6S模型在成都平原氣溶膠光學厚度反演中的應(yīng)用研究

饒玫瑰，苗 放，葉成名，董智慧

地球探測與信息技術(shù)教育部重點實驗室(成都理工大學)，四川 成都 610059

6S模型在成都平原氣溶膠光學厚度反演中的應(yīng)用研究

饒玫瑰，苗 放，葉成名，董智慧

地球探測與信息技術(shù)教育部重點實驗室(成都理工大學)，四川 成都 610059

針對成都平原特殊的地理環(huán)境和氣候，使用6S模型，結(jié)合暗像元法，通過Java編程和折中查找法，對成都平原的MODIS影像進行氣溶膠光學厚度的反演。將反演結(jié)果與NASA(美國國家航空航天局) 發(fā)布的MODIS氣溶膠標準產(chǎn)品作對比檢驗，驗證反演結(jié)果的準確性。研究表明，反演結(jié)果較NASA產(chǎn)品具有更細致的表現(xiàn)力。

6S模型； MODIS影像；氣溶膠光學厚度 ；反演

成都平原位于四川盆地，且雨水豐富，多云天氣較多，無云影像難以獲取，反演難度較大。為此，筆者使用6S模型對成都平原的MODIS(中分辨率成像光譜儀)影像進行了氣溶膠光學厚度的反演研究。研究選取區(qū)域為北到綿陽、南到樂山、東至龍泉、西至崇州，即地理位置為北緯29～36°，東經(jīng)103～105°。選取分辨率為1km的MODIS影像數(shù)據(jù)。利用光學厚度與地表反射率的線性關(guān)系，使用6S模型，結(jié)合Java編程和折中法對選取好的暗像元進行逐個反演。該方法與建立查找表的方法相比，能更有利于提高反演速度和控制反演精度。

1 6S模型基本原理

6S模型全名為太陽光譜衛(wèi)星信號的二次模擬，該模型能夠預(yù)測無云大氣條件下0.25～4.0μm 的衛(wèi)星信號,MODIS的可見光與近紅外通道(1～19、26) 的波長分布在該范圍內(nèi)。對于朗伯體表面而言,衛(wèi)星傳感器接收到的表面反射率為[1]:

(1)

式中,ρ′(θs,θv,φv)是傳感器所接收的大氣頂部反射率；ρα(θs,θv,φv)是瑞利散射和氣溶膠散射引起的程輻射；θs、θv、φv分別是太陽天頂角、觀測天頂角和方位角；S為大氣球面反射率；T(θs)是下行輻射總透射率；td(θs)是上行散射輻射透射率因子；e-τ/ρv是直接透射到傳感器的上行輻射,ρv=cos(θv)為衛(wèi)星天頂角的余弦；τ是大氣光學厚度；ρ(M)表示非均一目標反射率；ρc(M)表示鄰近效應(yīng)； 〈ρ(M)〉是平均環(huán)境反射率； tan(θs,θv)是大氣分子和水汽吸收因子。

6S模型考慮了幾何參數(shù)、大氣、下墊面、氣溶膠性質(zhì)、目標物以及光譜等多方面的情況，所以定義了大量的輸入?yún)?shù)。研究中使用的6S模式版本為Version 4.1，由FORTRAN77語言編寫。6S大氣輻射傳輸模式的輸入?yún)?shù)有以下5部分[1]：①幾何路徑參數(shù)。主要包括衛(wèi)星影像接收日期、衛(wèi)星天頂角、衛(wèi)星方位角、太陽天頂角、太陽方位角、傳感器高度、目標海拔高度等。②大氣模式。該模式包括熱帶大氣、中緯度夏季大氣、中緯度冬季大氣、副極地夏季大氣、副極地冬季大氣和美國1962年標準大氣，此外，用戶還可以選擇無氣體吸收大氣和自定義大氣模式。③氣溶膠模式。該模式包括氣溶膠類

型和氣溶膠濃度。氣溶膠類型總共有13種可供用戶選擇，其中7種為標準模式類型，分別是無氣溶膠、大陸型模式、海洋型模式、城市型模式、沙漠型模式、生物模式和平流層模式，另外有6種自定義類型。關(guān)于氣溶膠濃度，6S模型可以根據(jù)用戶輸入的氣象能見度值(km)計算出氣溶膠在0.55μm處的光學厚度，也可以直接由用戶給定0.55μm處的氣溶膠光學厚度值。④光譜條件。模型給定了59個常用衛(wèi)星傳感器的光譜波段(包括NOAA、SPOT、LANDSAT和MODIS等)，使用時只需簡單輸入對應(yīng)的序號數(shù)值即可，其中MODIS的前7個探測波段對應(yīng)序號為42～48。⑤地表反射率類型。模型中將地表分為均一和非均一2類。在均一表面情況下，又分為無方向影響(朗伯體反射)和有方向的影響(二向性反射)2種情況。由于缺少必要的地表狀態(tài)參數(shù)，可以把地表反射假設(shè)為朗伯體反射。

在以上參數(shù)確定的前提下，給定一個地表反射率和氣溶膠光學厚度的值，就可根據(jù)式(1)計算得到一個表觀反射率的值。通過逆向運算就可以反演出像元點處的光學厚度值。

2 反演方法及流程

2.1確定地面反射率

2.2確定氣溶膠模式

確定氣溶膠模式之前要先選擇一個大氣模式。6S模型提供了7種大氣模式和3個用戶自定義大氣模式。研究中用到的主要有5種大氣模式，即熱帶大氣、中緯度夏季大氣、中緯度冬季大氣、亞北極區(qū)夏季大氣和亞北極區(qū)冬季大氣[3]。確定大氣模式要考慮到觀測點的地理位置緯度與觀測時間。成都平原位于北緯29～32°，所以在4月到9月選擇中緯度夏季大氣模式，在10月到下年3月，選擇中緯度冬季大氣模式。

6S模型提供了8種氣溶膠模式和4種用戶自定義氣溶膠模式。其中主要用到的是大陸型氣溶膠、海洋型氣溶膠、城市型氣溶膠、沙漠型氣溶膠和平流層模式，另外還有用戶自己輸入4種粒子(灰塵、水溶型、海洋型、煙灰)所占體積百分比(0～1)的自定義模式[3]。

一個地區(qū)的氣溶膠類型取決于氣溶膠源的氣溶膠類型, 因此主要考慮氣團在運動到反演區(qū)域之前所在地區(qū)的地面狀況。此外，還要考慮氣團的運動方向、風向、風速等因素。成都平原地處四川盆地，植被覆蓋率高，位于工業(yè)城市附近的下風方向(即氣團從城市方向過來)[3]，所以選取城市型氣溶膠模式。

2.3反演流程

圖1 反演流程圖

3 反演結(jié)果與分析

3.1光學厚度結(jié)果對比

NASA 2009-8-30 10km AOD(光學厚度)等值線圖如圖2所示。通過反演得到的 2009-8-30 1km AOD等值線圖如圖3所示。對圖2和圖3進行對比分析發(fā)現(xiàn)，通過反演得到的AOD等值線與NASA公布的AOD等值線的大體走向和趨勢很接近，在幾個主要城市的區(qū)域有較為明確的反映。以成都地區(qū)為例，在2009年8月30日，NASA結(jié)果反映成都地區(qū)的光學厚度值范圍為0.45～1.05，反演得到的成都地區(qū)的光學厚度值范圍在0.5～1.1，兩者的結(jié)果非常接近。

圖2 NASA 10km AOD等值線圖(2009-8-30) 圖3 反演得到的1km AOD等值線圖(2009-8-30)

城市NASAAOD反演AOD差值成都0.55300.55310.0001樂山0.36010.39060.0305資陽0.15060.17190.0213自貢0.44830.46870.0204

表1所示為2009年8月30日幾個主要城市區(qū)域光學厚度平均值詳細對比。從表1可以看出，幾個主要城市區(qū)域的NASA AOD和反演 AOD的差值范圍在0.02左右，屬于誤差允許范圍，說明該反演結(jié)果具有很好的準確性。

3.2反演結(jié)果分析

NASA公布的反演產(chǎn)品的分辨率為10km，筆者反演結(jié)果的分辨率為1km，暗像元選取數(shù)量是NASA的100倍，反演結(jié)果更加精細，能更加細致的表現(xiàn)出成都平原地區(qū)的光學厚度分布。圖4和圖5分別為2009年12月24日NASA產(chǎn)品和通過反演的光學厚度等值線圖。對比圖4和圖5可以看出， NASA的結(jié)果僅僅只能反映出光學厚度大致分布情況，而反演得到的結(jié)果則能細致地表現(xiàn)出各個小范圍區(qū)域的光學厚度分布情況，具有很好的表現(xiàn)性和參考性。

圖4 NASA 10km AOD等值線圖(2009-12-24) 圖5 反演得到的1km AOD等值線圖(2009-12-24)

4 結(jié) 論

1)利用Java編程和6S模型的算法，采用折中法對光學厚度進行反演，相對于建立查找表的反演方式，反演流程和精度可以得到很好的控制，具有很靈活的操作性。

2)相對于NASA公布的反演產(chǎn)品，該反演結(jié)果能更細致表現(xiàn)出成都平原各個區(qū)域的光學厚度值。

3)氣溶膠的光學厚度能反映了該大氣層中顆粒物含量的多少或空氣污染程度，是空氣污染程度監(jiān)控等實際應(yīng)用的一項參考指標。反演得到的1km分辨率下的光學厚度能很好地反映出當?shù)氐墓鈱W厚度分布情況，在環(huán)境監(jiān)測方面具有很好的參考價值。

[1]Kaufman Y J.Algorithm for automatic atmospheric corrections to visible and near-IR satellite imagery[J].Int J Rem Sens,1988,9:1357-1381.

[2]趙春江.基于6S模型的遙感影像逐像元大氣糾正算法[J].光學技術(shù),2007,33(1):13-14.

[3]王新強.基于6S模型從MODIS圖像反演陸地上空大氣氣溶膠光學厚度[J].量子電子學報，2003,20(5)：630-631.

[4]童慶禧,張兵,鄭蘭芬.高光譜遙感[M].北京：高等教育出版社，2006.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409.2011.08.011

P407.4

A

1673-1409(2011)08-0035-04