基于MODIS数据的城市地区气溶胶光学厚度遥感反演研究

1、基于基于MODIS数据的城市地区气溶胶数据的城市地区气溶胶光学厚度遥感反演研究光学厚度遥感反演研究 研究背景研究背景目的和意义目的和意义 研究方案研究方案 技术路线技术路线 结论结论展望展望 国内外研究现状国内外研究现状 研究目标研究目标研究内容研究内容 两个基本概念v气溶胶 大气气溶胶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，粒径范围在10- 3微米到102微米之间的分子团、固态或液态微粒所组成的分散体系，大气中悬浮着的各种固体和液体粒子，例如尘埃、烟粒、微生物、植物孢子和花粉，以及由水和冰组成的云雾滴、冰晶和雨雪等粒子，都是气溶胶； v气溶胶光学厚度（AOD） 气溶胶光学厚度是

2、指沿辐射路径传输过程中，单位面积上所有吸收和散射气溶胶而产生的总削弱，是无量纲量。研究背景、意义和目的v气溶胶在地球辐射收支平衡和全球气候变化中扮演着重要的角色。v精确探测AOD，对于研究气候变化具有重要意义；v 基于太阳分光光度计的地基探测方法可以比较准确地测量气溶胶信息, 但获取的只是空间点上的数据，不能反映大区域气溶胶时空分布； 卫星遥感反演方法具有覆盖面积广、信息获取方便、快捷等特点，相对于地面观测可以更高效地获取大气气溶胶信息，为人们实时了解大区域范围内的气溶胶变化提供了可能，因此具有广泛的研究前景；v随着对地观测技术的实施以及定量遥感技术的发展，卫星遥感AOD具有良好的发展前景；

3、AOD遥感反演国外研究现状v国外利用遥感反演AOD进展呈现以下特点： 1 始于20世纪70年代中期； 2 从研究内容角度：利用卫星资料反演AOD取得了大量的研究成果： 1）采用TERRA（AQUA） MODIS/MISR、PARASOL POLDER、 ENVISAT MERIS/AATSR等各种传感器进行AOD反演，并基于太阳分光光度计的地基实测数据或者国际气溶胶网（AERONET）观测数据进行精度验证； 2）基于不同的卫星传感器，进行AOD反演算法的改进或者创新，形成了各种算法 ； 3）进行不同传感器之间 AOD反演的比较研究 ； 4）将反演的AOD和其他的环境、气候影响因子进行各种统计相

4、关分析，探求他们之间的相互影响机制 。v3 从传感器的发展角度：AOD遥感反演呈现多样化，传感器向多光谱、多角度、多偏振方向发展。AOD遥感反演国外研究现状MISR 多角度（9个观测角度）MODIS多光谱（36个波段）POLDER多角度（16个观测角）多偏振AOD遥感反演国内研究现状 v国内利用遥感反演AOD进展呈现以下特点： 1 始于20世纪80年代中期； 2 从研究内容角度：利用卫星资料反演AOD取得了一些研究成果： 1）采用MODIS传感器进行AOD反演，并基于太阳光度计的地基实测数据进行精度验证； 2）进行遥感反演AOD算法的改进或者创新 ； 3）基于国际气溶胶观测网（AERONET）

5、数据对MODIS AOD反演进行精度验证的还很少； 4）对中国区域进行不同传感器AOD产品反演结果进行比较研究的目前还很少； 3 从传感器角度： 大多采用MODIS传感器； 技术路线主要内容 v 配合卫星的过境时间，在兰大本部科学馆楼顶，对2005年5月到2006年4月的晴空天气进行了地面多波段光度计的连续观测试验，得到了32天的有效数据，以方便验证卫星资料的反演验证工作。v 对基于Fortran语言的6S辐射传输模型进行了单像元和整幅影像的反演试验，完成了MODIS数据的整幅影像的反演。v 利用6S辐射传输模式，通过Kaufman的扩展的暗像元方法算法，对兰州及周边地区四个不同季节的气溶胶光

6、学厚度进行了反演，并对结果做了简单的分析。多波段太阳光度计数据获取v2005/5/82006/4/18v32天v兰州大学本部逸夫科学管楼顶 遥感反演AOD基本原理 *0aaVSVSdS0aaV0aaVSmVS*VS0aaP (, )(, )F (,P )T(,P )(, )(, )41 S(,P ) 表观反射率表观反射率路径辐射路径辐射地表反射率地表反射率AOD气溶胶散射相函数气溶胶散射相函数 大气后向散射比大气后向散射比 T是向上进入卫星传感器视场方向的总透过率是向上进入卫星传感器视场方向的总透过率Fd是在地表反射率归一化为零时总的向下辐射通量是在地表反射率归一化为零时总的向下辐射通量 表1

7、 部分气溶胶光学厚度反演算法 暗像元(Dense Dark Vegetation, DDV)算法 vDr.Kaufman(NASA Goddard Space Flight Center ,1988);v大量飞机飞行试验;v陆地上的稠密植被、湿土壤及水体覆盖区(暗像元)；v确定7通道的表观反射率和1，3通道地表反射率之间的关系；v确定了红、蓝通道的地表反照率，并且假定合理的气溶胶模型，就可以由卫星观测表观反射率来获取气溶胶光学厚度； *R2.1/ 2 *B2.1/ 4 扩展的暗像元算法 vDr.Kaufman(NASA Goddard Space Flight Center , 2002);v

8、干旱、半干旱等高反射地区；v对于星下点，暗像元方法可以用于反演中红外通道表观反射率小于0.4的区域； v对于非星下点，考虑了太阳和卫星几何参数，暗像元法可以扩展到中红外通道表观反射率小于下式的地区（其中 为卫星天顶角的余弦， 为太阳天顶角的余弦）； 00.125(1/1/)06S辐射传输模式介绍v6S(Second Simulation of Satellite Signal in the Solar Spectrum)，即第二代太阳短波辐射的卫星信号模拟。它是由法国大气光学实验室和美国马里兰大学地理系Veromote 在5S模型的基础上开发的辐射传输模型，目前己成为世界上发展完善的大气辐射校

9、正模型之一。v该模式主要用来模拟星载或机载遥测仪器在0.25微米-4.0微米光谱上无云情况下卫星传感器理论上应接收到的辐射值，模式的光谱积分步长为2.5 nm。6S辐射传输模式组成部分v太阳、地物与传感器之间的几何关系； 太阳天顶角/方位角；卫星天顶角/方位角v大气模式 ； 6种大气模式：中纬度夏季或冬季v气溶胶模式 ； 13种气溶胶模式：大陆型v传感器的光谱特性 ； 42或44v地表反射率模型 ； 均一地表/无方向性 6S辐射传输模式运算方式v6S辐射传输模式有两种运算方式，即正算与反算；v正算是根据地表反射率情况和大气的环境参量，计算出传感器应接收到的辐射亮度（或地气系统反照率）；v反算是

10、用户给定传感器接收的辐亮度（或地气系统反照率）与大气的环境参量，利用模式计算出大气的光学参数，进一步利用大气参数和传感器接收值反算出地表反射率，这个过程又可以称为大气订正过程。v文中主要利用模式的正算过程，模拟计算无云情况下大气气溶胶的光学厚度。反演过程和步骤v将MOD021KM文件1、3、7通道的元数据（表观反射率）合并为一个ENVI标准文件1；将MOD03文件的经度、纬度、高度、太阳天顶角、太阳方位角、卫星天顶角和卫星方位角7个元数据合并为一个ENVI标准文件2；v对（1）中的得到的ENVI标准文件1进行地理定位和蝴蝶结去除，并利用该过程中产生的控制点文件对ENVI标准文件2进行配准，使得

11、这些数据的空间分辨率均为1km；v对处理过的MOD02和MOD03数据文件分别选择感兴趣区域，并将所需要的元数据以ASCII码的形式输出；v利用第7波段表观反射率，通过扩展暗像元算法来估算1、3波段反演点的地表反射率值；v将以上得到的表观反射率、地表反射率数据和几何路径参数代入6S模式，并确定6S所需的其余参数，如大气模式参数、气溶胶模式参数等，再通过6S模式计算出每个反演点上一系列550 nm光学厚度时的MODIS 1、3波段的理论表观反射率值，当理论表观反射率与MODIS数据文件中的表观反射率相对应时的光学厚度即为要反演的光学厚度。6S辐射传输模式输入文件6S辐射传输模式输入文件6S辐射传

12、输模式编译6S辐射传输模式输出文件AOD扩展的DDV算法反演兰州及周边地区AOD v反演选取的范围 - N， - E v按四个季节给出反演的个例： 35.336.3103.2104.22006年年3月月9日兰州及周边地区日兰州及周边地区550 nm气溶胶光学厚度分布图气溶胶光学厚度分布图（API=108，轻度污染），轻度污染） （兰大站点太阳光度计光测值为（兰大站点太阳光度计光测值为0.334，反演值为，反演值为0.421）2005年年5月月8日兰州及周边地区日兰州及周边地区550 nm气溶胶光学厚度分布图气溶胶光学厚度分布图（API=140，轻度污染），轻度污染） （兰大站点太阳光度计光测值

13、为（兰大站点太阳光度计光测值为0.406，反演值为，反演值为0.671）2005年年9月月2日兰州及周边地区日兰州及周边地区550 nm气溶胶光学厚度分布图气溶胶光学厚度分布图（API=87，良）（兰大站点太阳光度计光测值为，良）（兰大站点太阳光度计光测值为0.384，反演值为，反演值为0.687）2005年年11月月8日兰州及周边地区日兰州及周边地区550 nm气溶胶光学厚度分布图气溶胶光学厚度分布图（API=158，轻度污染），轻度污染） （兰大站点太阳光度计光测值为（兰大站点太阳光度计光测值为0.633，反演值为，反演值为0.796）反演结果分析 v从气溶胶光学厚度的分布结构来看，兰州市

14、区的气溶胶光学厚度一般呈两个高值区（分别对应于西固区和城关区），有时也会出现三个高值区（分别对应西固区、城关区和七里河区）的情况，光学厚度最大值通常位于西固区；临夏市的气溶胶光学厚度也较大，而广河县、康乐县、和政县、榆中县及其周边区域则很较小；v从反演的精度看，4个季节的4景影像的反演值都比太阳光度计观测值大，其中2005年9月2日的反演精度误差最大，其余3景的误差都在25%左右。 反演结果分析 从气溶胶光学厚度的季节变化来看：v春季与夏初（5月份）受沙尘或大风天气的影响，气溶胶光学厚度的空间分布变化也较大：春季由于采暖期未完全结束，加上工业生产大气污染物的排放和沙尘粒子的影响，气溶胶受自然源

15、和人为源共同影响，组成成分复杂，空气污染仍然比较严重。v夏季的气溶胶光学厚度分布比较稳定，气溶胶主要以工业排放为主，市区显示出以工业源污染为主的特点。v秋季9月至10月中，由于农作物的收割，裸露土壤的增加，使得气溶胶组分中自然尘增加，加之逐渐临近冬季，市区煤烟排放也逐渐增加，气溶胶的垂直厚度增大，城市的大气质量下降。10月底冬季采暖的开始，市区气溶胶光学厚度明显增大。v冬季的反演结果表明，由于冬季供暖大气污染物排放的增加和扩散条件不利等原因，使得兰州市区及附近地区大气污染非常严重，从MODIS成像图片看，厚厚的大气污染物覆盖在兰州上空，严重影响着市区的空气质量和能见度。冬季为一年中兰州市空气污

16、染最严重的季节。结 论 v大多情况下，兰州市气溶胶光学厚度有两个高值区分别位于西固区和城关区，七里河区有时也会出现高值区，而气溶胶光学厚度最大值通常出现在西固区，这与实际污染源的分布是一致的；兰州地区春季气溶胶光学厚度受沙尘天气的影响大，从大范围的反演结果看，市区范围的气溶胶光学厚度明显比周边地区大。v地面太阳光度计观测资料反演结果显示，2005年5月至2006年4月在兰州大学本部利用多波段太阳光度计连续进行了地面观测，观测资料计算的550 nm波段气溶胶光学厚度结果显示，2005年4月底气溶胶光学厚度开始减小，5月至9月气溶胶光学厚度维持在相对较小的状态；10月份气溶胶光学厚度开始增大，持续

17、到2006年4月初气溶胶光学厚度都相对较大，其中2005年11月至12月气溶胶光学厚度最大，对应的冬季是兰州市大气污染最严重时期；2006年春季（3-4月）气溶胶光学厚度受沙尘天气影响大。vKaufman扩展的暗像元算法对高反射率地区，比如城市地区能保证一定的反演精度，但还面临着很多困难，大气模式、气溶胶模式、几何参数、BRDF等输入参数都会对结果产生影响。展 望v 6S辐射传输模式输入参数的选择，所选择的气溶胶模式不同会给结果带来较大的误差。对兰州市及周边地区的气溶胶模式，本文选择为大陆型，可能研究区域实际的气溶胶模式与6S中定义的模式并不相同，所以根据实际的情况构建适合特定区域的气溶胶模式是提高反演精度的有效途径；v利用MODIS资料反演气溶胶光学厚度过程中，地表的二向性反射特征对地表反射率的准确估算有一定的影响，从而对气溶胶光学厚度的反演结果带来影响，