基于MODIS數(shù)據(jù)城市地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度遙感反演研究(基于6s模型構(gòu)建查找表)

1、基于基于MODIS數(shù)據(jù)的城市地區(qū)氣溶膠數(shù)據(jù)的城市地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度遙感反演研究光學(xué)厚度遙感反演研究 研究背景研究背景目的和意義目的和意義 研究方案研究方案 技術(shù)路線技術(shù)路線 結(jié)論結(jié)論展望展望 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 研究目標(biāo)研究目標(biāo)研究內(nèi)容研究內(nèi)容 兩個基本概念v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(tuán)、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； v氣溶膠光學(xué)厚度（AOD） 氣溶膠光學(xué)厚度是

2、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(chǎn)生的總削弱，是無量綱量。研究背景、意義和目的v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。v精確探測AOD，對于研究氣候變化具有重要意義；v 基于太陽分光光度計(jì)的地基探測方法可以比較準(zhǔn)確地測量氣溶膠信息, 但獲取的只是空間點(diǎn)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(diǎn)，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(shí)時了解大區(qū)域范圍內(nèi)的氣溶膠變化提供了可能，因此具有廣泛的研究前景；v隨著對地觀測技術(shù)的實(shí)施以及定量遙感技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感AOD具有良好的發(fā)展前景；

3、AOD遙感反演國外研究現(xiàn)狀v國外利用遙感反演AOD進(jìn)展呈現(xiàn)以下特點(diǎn)： 1 始于20世紀(jì)70年代中期； 2 從研究內(nèi)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、PARASOL POLDER、 ENVISAT MERIS/AATSR等各種傳感器進(jìn)行AOD反演，并基于太陽分光光度計(jì)的地基實(shí)測數(shù)據(jù)或者國際氣溶膠網(wǎng)（AERONET）觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證； 2）基于不同的衛(wèi)星傳感器，進(jìn)行AOD反演算法的改進(jìn)或者創(chuàng)新，形成了各種算法 ； 3）進(jìn)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(jìn)行各種統(tǒng)計(jì)相

4、關(guān)分析，探求他們之間的相互影響機(jī)制 。v3 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(nèi)研究現(xiàn)狀 v國內(nèi)利用遙感反演AOD進(jìn)展呈現(xiàn)以下特點(diǎn)： 1 始于20世紀(jì)80年代中期； 2 從研究內(nèi)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(jìn)行AOD反演，并基于太陽光度計(jì)的地基實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證； 2）進(jìn)行遙感反演AOD算法的改進(jìn)或者創(chuàng)新 ； 3）基于國際氣溶膠觀測網(wǎng)（AERONET）

5、數(shù)據(jù)對MODIS AOD反演進(jìn)行精度驗(yàn)證的還很少； 4）對中國區(qū)域進(jìn)行不同傳感器AOD產(chǎn)品反演結(jié)果進(jìn)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(shù)路線主要內(nèi)容 v 配合衛(wèi)星的過境時間，在蘭大本部科學(xué)館樓頂，對2005年5月到2006年4月的晴空天氣進(jìn)行了地面多波段光度計(jì)的連續(xù)觀測試驗(yàn)，得到了32天的有效數(shù)據(jù)，以方便驗(yàn)證衛(wèi)星資料的反演驗(yàn)證工作。v 對基于Fortran語言的6S輻射傳輸模型進(jìn)行了單像元和整幅影像的反演試驗(yàn)，完成了MODIS數(shù)據(jù)的整幅影像的反演。v 利用6S輻射傳輸模式，通過Kaufman的擴(kuò)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

6、學(xué)厚度進(jìn)行了反演，并對結(jié)果做了簡單的分析。多波段太陽光度計(jì)數(shù)據(jù)獲取v2005/5/82006/4/18v32天v蘭州大學(xué)本部逸夫科學(xué)管樓頂 遙感反演AOD基本原理 *0aaVSVSdS0aaV0aaVSmVS*VS0aaP (, )(, )F (,P )T(,P )(, )(, )41 S(,P ) 表觀反射率表觀反射率路徑輻射路徑輻射地表反射率地表反射率AOD氣溶膠散射相函數(shù)氣溶膠散射相函數(shù) 大氣后向散射比大氣后向散射比 T是向上進(jìn)入衛(wèi)星傳感器視場方向的總透過率是向上進(jìn)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是在地表反射率歸一化為零時總的向下輻射通量 表1

7、 部分氣溶膠光學(xué)厚度反演算法 暗像元(Dense Dark Vegetation, DDV)算法 vDr.Kaufman(NASA Goddard Space Flight Center ,1988);v大量飛機(jī)飛行試驗(yàn);v陸地上的稠密植被、濕土壤及水體覆蓋區(qū)(暗像元)；v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(guān)系；v確定了紅、藍(lán)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(xué)厚度； *R2.1/ 2 *B2.1/ 4 擴(kuò)展的暗像元算法 vDr.Kaufman(NASA Goddard Space Flight Center , 2002);v

8、干旱、半干旱等高反射地區(qū)；v對于星下點(diǎn)，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； v對于非星下點(diǎn)，考慮了太陽和衛(wèi)星幾何參數(shù)，暗像元法可以擴(kuò)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）； 00.125(1/1/)06S輻射傳輸模式介紹v6S(Second Simulation of Satellite Signal in the Solar Spectrum)，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(xué)實(shí)驗(yàn)室和美國馬里蘭大學(xué)地理系Veromote 在5S模型的基礎(chǔ)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

9、正模型之一。v該模式主要用來模擬星載或機(jī)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(yīng)接收到的輻射值，模式的光譜積分步長為2.5 nm。6S輻射傳輸模式組成部分v太陽、地物與傳感器之間的幾何關(guān)系； 太陽天頂角/方位角；衛(wèi)星天頂角/方位角v大氣模式 ； 6種大氣模式：中緯度夏季或冬季v氣溶膠模式 ； 13種氣溶膠模式：大陸型v傳感器的光譜特性 ； 42或44v地表反射率模型 ； 均一地表/無方向性 6S輻射傳輸模式運(yùn)算方式v6S輻射傳輸模式有兩種運(yùn)算方式，即正算與反算；v正算是根據(jù)地表反射率情況和大氣的環(huán)境參量，計(jì)算出傳感器應(yīng)接收到的輻射亮度（或地氣系統(tǒng)反照率）；v反算是

10、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(jì)算出大氣的光學(xué)參數(shù)，進(jìn)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。v文中主要利用模式的正算過程，模擬計(jì)算無云情況下大氣氣溶膠的光學(xué)厚度。反演過程和步驟v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(biāo)準(zhǔn)文件1；將MOD03文件的經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)文件2；v對（1）中的得到的ENVI標(biāo)準(zhǔn)文件1進(jìn)行地理定位和蝴蝶結(jié)去除，并利用該過程中產(chǎn)生的控制點(diǎn)文件對ENVI標(biāo)準(zhǔn)文件2進(jìn)行配準(zhǔn)，使得

11、這些數(shù)據(jù)的空間分辨率均為1km；v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；v利用第7波段表觀反射率，通過擴(kuò)展暗像元算法來估算1、3波段反演點(diǎn)的地表反射率值；v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(jì)算出每個反演點(diǎn)上一系列550 nm光學(xué)厚度時的MODIS 1、3波段的理論表觀反射率值，當(dāng)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(yīng)時的光學(xué)厚度即為要反演的光學(xué)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

12、輸模式編譯6S輻射傳輸模式輸出文件AOD擴(kuò)展的DDV算法反演蘭州及周邊地區(qū)AOD v反演選取的范圍 - N， - E v按四個季節(jié)給出反演的個例： 35.336.3103.2104.22006年年3月月9日蘭州及周邊地區(qū)日蘭州及周邊地區(qū)550 nm氣溶膠光學(xué)厚度分布圖氣溶膠光學(xué)厚度分布圖（API=108，輕度污染），輕度污染） （蘭大站點(diǎn)太陽光度計(jì)光測值為（蘭大站點(diǎn)太陽光度計(jì)光測值為0.334，反演值為，反演值為0.421）2005年年5月月8日蘭州及周邊地區(qū)日蘭州及周邊地區(qū)550 nm氣溶膠光學(xué)厚度分布圖氣溶膠光學(xué)厚度分布圖（API=140，輕度污染），輕度污染） （蘭大站點(diǎn)太陽光度計(jì)光測值

13、為（蘭大站點(diǎn)太陽光度計(jì)光測值為0.406，反演值為，反演值為0.671）2005年年9月月2日蘭州及周邊地區(qū)日蘭州及周邊地區(qū)550 nm氣溶膠光學(xué)厚度分布圖氣溶膠光學(xué)厚度分布圖（API=87，良）（蘭大站點(diǎn)太陽光度計(jì)光測值為，良）（蘭大站點(diǎn)太陽光度計(jì)光測值為0.384，反演值為，反演值為0.687）2005年年11月月8日蘭州及周邊地區(qū)日蘭州及周邊地區(qū)550 nm氣溶膠光學(xué)厚度分布圖氣溶膠光學(xué)厚度分布圖（API=158，輕度污染），輕度污染） （蘭大站點(diǎn)太陽光度計(jì)光測值為（蘭大站點(diǎn)太陽光度計(jì)光測值為0.633，反演值為，反演值為0.796）反演結(jié)果分析 v從氣溶膠光學(xué)厚度的分布結(jié)構(gòu)來看，蘭州市

14、區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度一般呈兩個高值區(qū)（分別對應(yīng)于西固區(qū)和城關(guān)區(qū)），有時也會出現(xiàn)三個高值區(qū)（分別對應(yīng)西固區(qū)、城關(guān)區(qū)和七里河區(qū)）的情況，光學(xué)厚度最大值通常位于西固區(qū)；臨夏市的氣溶膠光學(xué)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?。籿從反演的精度看，4個季節(jié)的4景影像的反演值都比太陽光度計(jì)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(jié)果分析 從氣溶膠光學(xué)厚度的季節(jié)變化來看：v春季與夏初（5月份）受沙塵或大風(fēng)天氣的影響，氣溶膠光學(xué)厚度的空間分布變化也較大：春季由于采暖期未完全結(jié)束，加上工業(yè)生產(chǎn)大氣污染物的排放和沙塵粒子的影響，氣溶膠受自然源

15、和人為源共同影響，組成成分復(fù)雜，空氣污染仍然比較嚴(yán)重。v夏季的氣溶膠光學(xué)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(diǎn)。v秋季9月至10月中，由于農(nóng)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(zhì)量下降。10月底冬季采暖的開始，市區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度明顯增大。v冬季的反演結(jié)果表明，由于冬季供暖大氣污染物排放的增加和擴(kuò)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(yán)重，從MODIS成像圖片看，厚厚的大氣污染物覆蓋在蘭州上空，嚴(yán)重影響著市區(qū)的空氣質(zhì)量和能見度。冬季為一年中蘭州市空氣污

16、染最嚴(yán)重的季節(jié)。結(jié) 論 v大多情況下，蘭州市氣溶膠光學(xué)厚度有兩個高值區(qū)分別位于西固區(qū)和城關(guān)區(qū)，七里河區(qū)有時也會出現(xiàn)高值區(qū)，而氣溶膠光學(xué)厚度最大值通常出現(xiàn)在西固區(qū)，這與實(shí)際污染源的分布是一致的；蘭州地區(qū)春季氣溶膠光學(xué)厚度受沙塵天氣的影響大，從大范圍的反演結(jié)果看，市區(qū)范圍的氣溶膠光學(xué)厚度明顯比周邊地區(qū)大。v地面太陽光度計(jì)觀測資料反演結(jié)果顯示，2005年5月至2006年4月在蘭州大學(xué)本部利用多波段太陽光度計(jì)連續(xù)進(jìn)行了地面觀測，觀測資料計(jì)算的550 nm波段氣溶膠光學(xué)厚度結(jié)果顯示，2005年4月底氣溶膠光學(xué)厚度開始減小，5月至9月氣溶膠光學(xué)厚度維持在相對較小的狀態(tài)；10月份氣溶膠光學(xué)厚度開始增大，持續(xù)

17、到2006年4月初氣溶膠光學(xué)厚度都相對較大，其中2005年11月至12月氣溶膠光學(xué)厚度最大，對應(yīng)的冬季是蘭州市大氣污染最嚴(yán)重時期；2006年春季（3-4月）氣溶膠光學(xué)厚度受沙塵天氣影響大。vKaufman擴(kuò)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(jié)果產(chǎn)生影響。展 望v 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(jié)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?qū)嶋H的氣溶膠模式與6S中定義的模式并不相同，所以根據(jù)實(shí)際的情況構(gòu)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；v利用MODIS資料反演氣溶膠光學(xué)厚度過程中，地表的二向性反射特征對地表反射率的準(zhǔn)確估算有一定的影響，從而對氣溶膠光學(xué)厚度的反演結(jié)果帶來影響，