，不考虑气体的吸收，且陆地表面为均匀朗伯面，则 表观反射率又可表示为： p ( 秒，a o ，) = p o ( a ，a o ，) + 乃( o o ) t ( o ) p o s p ) ( 2 - 2 ) 其中，口是卫星天顶角，皖是太阳天顶角，矽是卫星方位角与太阳方位角之 差的绝对值，即相对方位角。以( p ，皖，) 是路径辐射( 大气贡献项) ，c ( 皖) 是 在地表反射率为零时归一化总的向下辐射通量，等价于总的向下透过率，由于气 溶胶和分子的吸收和将阳光向后散射回太空，它的值小于1 o 。t ( o ) 是向上进入 卫星视场方向的总透过率，s 是大气向后散射比，p 为地表反射率。 由( 2 2 ) 式可以看出，当地表反射率p 很小时，路径辐射成( 口，o o ，矽) 对表 观反射率的贡献较大；当地表反射率p 很大时，地面贡献( 即2 2 式第二项) 对 表观反射率的贡献较大。 卫星遥感陆地气溶胶光学厚度的难点在于地表反射率和气溶胶模型同时未 知。因此要进行陆地气溶胶光学厚度遥感，首先需要解决地表反射率和气溶胶模 型这两个未知参数的确定问题。为了从表观反射率反演气溶胶光学厚度，需要合 6 中南大学硕士学位论文第二章m o d i s 遥感陆地气溶胶光学厚度原理及敏感性试验 理假定气溶胶模型，以提供单次散射反照率和气溶胶相函数只。在确定了气 溶胶模型和地表反射率后，从m o d i s 影像上读取相应信息，并根据公式( 2 2 ) ， 即可从表观反射率反演得到气溶胶光学厚度。 2 1 2 卫星遥感气溶胶光学厚度方法 卫星遥感气溶胶光学厚度有多种方法，比如暗像元法、结构函数法、地表反 差法等。由于m o d i s 气溶胶产品采用暗像元法生成，下面具体介绍暗像元法的 原理和反演流程。 陆地上的稠密植被、湿土壤及水体覆盖区在可见光波段反射率很低，在卫 星图像上称为暗像元。模拟及观测研究表明，在晴空无云的暗像元上空，卫星观 测反射率随大气气溶胶光学厚度单调增加，利用这种关系反演大气气溶胶光学厚 度的算法，称为暗像元方法。暗像元算法基于表观反射率的大气贡献项，即利用 卫星观测的路径辐射反演气溶胶光学厚度。它是目前陆地上空气溶胶遥感应用最 为广泛的算法。 k a u f r a a n 等人利用了大量经过大气校正的卫星资料、飞机探空和地面的光谱 资料，通过6 s 模式计算了红( 0 6 6 9 r n ) 、蓝( 0 4 9 1 a m ) 波段与中红外( 2 2 1 a n ) 波段地表反射率之间的关系，并考虑了多种地表覆盖情况，计算的结果表明，当 2 2 1 t m 波长处的地表反射率p 0 1 时，蓝光通道的地表反射率p o - 4 9 = 岛2 4 ，红 光通道的地表反射率岛崩= 岛：2 ；由于2 1 l x m 波长和2 2 9 m 波长的地表反射率 差别不大，可近似相等，所以又有p o 4 9 = 岛。4 ，p o 酌= 岛1 2 。他们认为2 b a r n 通道受气溶胶的影响很小，所以可用卫星观测的2 1 9 m 通道的表观反射率值代替 此通道的地表反射率值，即有： p o 72 2 1 4 ( 2 3 ) 岛- 6 6 = 2 1 2 在单次散射近似中，路径辐射见( 秒，o o ，妒) 可表示为： 以( 口，皖，) = 成( p ，o o ，) + 口只( 口，o o ，) ( 4 卢) ( 2 - 4 ) 其中，成( p ，o o ，) 为由于分子散射而造成的路径辐射，为单次散射相函数， 吃为气溶胶光学厚度，只( 口，o o ，) 为气溶胶散射相函数，和胁分别为卫星天顶 角和太阳天顶角的余弦。可以看出，路径辐射与、乇和只成正比例。 利用卫星观测资料可得到太阳天顶角、卫星天顶角、散射角和表观反射率， 根据( 2 3 ) 式，可得到0 6 6 9 m 和0 4 9 1 x r n 通道的地表反射率。因此，只需给出 大气气溶胶模型( 可得到单次散射反照率和相函数) ，再根据( 2 - 4 ) 式，就可以 反演出气溶胶的光学厚度。 暗像元法反演陆地上气溶胶光学厚度的具体的步骤【4 3 】如下： 7 中南大学硕士学位论文第二章m o d i s 遥感陆地气溶胶光学厚度原理及敏感性试验 1 选取暗像元，并确定其地表反射率 第一优先级：o 0 1 p + ，。0 0 5 第二优先级：p ，。0 0 2 5 第三优先级：o 0 1 p + ，。o 1 0 第四优先级：0 0 1 p ，0 1 5 2 初步估计气溶胶光学厚度 首先利用大陆模式( l e n o b l ea n db r o g n i e z ，1 9 8 4 ) 从红和蓝通道的p + 撕和p 8 k i 推算气溶胶光学厚度。在反演过程中，利用由大陆模式生成的查找表计算气溶胶 光学厚度，该查找表在地表朗伯反射率和作为光学厚度、观测和照射几何函数的 观测辐射之间建立关系( k a u f m a ne ta 1 ，1 9 9 0 c ) 。在l o k m x l o k m 的网格区域上 气溶胶反演中使用的户+ 和p 8 轴值是选定的暗像元中最低的1 0 4 0 部分的平均 值。 3 确定气溶胶模式 利用初步估计的气溶胶光学厚度来确定气溶胶模式和在红蓝通道气溶胶单 次散射路径辐射之比。用大陆气溶胶模式参数从m o d i s 观测辐射计算气溶胶单 次散射辐射l p ，可以表示为： l p 五= 芹m 芹m c o ml ( 4 q t o ) ( 2 5 ) 对很小的光学厚度r 水0 1 5 ，预计观测到的光谱辐射对确定的气溶胶模式不 够敏感，所以，如果了i e d t h l ( ) 时，则应使用沙尘模式。如果l p r e d l p - b l u 。 t l l 2 ( ) ，则 使用非沙尘模式。在两个阈值t h l ( ) 和t i l 2 ( o ) 之间，对模式进行线性内插。这样 的插值会产生一个包括由烟尘或工业城市污染造成的累积模式和由土壤、沙尘 组成的粗模式组合成的模式，这实质上是一种大陆模式。作为散射角 的函数 的阈值是根据理论计算两条路径辐射的比值得出的，表示如下： 对4 0 0 o s l5 0 0t h l ( 0 ) = 0 9 0 ，t i l 2 ( o ) = 0 7 2 ； 对1 5 0 0 1 6 8 0 ，不可能区分气溶胶类型差异，同时由于相函数对粒子尺度和形 状的强烈依赖，不能很好地确定相函数。 对于非沙尘和非大陆模式的情况，烟尘和工业城市气溶胶的区分是以地理 位置和季节为依据的( d a l m e i d ae ta 1 ，1 9 9 1 ；h a oa n dl i u ，1 9 9 4 ) ，按纬度和精度 带分类： 工业城市气溶胶 北美和欧洲：( 1 0 0 w o 一5 0 e o ；3 0 n o 7 0 n o ) ， 东南亚：( 1 0 5 0 e 1 5 0 0 e ：1 5 0 n - - 4 5 0 n ) ， 中南大学硕士学位论文第二章m o d i s 遥感陆地气溶胶光学厚度原理及敏感性试验 中美洲和非洲( 5 1 1 月) ：( 1 0 0 0 w , - 一5 0 0 e ；赤道, - 3 0 0 n ) ， 南美和非洲( 1 2 4 月) ：( 1 0 0 0 w - - - 5 0 0 e ：6 5 0 s 赤道) 。 烟尘 中美洲和非洲( 1 2 4 月) ：( 1 0 0 0 w - 5 0 0 e ；赤道3 0 0 n ) ， 南美和非洲( 5 1 2 月) ：( 1 0 0 0 w 5 0 0 e ：6 5 0 s 赤道) ， 世界上其它地区。 其中，工业城市和烟尘气溶胶区是事先根据经验确定的，按经纬度划分成 方块区域，是将其引入反演算法的需要。然而，在局部区域一些类型气溶胶并不 存在，例如，在沙特阿拉伯和非洲东部一些地区不存在以工业城市类型为主的 气溶胶：在南极大陆( 7 0 0 n ) 可以认为是无气溶胶污染 地区。 4 重新计算气溶胶光学厚度 一旦气溶胶模式确定下来，就可以订正光学厚度f f e d 和fb l u e 在新确定的气溶 胶模式和以前使用的大陆模式之间的差异。这一订正是根据从m o d i s 观测辐射 计算气溶胶单次散射辐射l 戳完成的。单次散射路径辐射用大陆气溶胶模式参数 表示，见( 2 5 ) 式；同样，单次散射路径辐射用确定的新模式参数描述为： l 附= f 矿矿( 4 t k t o ) ( 2 - 6 ) 这样，就可以得到从大陆模式计算的光学厚度值f 到新模式下的光学厚度 值f ：删的转换关系： r，：fptpfont(02ntnew ( 2 7 )r ，= f ( 2 7 ) “ “爿”崂” 上式转换关系的建立依据假定：相函数和单次散射反照率中的差异会影响单 次散射辐射，不会影响多次散射。在光学厚度很高的时候，多次散射更为重要， 可以预计单次散射反照率中的误差会非常大，气溶胶光学厚度反演结果的误差也 会较大。解决方法是针对每一种气溶胶模式分别生成查算表，并以查算表为基础 反演气溶胶光学厚度。 5 亚网格计算 在一些特殊的个例中，例如在烟尘源附近，星下点的分辨率可能很低，不能 捕捉到强烈的气溶胶空间变化。如果这些源位于蓝光和红光光谱通道的暗区中， 分辨率可以调得更细些。 9 中南大学硕十学位论文第二章m o d i s 遥感陆地气溶胶光学厚度原理及敏感性试验 2 2m o d i s1b 数据介绍及预处理 2 2 1m o d is 数据介绍 1 m o d i s 成像光谱仪介绍 1 9 8 3 年，美国地球科学界和航空航天局( n a s a ) 明确提出地球观测系统 ( e o s ) 计划。e o s 计划是一个史无前例的规模巨大的国际综合性空间计划，其 核心是把地球看作一个复杂的系统，从地圈、水圈、大气圈、冰雪圈和生物圈等 多学科领域收集资料，研究和解决地球系统科学问题。它将大地作为一个系统， 从全球尺度上综合理解的宏图，为对地遥感开创了一个新时代m 】。1 9 9 1 年起， n a s a 正式启动了把地球作为一个整体环境系统进行综合观测的e o s 计划，以 获得能反映地球这个复杂系统的变化信息。 e o s 系列卫星上最主要的仪器是中分辨率成像光谱仪( m o d e r a t e r e s o l u t i o n i m a g i n gs p e c t r o r a d i o m e t e r ) ，简称m o d i s 。m o d i s 是搭载在t e r r a ( a m 1 ) 和a q u a ( p m 1 ) 卫星上的一个重要的传感器。上午星t e r r a 于1 9 9 9 年1 2 月1 8 日发射，当地时间1 0 ：3 0 上行飞过赤道；下午星于a q u a 2 0 0 2 年5 月4 日发射，当地时间1 ：3 0 下行飞过赤道。 m o d i s 是当前世界上新一代“图谱合一的新一代遥感传感器 ，总视野为 4 - 5 5 0 ，视场宽度达到2 3 3 0 k m ，共有4 9 0 个探测器，3 6 个电磁光谱波段通道，分 布在从可见光、近红外到热红外的电磁波谱范围内( o 4 岬1 4 肛m ) ，可用于提 供反映陆地、海洋、大气水汽、臭氧、大气温度、臭氧和云顶高度等特征的信息 ( 见表2 - 1 ) ，被广泛用于陆地科学、海洋科学和大气科学，还可以为植被指数、 土地覆盖和利用变化、农作物估产、森林调查、自然灾害监测、海洋环境监测、 城市热岛效应等方面提供技术支持，能够出色的完成对地球大气圈、水圈、生物 圈以及岩石圈等的立体多尺度观测。 m o d i s 数据主要有三个特点【45 1 ，第一，n a s a 对m o d i s 数据实行全球 免费接收的政策，t e r r a a q u a 卫星除m o d i s h - 的其他传感器获取的数据 均采取公开有偿使用的政策，这样的数据接收和使用政策对于目前大多数 科学家来说是不可多得的、廉价并且实用的数据资源；第二，m o d i s 数据 涉及波段范围广( 3 6 个通道) 、空间分辨率比n o a a a v h r r 有了很大的提高 ( 2 5 0 m 、5 0 0 m 和1 0 0 0 m ) ，数据量化精度更高，为1 2 b i t ( n o a a a v h r r 为 1 0 b i t ) ；第三，t e r r a 和a q u a 卫星是太阳同步极轨卫星，结合起来可获得 一天4 次的数据，这样的数据更新频率，对突发性、快速变化的自然灾害和环 境污染有很强的监测能力，对实时地球观测和应急处理有极大的实用价值。 1 0 4 5 9 4 7 9 5 4 5 5 6 4 1 2 3 0 1 2 5 0 1 6 3 8 1 6 5 2 2 1 0 5 2 1 3 5 4 0 5 , 、, 4 2 0 4 3 8 4 4 8 4 8 3 4 9 3 5 2 6 5 3 6 5 4 5 5 5 6 6 6 2 6 7 2 6 7 3 6 8 3 7 4 3 , - ，7 5 3 8 6 2 8 7 7 8 9 0 9 2 0 9 3 l 9 4 l 9 1 5 9 6 5 3 6 6 0 - - 3 8 4 0 ( 1 m a ) 3 9 2 9 3 9 8 9 ( p m ) 3 。9 2 9 3 9 8 9 ( p m 4 0 2 0 4 0 8 0 ( o m ) 4 4 3 3 4 4 9 8 ( 1 x r n ) 4 4 8 2 4 9 4 8 ( i a a ) 1 3 6 0 - - 1 3 9 0 ( 1 t m ) 6 5 3 5 6 8 9 5 ( p m ) 7 17 5 7 4 7 5 ( 0 m ) 8 4 0 0 8 7 0 0 ( 1 a i n ) 9 5 8 9 9 8 8 0 ( r a n ) 1 0 7 8 0 11 2 8 0 ( p a n ) 11 7 7 0 1 2 2 7 0 ( i x m ) 1 3 1 8 5 1 3 4 8 5 ( o m ) 1 3 4 8 5 - 1 3 7 8 5 ( m ) 1 3 7 8 5 - - 1 4 0 8 5 ( 0 m ) 2 4 3 2 2 8 7 4 2 7 5 1 1 0 8 8 0 8 3 8 0 8 0 2 7 5 4 7 5 0 9 1 0 1 0 8 7 5 8 6 5 7 6 1 6 7 5 7 2 5 0 o 0 5 2 o o 0 0 7 0 0 7 0 2 5 o 2 5 1 5 0 4 0 2 5 o 2 5 o 0 5 0 2 5 0 0 5 o 。0 5 o 2 5 0 2 5 0 2 5 陆地、云特性 5 0 0 海洋水色、 浮游植物、 生物地理、 化学 大气水汽 地球表面和云顶温度 大气温度 卷云、水汽 臭氧 地球表面和云顶温度 云顶高度 2 m o d i $ 文件格式介绍 1 ) i - i d f 文件格式介绍【4 3 】 m o d i s 数据采用阶层数据格式( h i e r a r c h i c a ld a t af o r m a t ) ，简称h d f ， h d f 格式是美国国家超级计算应用中心( n a t i o n a lc e n t e r f o rs u p e r c o m p 砸n g 3 4 5 6 7 8 9 m n 坦b h挎悸侈加俎娩”烈拍”鹋凹如n轮驺舛驺 中南大学硕士学位论文 第二章m o d i s 遥感陆地气溶胶光学厚度原理及敏感性试验 a p p l i c a t i o n ) 为了满足各种领域研究需求而研制的一种能高效存储和分发科学数 据的新型数据格式。一个h d f 文件中可以包含多种类型的数据，如栅格图像数 据、科学数据集、信息说明数据，从而方便了人们对信息的提取。h d f 的数据 结构是一种分层式数据管理结构，如图2 - 1 。 图2 1h d f 数据结构例图1 h d f 是一个能够自我描述、多目标、用于科学数据存储和分发的数据格式。 它针对存储和分发科学数据的各种要求提供解决方法。h d f 设计特点为： a 自我描述：一个h d f 文件中可以包含关于该数据的全面信息。 b 多样性：一个h d f 文件中可以包含多种类型的数据。例如，可以通过利 用适当的h d f 文件结构，在某个h d f 文件中存储符号、数值和图形数据。 c 灵活性：可以让用户把相关数据目标集中一个h d f 文件的某个分层结构 中，并对其加以描述。同时可以给数据目标记上标记，方便查取。用户也可以把 科学数据存储到多个h d f 文件中。 d 可扩展性：在h d f 中可以加入新数据模式，增强了它与其它标准格式的 兼容性。 e 独立性：h d f 是一种同平台无关的格式。h d f 文件在不同平台间传递而 不用转换格式。 2 ) m o d i s 数据产品分级、分类【4 6 】 m o d i s 标准数据产品分级系统由5 级数据构成，它们分别是：0 级、l 级、 2 级、3 级和4 级。 0 级数据：卫星地面站直接接收到的、未经处理的、包括全部数据信息在内 的原始数据为0 级数据。 1 2 中南大学硕士学位论文第二章m o d i s 遥感陆地气溶胶光学厚度原理及敏感性试验 l 级数据：对没有经过处理的、完全分辨率的仪器数据进行重建，数据时间 配准，使用辅助数据注解，计算和增补到0 级数据之后为1 级数据。 2 级数据：在1 级数据基础上开发出的、具有相同空间分辨率和覆盖相同地 理区域的数据为2 级数据。 3 级数据：3 级数据是以统一的时间空间栅格表达的变量，通常具有一定的 完整性和一致性。在3 级水平上，将可以集中进行科学研究，如：定点时间序列， 来自单一技术的观测方程和通用模型等。 4 级数据：通过分析模型和综合分析3 级以下数据得出的结果数据为4 级数 据。 m o d i s 标准数据产品根据内容的不同分为0 级、1 级数据产品，在1 b 级数 据产品之后，划分2 4 级数据产品，包括：陆地标准数据产品、大气标准数据产 品和海洋标准数据产品等三种主要标准数据产品类型，总计分解为4 4 种标准数 据产品类型。表2 2 是本文用到的四种数据产品： 表2 - 2 四种标准m o d i s 数据产品类型 3 ) m o d i s1 b 数据产品介绍 m o d i s1 b 数据是m o d i s4 4 种数据产品中的一种，产品编号为 m o d 0 2 m y d 0 2 。其中，m o d 0 2 数据来自t e r r a 卫星，m y d 0 2 数据来自a q u a ， 它们是经过仪器标定的数据产品，自带有经纬度数据，分辨率有2 5 0 m ( q k m ) 、 5 0 0 m ( h k m ) 和l k m ( 1 k m ) ，如表2 3 。 不同分辨率的产品在轨道方向和扫描线方向的观测点数不同，若把所有波段 的数据都放在单一的科学数据集对象中的话，从数据存储角度而言效率是很低 的，因此1 b 产品中只将分辨率相通、光谱性质相同的数据放在同一s d s 对象内， 称为波段组。表2 4 是1 b 产品中的各波段组。 其中，“r e f s b ”指的是太阳光反射波段，而“e m i s s i v e ”指的是热辐射波 段。波段8 1 9 实际上是1 4 个波段，包括1 3 1 0 ，1 3 h i ，1 4 1 0 ，1 4 h i ( 若加上波段 2 6 则为1 5 个波段) 。 中南大学硕士学位论文 第二章m o d i s 遥感陆地气溶胶光学厚度原理及敏感性试验 表2 - 3m o d i si b 产品概要h ”：3 个科学数据+ 1 个工程数据 e c s 对m o d i s1 b 文件的命名 声目由斑 丛q 旦! 璺丛皇! ! 璺丛q 旦! 坠g 坚璺 m o d 0 2 q k mm y d 0 2 q k m 校正过的2 5 0 米分辨率的对地观测数据 m o d 0 2 h k m m y d 0 2 h k m 校正禁碧瓣裟麓躲端黼嚣2 5 。