環(huán)境遙感技術(shù)及應(yīng)用（田靜毅）大氣遙感課件

1、環(huán)境遙感技術(shù)及應(yīng)用（田靜毅）大氣遙感,1,大氣遙感,環(huán)境遙感技術(shù)及應(yīng)用（田靜毅）大氣遙感,2,大氣圈是全球變化中最活躍的部分，物理氣候系統(tǒng)和生物化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)中許多相互影響、作用和交換的過程都要通過大氣圈來完成。如全球的能量循環(huán)和水循環(huán)、碳循環(huán)等均離不開這一圈層。因此，利用對地觀測衛(wèi)星監(jiān)測大氣要素（溫、壓、濕、風(fēng)）的垂直分布及其時間演變、大氣中一些溫室氣體的含量及其變化、對輻射具有顯著作用的云和氣溶膠的含量及其變化等是十分重要和有意義的工作。應(yīng)該說，對地觀測衛(wèi)星從誕生到現(xiàn)在的40多年，地球科學(xué)和航天科技這兩個領(lǐng)域的專家一直在致力于這一問題的解決，到目前為止已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展，得到了許多有價值的

2、成果，但離問題的最終解決尚需時日。,環(huán)境遙感技術(shù)及應(yīng)用（田靜毅）大氣遙感,3,（1）大氣溫度和濕度探測 （2）衛(wèi)星云跡風(fēng)探測 (3) 臭氧監(jiān)測 (4) 大氣氣溶膠監(jiān)測,環(huán)境遙感技術(shù)及應(yīng)用（田靜毅）大氣遙感,4,大氣氣溶膠監(jiān)測 氣溶膠是大氣中十分重要的成分，在很多生物地球化學(xué)循環(huán)中具有重要作用。它的光學(xué)厚度分布直接影響著大氣系統(tǒng)的輻射收支；它的粒徑和性質(zhì)與成云的效率和大氣水循環(huán)直接相關(guān)；大顆粒氣溶膠則是衡量空氣質(zhì)量，關(guān)系人類健康的重要因素，極端情況下沙塵或沙塵暴爆發(fā)則會對人類活動帶來多方面影響。 衛(wèi)星遙感監(jiān)測氣溶膠和沙塵粒子的基本原理是它們對太陽可見光和近紅外波段的反射和散射。由于不同粒徑大小的

3、氣溶膠粒子的光學(xué)特性有差異，這樣利用星載遙感探測器得到的不同波段的輻射就有可能反演得到相應(yīng)粒子氣溶膠的光學(xué)厚度。,環(huán)境遙感技術(shù)及應(yīng)用（田靜毅）大氣遙感,5,氣溶膠散射光學(xué)厚度是氣溶膠粒子各個特征參數(shù)的綜合效應(yīng)，集中體現(xiàn)了大氣氣溶膠的狀況。我國的科學(xué)家研制的基于暗目標(biāo)的遙感圖像大氣氣溶膠光學(xué)厚度獲取方法，可用于遙感圖像氣溶膠光學(xué)厚度的實(shí)時獲取，該方法結(jié)果與地面測量結(jié)果較一致，說明該方法是可行的。,環(huán)境遙感技術(shù)及應(yīng)用（田靜毅）大氣遙感,6,火山爆發(fā)、森林或草場火災(zāi)、工業(yè)廢氣等產(chǎn)生的煙塵和火柱，可直接在遙感圖像上確定位置和范圍，并根據(jù)它們的運(yùn)動、發(fā)展規(guī)律進(jìn)行預(yù)測、預(yù)報。比如從北京地區(qū)的TM影像和SP

4、OT影像觀測到石景山電廠煙囪排入大氣的煙塵，就是很好的例子。此外，這些污染會形成落塵，在低空飄浮，可以通過探測植物的受害程度來間接分析，或在降雪后探測雪層的光譜變化和污粒含量。可以通過可見光圖像、紅外圖像等來判斷。利用氣象衛(wèi)星可見光和近紅外譜段的測量，在海洋上的晴空區(qū)可以估計出大氣氣溶膠的含量，對陸地上氣溶膠含量的估算的研究在進(jìn)行中。,環(huán)境遙感技術(shù)及應(yīng)用（田靜毅）大氣遙感,7,沙塵暴監(jiān)測 沙塵暴是利用氣象衛(wèi)星能有效監(jiān)測的陸地上空氣溶膠含量的一種特殊情況。因?yàn)樯硥m暴爆發(fā)之后，懸浮在大氣中不同粒徑的沙塵粒子已經(jīng)足夠多，使衛(wèi)星遙感探測器監(jiān)測到的輻射均來自沙塵本身。即可見光和近紅外通道測得的沙塵對太陽

5、光的反射和散射輻射，紅外波段測得的則是沙塵頂部的發(fā)射輻射。通過對某一地區(qū)（如中國西北地區(qū)）云、沙塵和地表在AVHRR各通道的統(tǒng)計分析，一些低云與沙塵頂部的亮溫很相近，但二者在反射率上卻有顯著差別；西北地區(qū)裸露的地表與沙塵在可見光通道的反射率上很相近，但二者在紅外通道和亮溫上又有明顯差別。根據(jù)這些特點(diǎn)，可以對可見光、近紅外和紅外通道進(jìn)行單通道增強(qiáng)，然后進(jìn)行三通道的R、G、B合成，在合成的圖像上可以很容易地將沙塵、低云和地表區(qū)分開來。,環(huán)境遙感技術(shù)及應(yīng)用（田靜毅）大氣遙感,8,目前，廣泛采用的利用遙感衛(wèi)星圖像監(jiān)測沙塵的方法均建立在這一思路之上。圖就是按此方法制作出來的一幅3通道真彩圖色合成圖，該圖

6、為風(fēng)云一號衛(wèi)星2002年4月7日上午監(jiān)測的沙塵暴圖像，圖中顯示東北地區(qū)大部、內(nèi)蒙古中東部、河北北部出現(xiàn)大范圍沙塵暴。,環(huán)境遙感技術(shù)及應(yīng)用（田靜毅）大氣遙感,9,環(huán)境遙感技術(shù)及應(yīng)用（田靜毅）大氣遙感,10,海洋上空的氣溶膠監(jiān)測 氣溶膠主要是由兩種過程產(chǎn)生的。一是地球表面的物質(zhì)（如土壤顆粒、海鹽粒子、生物燃燒后的微粒和工業(yè)的廢棄塵粒等）通過物理和化學(xué)過程進(jìn)入、并分布于大氣中；二是大氣中的化學(xué)反應(yīng)，凝聚等過程形成的粒子。這些粒子的直徑在10-2100m之間，衛(wèi)星可見光通道探測得到的氣溶膠粒子對可見光的多次散射輻射值是衛(wèi)星遙感氣溶膠的基礎(chǔ)。但是，其散射值的大小與粒子的大小、粒子濃度和譜分布有關(guān)。下墊面

7、的反射輻射有一部分可以透過氣溶膠到達(dá)外空。因此，在晴空大氣條件下，衛(wèi)星上探測到的可見光輻射由下墊面反射的太陽輻射透過氣溶膠部分與氣溶膠多次散射返回太空的部分組成。這樣，衛(wèi)星遙感氣溶膠的難度要比監(jiān)測沙塵暴和沙塵的難度大得多。因?yàn)?，首先必須從衛(wèi)星遙感的可見光輻射值中區(qū)分出哪些來自下墊面反射，多少是氣溶膠的多次散射值。,環(huán)境遙感技術(shù)及應(yīng)用（田靜毅）大氣遙感,11,為什么在利用衛(wèi)星遙感手段監(jiān)測氣溶膠的工作中首先得到解決的是海洋上空的氣溶膠遙感，就是因?yàn)楹Ｑ蟊砻娴姆瓷渎市∮?0%，且海表十分均勻。這樣帶來了基本不需要扣除下墊面背景輻射的影響問題，即海洋上空衛(wèi)星遙感的可見光輻射值就是大氣中氣溶膠的多次散射

8、輻射值。,環(huán)境遙感技術(shù)及應(yīng)用（田靜毅）大氣遙感,12,海洋上空遙感氣溶膠常用方法是查找表法。依據(jù)MODIS或AVHRR的觀測光譜通道，利用包含有大氣分子和氣溶膠粒子多次散射、地表對陽光反射的角分布和光偏振的輻射傳輸模式，針對11種氣溶膠模式，計算在15個天頂觀測角（即在天頂角11588的范圍內(nèi)，每間隔6取一個計算角），15個方位角（即在0180的方位角范圍內(nèi)，每12取一個計算角）和在7個太陽入射角情況下散射回太空的相應(yīng)光譜通道的輻射值。將這些計算結(jié)果列成表。一旦得到海洋上空晴空區(qū)的遙感通道輻射值。通過查找表就可以得到大氣中氣溶膠的光學(xué)厚度和粒子大小的譜分布等參數(shù)。圖是利用MODIS衛(wèi)星的可見光

9、和近紅外通道反演得到的大西洋上空不同氣溶膠粒子的光學(xué)厚度。,環(huán)境遙感技術(shù)及應(yīng)用（田靜毅）大氣遙感,13,Terra衛(wèi)星MODIS遙感探測器得到的大西洋上空的氣溶膠光學(xué)厚度（2000年2月29日）,環(huán)境遙感技術(shù)及應(yīng)用（田靜毅）大氣遙感,14,陸地上空的氣溶膠監(jiān)測 陸地上空遙感氣溶膠的最大困難是地表反射輻射的扣除問題。為了解決這一問題，MODIS在可見光和近紅外有7個探測通道，其光譜分辨率在2050nm之間。盡管在整個可見光波段地表是一個亮背景，難以扣除，但其中的某些窄波段，如覆蓋植被和裸土的地表在紅光（0.620.67m）和藍(lán)光（0.460.48m）波段的反射率低，表現(xiàn)為暗背景。MODIS的第一

10、、三通道的光譜范圍分別是0.600.68m和0.400.48m，正好是暗背景。另一方面，氣溶膠對空間觀測輻射的影響隨波長接1到Y(jié)的比例遞減，到中紅外波段氣溶膠對觀測輻射的影響要比可見光波段小得多。因此，通過比較中紅外波段與藍(lán)光和紅外波段的反射率就可以確定是否有暗背景存在。然后，利用暗背景通道在陸地晴空區(qū)的衛(wèi)星遙感輻射測值，作為陸地上空估算氣溶膠光學(xué)厚度的主要依據(jù)。,環(huán)境遙感技術(shù)及應(yīng)用（田靜毅）大氣遙感,15,EOS-MODIS輻射儀提出的用于全球陸地上空氣溶膠遙感的方法。 第一步，選取暗背景像元，確定其地表反射率 利用2.1m通道的反射率，以及它與藍(lán)光、紅光的地表反射率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，可以較精確地

11、得出地表反射率。 第二步，初步估計光學(xué)厚度 利用全球大陸及氣溶膠模式和衛(wèi)星測得的紅光通道和藍(lán)光通道表觀反照率，推算氣溶膠的光學(xué)厚度。 第三步，確定氣溶膠模式利用第二步得到的氣溶膠光學(xué)厚度，確定氣溶膠模式和在藍(lán)光、紅光通道氣溶膠的單次散射的路徑之比。利用此比值可以區(qū)分出沙塵氣溶膠模式和非沙塵氣溶膠模式。,環(huán)境遙感技術(shù)及應(yīng)用（田靜毅）大氣遙感,16,第四步，重新計算氣溶膠的光學(xué)厚度根據(jù)氣溶膠模式訂正紅光和藍(lán)光的光學(xué)厚度。利用大陸模式氣溶膠等新模式氣溶膠的轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到重新計算的氣溶膠光學(xué)厚度。 第五步，次網(wǎng)格計算以上計算的氣溶膠的分辨率是10km10km。對于空間變化劇烈的氣溶膠就顯得不夠。為此，首先利用10km10km氣溶膠的光學(xué)厚度和標(biāo)準(zhǔn)差來確定是否需要訂正，如對標(biāo)準(zhǔn)差與光學(xué)厚度之比大于0.5，則氣溶膠的空間變化劇烈，需要可正。然后，將網(wǎng)格分成5km5km