基于MODIS數(shù)據(jù)的城市地區(qū)氣溶膠光學厚度遙感反演研究模板.ppt

基于MODIS數(shù)據(jù)的城市地區(qū)氣溶膠光學厚度遙感反演研究 研究背景目的和意義 研究方案技術路線 結論展望 國內外研究現(xiàn)狀 研究目標研究內容 兩個基本概念 氣溶膠大氣氣溶膠是指懸浮在地球大氣中的具有一定穩(wěn)定性的 沉降速度小的 粒徑范圍在10 3微米到102微米之間的分子團 固態(tài)或液態(tài)微粒所組成的分散體系 大氣中懸浮著的各種固體和液體粒子 例如塵埃 煙粒 微生物 植物孢子和花粉 以及由水和冰組成的云霧滴 冰晶和雨雪等粒子 都是氣溶膠 氣溶膠光學厚度 AOD 氣溶膠光學厚度是指沿輻射路徑傳輸過程中 單位面積上所有吸收和散射氣溶膠而產生的總削弱 是無量綱量 研究背景 意義和目的 氣溶膠在地球輻射收支平衡和全球氣候變化中扮演著重要的角色 精確探測AOD 對于研究氣候變化具有重要意義 基于太陽分光光度計的地基探測方法可以比較準確地測量氣溶膠信息 但獲取的只是空間點上的數(shù)據(jù) 不能反映大區(qū)域氣溶膠時空分布 衛(wèi)星遙感反演方法具有覆蓋面積廣 信息獲取方便 快捷等特點 相對于地面觀測可以更高效地獲取大氣氣溶膠信息 為人們實時了解大區(qū)域范圍內的氣溶膠變化提供了可能 因此具有廣泛的研究前景 隨著對地觀測技術的實施以及定量遙感技術的發(fā)展 衛(wèi)星遙感AOD具有良好的發(fā)展前景 AOD遙感反演國外研究現(xiàn)狀 國外利用遙感反演AOD進展呈現(xiàn)以下特點 1 始于20世紀70年代中期 2 從研究內容角度 利用衛(wèi)星資料反演AOD取得了大量的研究成果 1 采用TERRA AQUA MODIS MISR PARASOLPOLDER ENVISATMERIS AATSR等各種傳感器進行AOD反演 并基于太陽分光光度計的地基實測數(shù)據(jù)或者國際氣溶膠網(wǎng) AERONET 觀測數(shù)據(jù)進行精度驗證 2 基于不同的衛(wèi)星傳感器 進行AOD反演算法的改進或者創(chuàng)新 形成了各種算法 3 進行不同傳感器之間AOD反演的比較研究 4 將反演的AOD和其他的環(huán)境 氣候影響因子進行各種統(tǒng)計相關分析 探求他們之間的相互影響機制 3 從傳感器的發(fā)展角度 AOD遙感反演呈現(xiàn)多樣化 傳感器向多光譜 多角度 多偏振方向發(fā)展 AOD遙感反演國外研究現(xiàn)狀 MISR 多角度 9個觀測角度 MODIS 多光譜 36個波段 POLDER 多角度 16個觀測角 多偏振 AOD遙感反演國內研究現(xiàn)狀 國內利用遙感反演AOD進展呈現(xiàn)以下特點 1 始于20世紀80年代中期 2 從研究內容角度 利用衛(wèi)星資料反演AOD取得了一些研究成果 1 采用MODIS傳感器進行AOD反演 并基于太陽光度計的地基實測數(shù)據(jù)進行精度驗證 2 進行遙感反演AOD算法的改進或者創(chuàng)新 3 基于國際氣溶膠觀測網(wǎng) AERONET 數(shù)據(jù)對MODISAOD反演進行精度驗證的還很少 4 對中國區(qū)域進行不同傳感器AOD產品反演結果進行比較研究的目前還很少 3 從傳感器角度 大多采用MODIS傳感器 技術路線 主要內容 配合衛(wèi)星的過境時間 在蘭大本部科學館樓頂 對2005年5月到2006年4月的晴空天氣進行了地面多波段光度計的連續(xù)觀測試驗 得到了32天的有效數(shù)據(jù) 以方便驗證衛(wèi)星資料的反演驗證工作 對基于Fortran語言的6S輻射傳輸模型進行了單像元和整幅影像的反演試驗 完成了MODIS數(shù)據(jù)的整幅影像的反演 利用6S輻射傳輸模式 通過Kaufman的擴展的暗像元方法算法 對蘭州及周邊地區(qū)四個不同季節(jié)的氣溶膠光學厚度進行了反演 并對結果做了簡單的分析 多波段太陽光度計數(shù)據(jù)獲取 2005 5 8 2006 4 1832天蘭州大學本部逸夫科學管樓頂 遙感反演AOD基本原理 表觀反射率 路徑輻射 地表反射率 AOD 氣溶膠散射相函數(shù) 大氣后向散射比 T是向上進入衛(wèi)星傳感器視場方向的總透過率Fd是在地表反射率歸一化為零時總的向下輻射通量 表1部分氣溶膠光學厚度反演算法 暗像元 DenseDarkVegetation DDV 算法 Dr Kaufman NASAGoddardSpaceFlightCenter 1988 大量飛機飛行試驗 陸地上的稠密植被 濕土壤及水體覆蓋區(qū) 暗像元 確定7通道的表觀反射率和1 3通道地表反射率之間的關系 確定了紅 藍通道的地表反照率 并且假定合理的氣溶膠模型 就可以由衛(wèi)星觀測表觀反射率來獲取氣溶膠光學厚度 擴展的暗像元算法 Dr Kaufman NASAGoddardSpaceFlightCenter 2002 干旱 半干旱等高反射地區(qū) 對于星下點 暗像元方法可以用于反演中紅外通道表觀反射率小于0 4的區(qū)域 對于非星下點 考慮了太陽和衛(wèi)星幾何參數(shù) 暗像元法可以擴展到中紅外通道表觀反射率小于下式的地區(qū) 其中為衛(wèi)星天頂角的余弦 為太陽天頂角的余弦 6S輻射傳輸模式介紹 6S SecondSimulationofSatelliteSignalintheSolarSpectrum 即第二代太陽短波輻射的衛(wèi)星信號模擬 它是由法國大氣光學實驗室和美國馬里蘭大學地理系Veromote在5S模型的基礎上開發(fā)的輻射傳輸模型 目前己成為世界上發(fā)展完善的大氣輻射校正模型之一 該模式主要用來模擬星載或機載遙測儀器在0 25微米 4 0微米光譜上無云情況下衛(wèi)星傳感器理論上應接收到的輻射值 模式的光譜積分步長為2 5nm 6S輻射傳輸模式組成部分 太陽 地物與傳感器之間的幾何關系 太陽天頂角 方位角 衛(wèi)星天頂角 方位角大氣模式 6種大氣模式 中緯度夏季或冬季氣溶膠模式 13種氣溶膠模式 大陸型傳感器的光譜特性 42或44地表反射率模型 均一地表 無方向性 6S輻射傳輸模式運算方式 6S輻射傳輸模式有兩種運算方式 即正算與反算 正算是根據(jù)地表反射率情況和大氣的環(huán)境參量 計算出傳感器應接收到的輻射亮度 或地氣系統(tǒng)反照率 反算是用戶給定傳感器接收的輻亮度 或地氣系統(tǒng)反照率 與大氣的環(huán)境參量 利用模式計算出大氣的光學參數(shù) 進一步利用大氣參數(shù)和傳感器接收值反算出地表反射率 這個過程又可以稱為大氣訂正過程 文中主要利用模式的正算過程 模擬計算無云情況下大氣氣溶膠的光學厚度 反演過程和步驟 將MOD021KM文件1 3 7通道的元數(shù)據(jù) 表觀反射率 合并為一個ENVI標準文件1 將MOD03文件的經度 緯度 高度 太陽天頂角 太陽方位角 衛(wèi)星天頂角和衛(wèi)星方位角7個元數(shù)據(jù)合并為一個ENVI標準文件2 對 1 中的得到的ENVI標準文件1進行地理定位和蝴蝶結去除 并利用該過程中產生的控制點文件對ENVI標準文件2進行配準 使得這些數(shù)據(jù)的空間分辨率均為1km 對處理過的MOD02和MOD03數(shù)據(jù)文件分別選擇感興趣區(qū)域 并將所需要的元數(shù)據(jù)以ASCII碼的形式輸出 利用第7波段表觀反射率 通過擴展暗像元算法來估算1 3波段反演點的地表反射率值 將以上得到的表觀反射率 地表反射率數(shù)據(jù)和幾何路徑參數(shù)代入6S模式 并確定6S所需的其余參數(shù) 如大氣模式參數(shù) 氣溶膠模式參數(shù)等 再通過6S模式計算出每個反演點上一系列550nm光學厚度時的MODIS1 3波段的理論表觀反射率值 當理論表觀反射率與MODIS數(shù)據(jù)文件中的表觀反射率相對應時的光學厚度即為要反演的光學厚度 6S輻射傳輸模式輸入文件 6S輻射傳輸模式輸入文件 6S輻射傳輸模式編譯 6S輻射傳輸模式輸出文件 AOD 擴展的DDV算法反演蘭州及周邊地區(qū)AOD 反演選取的范圍 N E按四個季節(jié)給出反演的個例 2006年3月9日蘭州及周邊地區(qū)550nm氣溶膠光學厚度分布圖 API 108 輕度污染 蘭大站點太陽光度計光測值為0 334 反演值為0 421 2005年5月8日蘭州及周邊地區(qū)550nm氣溶膠光學厚度分布圖 API 140 輕度污染 蘭大站點太陽光度計光測值為0 406 反演值為0 671 2005年9月2日蘭州及周邊地區(qū)550nm氣溶膠光學厚度分布圖 API 87 良 蘭大站點太陽光度計光測值為0 384 反演值為0 687 2005年11月8日蘭州及周邊地區(qū)550nm氣溶膠光學厚度分布圖 API 158 輕度污染 蘭大站點太陽光度計光測值為0 633 反演值為0 796 反演結果分析 從氣溶膠光學厚度的分布結構來看 蘭州市區(qū)的氣溶膠光學厚度一般呈兩個高值區(qū) 分別對應于西固區(qū)和城關區(qū) 有時也會出現(xiàn)三個高值區(qū) 分別對應西固區(qū) 城關區(qū)和七里河區(qū) 的情況 光學厚度最大值通常位于西固區(qū) 臨夏市的氣溶膠光學厚度也較大 而廣河縣 康樂縣 和政縣 榆中縣及其周邊區(qū)域則很較小 從反演的精度看 4個季節(jié)的4景影像的反演值都比太陽光度計觀測值大 其中2005年9月2日的反演精度誤差最大 其余3景的誤差都在25 左右 反演結果分析 從氣溶膠光學厚度的季節(jié)變化來看 春季與夏初 5月份 受沙塵或大風天氣的影響 氣溶膠光學厚度的空間分布變化也較大 春季由于采暖期未完全結束 加上工業(yè)生產大氣污染物的排放和沙塵粒子的影響 氣溶膠受自然源和人為源共同影響 組成成分復雜 空氣污染仍然比較嚴重 夏季的氣溶膠光學厚度分布比較穩(wěn)定 氣溶膠主要以工業(yè)排放為主 市區(qū)顯示出以工業(yè)源污染為主的特點 秋季9月至10月中 由于農作物的收割 裸露土壤的增加 使得氣溶膠組分中自然塵增加 加之逐漸臨近冬季 市區(qū)煤煙排放也逐漸增加 氣溶膠的垂直厚度增大 城市的大氣質量下降 10月底冬季采暖的開始 市區(qū)氣溶膠光學厚度明顯增大 冬季的反演結果表明 由于冬季供暖大氣污染物排放的增加和擴散條件不利等原因 使得蘭州市區(qū)及附近地區(qū)大氣污染非常嚴重 從MODIS成像圖片看 厚厚的大氣污染物覆蓋在蘭州上空 嚴重影響著市區(qū)的空氣質量和能見度 冬季為一年中蘭州市空氣污染最嚴重的季節(jié) 結論 大多情況下 蘭州市氣溶膠光學厚度有兩個高值區(qū)分別位于西固區(qū)和城關區(qū) 七里河區(qū)有時也會出現(xiàn)高值區(qū) 而氣溶膠光學厚度最大值通常出現(xiàn)在西固區(qū) 這與實際污染源的分布是一致的 蘭州地區(qū)春季氣溶膠光學厚度受沙塵天氣的影響大 從大范圍的反演結果看 市區(qū)范圍的氣溶膠光學厚度明顯比周邊地區(qū)大 地面太陽光度計觀測資料反演結果顯示 2005年5月至2006年4月在蘭州大學本部利用多波段太陽光度計連續(xù)進行了地面觀測 觀測資料計算的550nm波段氣溶膠光學厚度結果顯示 2005年4月底氣溶膠光學厚度開始減小 5月至9月氣溶膠光學厚度維持在相對較小的狀態(tài) 10月份氣溶膠光學厚度開始增大 持續(xù)到2006年4月初氣溶膠光學厚度都相對較大 其中2005年11月至12月氣溶膠光學厚度最大 對應的冬季是蘭州市大氣污染最嚴重時期 2006年春季 3 4月 氣溶膠光學厚度受沙塵天氣影響大 Kaufman擴展的暗像元算法對高反射率地區(qū) 比如城市地區(qū)能保證一定的反演精度 但還面臨著很多困難 大氣模式 氣溶膠模式 幾何參數(shù) BRDF等輸入?yún)?shù)都會對結果產生影響 展望 6S輻射傳輸模式輸入?yún)?shù)的選擇 所選擇的氣溶膠模式不同會給結果帶來較大的誤差 對蘭州市及周邊地區(qū)的氣溶膠模式 本文選擇為大陸型 可能研究區(qū)域實際的氣溶膠模式與6S中定義的模式并不相同 所以根據(jù)實際的情況構建適合特定區(qū)域的氣溶膠模式是提高反演精度的有效途徑 利用MODIS資料反演氣溶膠光學厚度過程中 地表的二向性反射特征對地表反射率的準確估算有一定的影響 從而對氣溶膠光學厚度的反演結果帶來影響 因此對遙感資料進行BRDF訂正可能會提高反演精度