利用MODIS可見光波段反演陸地氣溶膠光學(xué)厚度

郭 強(qiáng)，唐 家 奎*，何 文 通，田 媛，于 新 菊,2

(1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049;2.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所,北京 100101)

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利用MODIS可見光波段反演陸地氣溶膠光學(xué)厚度

郭 強(qiáng)1，唐 家 奎1*，何 文 通1，田 媛1，于 新 菊1,2

(1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049;2.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所,北京 100101)

利用Herold等建立的地表反射率庫及MODIS遙感影像研究城市區(qū)和非城市區(qū)典型地物在可見光紅藍(lán)波段地表反射率的比值特性。在此基礎(chǔ)上，利用MODIS 1 km分辨率遙感影像紅藍(lán)可見光波段實(shí)現(xiàn)了氣溶膠光學(xué)厚度的反演,采用衛(wèi)星過境時(shí)間前后半小時(shí)北京和香河AERONET站的氣溶膠光學(xué)厚度觀測(cè)平均值作為驗(yàn)證參考。結(jié)果顯示，66.67%的反演結(jié)果處于±0.05±0.15 τ的誤差界限內(nèi),反演算法不受地表反射率的限制，而且只利用了可見光紅藍(lán)波段，避免缺少近紅外波段數(shù)據(jù)的限制。

氣溶膠光學(xué)厚度；遙感；MODIS；地表反射率

0 引言

大氣氣溶膠作為大氣中最活躍的3種因素之一，它的輻射強(qiáng)迫效應(yīng)深刻影響著全球的輻射能量平衡及氣候變化[1]。氣溶膠顆粒在大氣中的停留時(shí)間，一般為幾天到幾周，而且其特征隨空間和時(shí)間都有顯著的變化。目前研究確定大氣氣溶膠對(duì)氣候系統(tǒng)的精確輻射強(qiáng)迫作用仍十分困難,而準(zhǔn)確的氣溶膠監(jiān)測(cè)對(duì)于研究全球輻射能量平衡及環(huán)境監(jiān)測(cè)保護(hù)具有重要意義。

衛(wèi)星遙感具有大尺度同步觀測(cè)、高時(shí)效性等特點(diǎn)，使之成為監(jiān)測(cè)大氣氣溶膠的有效手段。衛(wèi)星傳感器接收的信號(hào)來源于地表和大氣兩部分。利用衛(wèi)星影像反演氣溶膠特性首先需要從衛(wèi)星接收信號(hào)中區(qū)分地表貢獻(xiàn)和大氣貢獻(xiàn)，即實(shí)現(xiàn)地氣解耦。不同衛(wèi)星傳感器利用衛(wèi)星觀測(cè)值的光譜、角度及極化等特性實(shí)現(xiàn)地氣解耦。Kaufman等[2,3]基于地表反射率特征提出暗目標(biāo)法，其基本原理是在濃密植被區(qū)及暗色土壤區(qū)，可見光的紅、藍(lán)波段地表反射率較低且與短波紅外波段存在線性相關(guān)關(guān)系。在短波紅外波段氣溶膠的散射吸收作用很小，假設(shè)氣溶膠光學(xué)厚度為0，衛(wèi)星觀測(cè)到的大氣層頂表觀反射率就是地表真實(shí)反射率。通過短波紅外波段的反射率推斷可見光波段的地表反射率，實(shí)現(xiàn)地氣解耦。該方法局限于暗目標(biāo)區(qū)域，對(duì)于城市、干旱和半干旱等高地表反射率區(qū)域無法獲得氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)。此外，算法需要短波紅外通道，而目前在軌的遙感衛(wèi)星大多沒有短波紅外通道，尤其是高分衛(wèi)星，限制了該算法的應(yīng)用。Tanré等[4,5]假定一定范圍內(nèi)復(fù)雜地表上空大氣透過率相同，提出了結(jié)構(gòu)函數(shù)法以解決高地表反射率對(duì)于氣溶膠監(jiān)測(cè)的限制。結(jié)構(gòu)函數(shù)法較少受到地表反射率大小的限制，但由于對(duì)幾何校正的要求較高，業(yè)務(wù)化運(yùn)行比較困難。Deuzé等[6]從POLDER衛(wèi)星觀測(cè)獲得的大氣后向散射偏振信息中分離出氣溶膠貢獻(xiàn)，進(jìn)而反演得到氣溶膠光學(xué)厚度,但偏振的方法只能反演細(xì)粒子氣溶膠。Tang等[7]基于AQUA和TERRA數(shù)據(jù)提出了雙星協(xié)同反演算法，實(shí)現(xiàn)了氣溶膠光學(xué)厚度和地表反射率的同時(shí)反演，部分解決了亮地表區(qū)域反演無效的難題，但使用兩顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)反演的光學(xué)厚度會(huì)受到傳感器的性能退化、不同傳感器影像之間圖像匹配精度等影響。Knapp等[8]假設(shè)地表反射率特征在一段時(shí)間內(nèi)保持不變，而且至少有一天是不受氣溶膠影響的清潔日?？紤]到殘?jiān)频挠绊懀x取每個(gè)像元位置第二最低的反射率值合成一幅參考影像。假設(shè)一個(gè)背景AOD并用其校正參考影像，得到參考的地表反射率用于反演AOD，算法的誤差主要來源于地表反射率和背景AOD的假設(shè)。Hsu等[9,10]根據(jù)在紅、藍(lán)波段AOD對(duì)天頂輻亮度有顯著的貢獻(xiàn)提出了基于地表反射率庫的深藍(lán)(Deep Blue)算法，并成功應(yīng)用于撒哈拉沙漠、阿拉伯半島等干旱半干旱地區(qū)，但該方法需要事先建立地表反射率庫作為先驗(yàn)知識(shí)。Diner等[11]假設(shè)地表輻射亮度的角度分布與波長(zhǎng)無關(guān)，利用多角度觀測(cè)數(shù)據(jù)消除地表反射率的影響，反演氣溶膠光學(xué)厚度。Wong等[12]利用模型模擬將衛(wèi)星觀測(cè)到的表觀反射率解析為氣溶膠反射率和大氣瑞利散射引起的路徑反射率，在此基礎(chǔ)上利用最小反射率技術(shù)(MRT)確定季節(jié)性的地表反射率,然后利用SBDART輻射傳輸模型構(gòu)建查找表LUT，反演得到香港地區(qū)500 m分辨率的AOD。該反演算法有希望應(yīng)用于其他區(qū)域的城市/局部尺度高分辨率AOD反演。Remer等[13]提出了3 km分辨率的AOD反演算法，并將加入MODIS C006版本的AOD反演算法中。MODIS 3 km反演算法相比10 km反演算法縮小了反演窗口，精度也略差于10 km分辨率算法。但提高分辨率的AOD產(chǎn)品可以為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供重要的工具。

本文基于MODIS數(shù)據(jù)探討北京及周邊不同地表覆蓋類型區(qū)域的可見光紅藍(lán)波段地表反射率比值特征，并嘗試?yán)每梢姽饧t藍(lán)波段衛(wèi)星觀測(cè)值反演氣溶膠光學(xué)厚度，從而擺脫反演算法對(duì)近紅外波段的依賴。

1 數(shù)據(jù)與算法

1.1 MODIS數(shù)據(jù)

采用的數(shù)據(jù)包括衛(wèi)星數(shù)據(jù)和地面站點(diǎn)數(shù)據(jù)。衛(wèi)星數(shù)據(jù)包括MODIS Level 1B地表反射率數(shù)據(jù)、Level 2氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)、Level 3合成的地表反射率數(shù)據(jù)和Level 3土地覆蓋類型產(chǎn)品。MODIS是搭載于EOS/TERRA和EOS/AQUA太陽同步軌道系列衛(wèi)星的主要傳感器。TERRA的過境時(shí)間為上午10∶30，AQUA的過境時(shí)間為下午13∶30。MODIS具有從可見光到遠(yuǎn)紅外的36個(gè)光譜通道，地面分辨率分別為250 m、500 m和1 000 m，掃描幅寬2 330 km。反演采用1 km分辨率的地表反射率數(shù)據(jù)，時(shí)間范圍為2009年4-9月。Kaufman等[2]指出，遙感影像的空間分辨率為250 m及更高時(shí)，大氣點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)引起的臨近像元影像顯著。當(dāng)空間分辨率為1 km甚至更低時(shí)，臨近像元效應(yīng)很小，在大氣校正過程中臨近像元效應(yīng)帶來的誤差遠(yuǎn)小于氣溶膠特征的不確定性帶來的誤差。本文選取1 km分辨率的數(shù)據(jù)，因此可以不考慮臨近像元效應(yīng)的影響。

1.2 AERONET數(shù)據(jù)

地面站點(diǎn)數(shù)據(jù)來源于AERONET站點(diǎn)AOD數(shù)據(jù)。AERONET是NASA建立的覆蓋全球的地基氣溶膠監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。站點(diǎn)觀測(cè)設(shè)備主要采用法國(guó)CIMEL公司的偏振太陽光度計(jì)CE318-II和標(biāo)準(zhǔn)太陽光度計(jì)CE318-I，觀測(cè)波段主要有8個(gè)：0.340 μm、0.380 μm、0.440 μm、0.500 μm、0.675 μm、0.870 μm、0.936 μm、1.020 μm。AERONET氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)分為3個(gè)等級(jí)：1級(jí)數(shù)據(jù)未做云去除；1.5級(jí)數(shù)據(jù)僅做了云去除；2級(jí)數(shù)據(jù)既經(jīng)過云去除又經(jīng)過人工檢查。本文采用其官網(wǎng)(http://aeronet.gsfc.nasa.gov)發(fā)布的2級(jí)AOD數(shù)據(jù)對(duì)衛(wèi)星反演的氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行驗(yàn)證。AERONET 2級(jí)AOD數(shù)據(jù)的精度為±0.02[14]，因此可以認(rèn)為是AOD的真值。AERONET站點(diǎn)在0.55 μm波長(zhǎng)沒有AOD觀測(cè)值，本文采用Angstrom公式擬合得到。

τλ=β·λ-α

(1)

式中:β為大氣渾濁度指數(shù)，α為Angstrom指數(shù)，λ為波長(zhǎng)，τλ為λ對(duì)應(yīng)的氣溶膠光學(xué)厚度。

采用北京站(位于城市區(qū)域)、香河站(位于非城市區(qū)域)2個(gè)AERONET站點(diǎn)驗(yàn)證反演的結(jié)果。

1.3 反演原理與算法

Flowerdew等[15]研究指出，地物對(duì)于不同波長(zhǎng)的反射特征取決于地物的微觀結(jié)構(gòu)，即地物的分子、原子與電磁波的作用機(jī)理。因此對(duì)于不同的波長(zhǎng)，地物BRDF的大小不同，但地物反射率的角度分布特征即BRDF的形狀特征主要取決于地物的宏觀結(jié)構(gòu)，與波長(zhǎng)的相關(guān)性很小，幾乎可以忽略。因此有：

(2)

式中:rm、rn分別表示兩個(gè)不同觀測(cè)幾何條件的地表反射率，m、n分別表示兩個(gè)不同的觀測(cè)幾何條件；b1、b2表示兩個(gè)不同的波段。

由上式可以導(dǎo)出：

(3)

式中:比例系數(shù)k為常數(shù)。

通過以上分析可知，對(duì)于同一種地物，在兩個(gè)觀測(cè)幾何條件下兩個(gè)波段反射率的比值相同。Levy等[16]通過對(duì)全球AERONET站點(diǎn)地表反射率的研究發(fā)現(xiàn)，在暗像元區(qū)可見光紅藍(lán)波段反射率的相關(guān)性比可見光藍(lán)波段與短波紅外波段的相關(guān)性高，而且更加穩(wěn)定。在MODIS 官方C005及以后版本的反演算法中用以下兩個(gè)等式實(shí)現(xiàn)地氣解耦：

(4)

Levy等[16]對(duì)AERONET站點(diǎn)的研究發(fā)現(xiàn)，全球范圍內(nèi)紅藍(lán)波段地表反射率比值恒定在1.923附近，夏季城市區(qū)比較低(1.305左右)。因此考慮利用這個(gè)特性實(shí)現(xiàn)AOD的反演。

根據(jù)Vermote等[17]的理論，在地表朗伯體、大氣水平均一的假設(shè)條件下，衛(wèi)星平臺(tái)觀測(cè)到的大氣頂部反射率可以表示為：

(5)

式中:ρ0是大氣路徑輻射項(xiàng)等效反射率，ρs是地表反射率，T(μs)、T(μv)分別是入射方向和觀測(cè)方向的大氣透過率，S為大氣下界面的半球反射率。T(μs)、T(μv)總是同時(shí)出現(xiàn)，因此將T(μs)T(μv)作為一個(gè)參數(shù)考慮;未知數(shù)ρ0、S、T(μs)T(μv)與AOD、氣溶膠粒子單次散射率、相函數(shù)、不對(duì)稱指數(shù)等有關(guān)。

在實(shí)際反演過程中，首先針對(duì)試驗(yàn)區(qū)域確定一個(gè)氣溶膠模型，然后用6s、MODTRAN等輻射傳輸模型模擬在不同觀測(cè)幾何情況下AOD與上述3個(gè)參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，據(jù)此建立查找表得到AOD。MODIS紅、藍(lán)波段地表反射率之間存在如下關(guān)系：

(6)

(7)

不同區(qū)域地表覆蓋類型不同，假設(shè)可見光紅波段與藍(lán)波段地表反射率比值在城市區(qū)、植被區(qū)固定。采取3種方法驗(yàn)證：1)根據(jù)Herold等[18]提出的地表反射率庫，選取包括植被區(qū)、高亮地表、城市區(qū)等典型地物，用MODIS波段響應(yīng)函數(shù)擬合地表反射率，考察紅、藍(lán)波段的反射率比值；2)選取一系列無云的MODIS影像，提取香河和北京站點(diǎn)位置的表觀反射率，根據(jù)AERONET的觀測(cè)值插值得到0.55μmAOD，然后用6s校正，得到香河和北京站點(diǎn)的地表反射率，最后考察反射率比值；3)選取春、夏、秋、冬4幅無云影像的MODIS地表反射率產(chǎn)品MOD09，考察地表反射率比值。具體反演流程見圖1。

2 氣溶膠光學(xué)厚度反演

2.1 紅、藍(lán)波段地表反射率比值估計(jì)

圖1 算法反演流程

Fig.1Flowchartofalgorithmprocessing

Herold等[18]利用AVIRIS數(shù)據(jù)研究了城市地區(qū)典型地物的光譜特征，并建立了城市地區(qū)包括植被、土壤、瀝青道路、水泥道路、屋頂?shù)榷喾N典型地物的光譜反射率數(shù)據(jù)庫。AVIRIS數(shù)據(jù)具有0.4～2.5 μm范圍內(nèi)224個(gè)光譜波段，空間分辨率為4 m，光譜分辨率為10 nm。從上述光譜數(shù)據(jù)庫中選取了9種典型地物類型，用MODIS紅藍(lán)波段響應(yīng)函數(shù)擬合得到反射率，計(jì)算紅、藍(lán)波段地表反射率比值與藍(lán)波段地表反射率的關(guān)系，結(jié)果如圖2所示(見封3)。

從圖2中藍(lán)色橢圓內(nèi)的地物可以看出，裸土、綠色植被、不進(jìn)行光合作用的枯萎植被大多集中在1.4～2.1的范圍內(nèi)。城市周邊主要地物是植被和高亮的裸土，因此可以推斷在城市周邊區(qū)域像元的紅、藍(lán)波段反射率比值處于1.4～2.1。城市區(qū)域的典型地物選取了3種典型的屋頂、3種道路。城市地區(qū)地物在藍(lán)波段的地表反射率分散很大，例如水泥道路的反射率分散在0.13～0.46的范圍內(nèi)。紅、藍(lán)波段地表反射率比值分散也較大，分布在1.0～3.2之間。城市地物反射率比值的差異性反映了城市區(qū)地物的復(fù)雜性。由于選取的MODIS影像分辨率為1 km，在城市區(qū)多為混合像元，且受到臨近像元的影響，因此需針對(duì)MODIS數(shù)據(jù)特點(diǎn)考察不同地物地表反射率特征。

為了考察MODIS影像上地物地表反射率特征，選取2009年北京周邊61景無云的MODIS 1 km分辨率影像。為了降低地表BRDF的影響，選取的影像在AERONET北京站和香河站的太陽天頂角需小于30°。對(duì)于每一景影像，提取AERONET香河站和北京站的表觀反射率，用衛(wèi)星過境時(shí)間AERONET站點(diǎn)觀測(cè)的氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行大氣校正，得到紅、藍(lán)波段地表反射率，進(jìn)而得到地表反射率的比值(圖3)，可以看出，AERONET站點(diǎn)多數(shù)比值處在1.65～2.25之間。

圖3 AERONET站點(diǎn)紅藍(lán)波段地表反射率的比值

Fig.3 The ratio of red/blue band at the AERONET sites

為了進(jìn)一步考察研究區(qū)域地表反射率比值特性，選取了四季的MOD09地表反射率產(chǎn)品，共4景影像。影像的成像時(shí)間分別為春分、夏至、秋分和冬至日，空間范圍為北京周邊400×400 km。用MODIS Level 3土地覆蓋類型數(shù)據(jù)MOD12將研究區(qū)分為城市區(qū)和非城市區(qū)，分別考察不同區(qū)域地表反射率特征。對(duì)于每種區(qū)域，在影像上隨機(jī)選取2 000個(gè)樣點(diǎn)，考察地表反射率比值，結(jié)果如圖4所示。

圖4a-圖4d分別為城市區(qū)四季紅藍(lán)波段地表反射率，圖4e-圖4h分別為非城市區(qū)四季紅藍(lán)波段地表反射率?？梢钥吹剑鞘袇^(qū)和非城市區(qū)可見光紅藍(lán)波段地表反射率都具有很強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)都在0.86以上。圖4中的直線是回歸線，顏色條顯示的是散點(diǎn)的密度。可以看到絕大多數(shù)點(diǎn)分布在回歸直線兩側(cè)很小的范圍，顯示了回歸關(guān)系的穩(wěn)定性。此外，除了春季非城市區(qū)相關(guān)性都大于城市區(qū)，這與城市區(qū)地表覆蓋復(fù)雜有關(guān)。四季城市區(qū)和非城市區(qū)的回歸直線的斜率如表1。

圖4 MOD04紅、藍(lán)波段地表反射率關(guān)系

Fig.4 The relationship of red/blue band from MOD04

表1 紅藍(lán)波段地表反射率回歸直線的斜率

Table 1 Slope of the regression line between red and blue band reflectance

春夏秋冬城市區(qū)1．93741．90921．94581．9105非城市區(qū)1．98871．92011．95571．9520

2.2 氣溶膠光學(xué)厚度反演實(shí)例

為了驗(yàn)證算法的可行性，選取2009年北京周邊4-9月AERONET香河站和北京站上空無云的53景MODIS 1 km影像進(jìn)行反演實(shí)驗(yàn)。2009年5月3日和6月20日兩景遙感影像中研究區(qū)域上空云量很少。圖5(見封3)是兩個(gè)日期研究區(qū)域影像真彩色合成。

反演前需對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、重投影、云去除、裁剪等操作。云像元的去除采用紅波段閾值法。Ackerman等[19]通過研究發(fā)現(xiàn)，在MODIS影像紅波段云像元的表觀反射率一般大于0.18，并將該值作為MODIS云檢測(cè)產(chǎn)品MOD06的陸地區(qū)域默認(rèn)閾值。因此采用0.18作為云像元去除的閾值。查找表是基于6s輻射傳輸模型設(shè)定不同的觀測(cè)幾何條件計(jì)算得到的。6s輻射傳輸模型可以模擬0.25～4.0 μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)衛(wèi)星接收的信號(hào)。它采用連續(xù)階散射(Successive Orders of Scattering)方法求解輻射傳輸方程，考慮了吸收氣體(水汽、二氧化碳、甲烷、臭氧、二氧化氮等)的吸收、散射及氣溶膠粒子的多次散射。設(shè)定條件包括幾何條件、光譜波段、大氣模式、氣溶膠模式。選擇數(shù)據(jù)的時(shí)間都是4-9月之間，因此大氣模式選取中緯度夏季，氣溶膠模式選擇大陸性氣溶膠。

圖6(見封3)是兩個(gè)日期反演得到的1 km分辨率氣溶膠光學(xué)厚度。可以看出，兩個(gè)日期北京城區(qū)上空的氣溶膠光學(xué)厚度都明顯大于周邊地區(qū)，另外，天津也是氣溶膠光學(xué)厚度的高值帶。從氣溶膠光學(xué)厚度的區(qū)域分布看，兩個(gè)日期都呈現(xiàn)西北低、東南高的分布趨勢(shì)。北京西北部山區(qū)植被茂密、人口稀少，氣溶膠光學(xué)厚度小，大氣污染相對(duì)較輕；北京城區(qū)及其東南方向平原地區(qū)人口密集，氣溶膠光學(xué)厚度相對(duì)較大，反映了這些地區(qū)大氣污染嚴(yán)重。6月20日北京城區(qū)東北部的山區(qū)上空有一自東向西的氣溶膠光學(xué)厚度高值分布帶，可能是由周邊高污染地區(qū)的污染物通過風(fēng)力的作用漂移、聚集形成。研究區(qū)域地表覆蓋多樣，包含了城市、濃密植被、高反射裸土等地物，反演結(jié)果較好地反映了不同類型區(qū)域上空氣溶膠粒子的空間分布特征。

為了驗(yàn)證反演結(jié)果，獲取兩景影像衛(wèi)星過境時(shí)間北京和香河AERONET站點(diǎn)觀測(cè)的氣溶膠光學(xué)厚度，與反演結(jié)果對(duì)比，結(jié)果如表2所示。5月3日的反演結(jié)果與AERONET觀測(cè)值很接近，兩個(gè)站點(diǎn)最大的誤差為0.088。6月20日的反演結(jié)果與AERONET結(jié)果有一定的偏差，兩個(gè)站點(diǎn)最大的誤差達(dá)0.173。

表2 反演結(jié)果與AERONET觀測(cè)結(jié)果對(duì)比

Table 2 Retrieved AOD and observed value from AERONET sites

北京站香河站反演AERONET誤差反演AERONET誤差2009-05-030．2370．2630．0260．2020．2900．0882009-06-200．3600．4980．1380．2560．4290．173

3 反演結(jié)果驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證算法的精度，選取2009年4-9月香河和北京AERONET站點(diǎn)上空無云的75景影像進(jìn)行了反演試驗(yàn)。同時(shí)選取衛(wèi)星過境時(shí)間前后半小時(shí)之內(nèi)AERONET站點(diǎn)的觀測(cè)值取平均，得到光學(xué)厚度值。兩者的對(duì)比如圖7(見封3)所示。

圖7中橙色實(shí)線為回歸線，黃色虛線為誤差界限±0.05±0.15τ，灰色虛線為1∶1線?？偟膩碚f，算法反演結(jié)果與AERONET觀測(cè)結(jié)果有較好的相關(guān)性，75個(gè)有效反演值中，有66.67%的反演結(jié)果處于±0.05±0.15 τ的誤差界限內(nèi)。圖8為反演值和AERONET站點(diǎn)觀測(cè)值的時(shí)間序列散點(diǎn)圖,可以看到，AERONET北京站和香河站上空反演結(jié)果與觀測(cè)值的時(shí)間序列比較吻合。

圖8 反演結(jié)果與AERONET觀測(cè)值對(duì)比散點(diǎn)圖

Fig.8 Scatter plot of AOD retrieved and observed value from AERONET

4 結(jié)論

本文提出了一種利用MODIS影像可見光波段數(shù)據(jù)反演高分辨率氣溶膠光學(xué)厚度的算法，利用地表反射率庫與MODIS遙感影像分析了北京周邊不同典型地物類型可見光紅、藍(lán)波段地表反射率的比值特征，實(shí)現(xiàn)了氣溶膠光學(xué)厚度的反演。選取了2009年4-9月北京和香河AERONET站點(diǎn)上空無云的多景遙感影像進(jìn)行了反演實(shí)驗(yàn)，并將反演結(jié)果與AERONET站點(diǎn)觀測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果顯示，有66.67%的反演結(jié)果處于±0.05±0.15 τ的誤差界限內(nèi)。

本文反演算法不受地表反射率的限制，可應(yīng)用于包含城市區(qū)、高亮裸土等典型地物的廣大區(qū)域。另外，反演算法只利用了可見光紅藍(lán)波段，有潛力應(yīng)用于包含可見光紅藍(lán)波段的高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)。但需要指出的是，算法的反演需要提前估計(jì)大氣模型和氣溶膠模型，這是算法的誤差來源之一。

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Aerosol Optical Depth Retrieval over Land Using MODIS Visible Bands Imagery

GUO Qiang1,TANG Jia-kui1,HE Wen-tong1,TIAN Yuan1,YU Xin-ju1,2

(1.UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049; 2.InstituteofRemoteSensingandDigitalEarthofChineseAcademyofSciences，Beijing100101，China)

A surface reflectance library proposed by Herold et.al.(2003)and MODIS imagery are used to estimate the ratio of surface reflectance between visible red and blue bands in both urban and non-urban areas.On this basis,blue and red bands of MODIS 1 km resolution imagery are used to retrieve aerosol optical depth.The observations of Beijing and Xianghe AERONET sites are used to validate the results.In order to minimize the error,the averaged measurements within half an hour before and after the MODIS overpass are used in the validation.The result shows that 66.67% of the retrievals are within the expected error envelope of ±0.05±0.15 τ compared to the AERONET observed AOD.The application of this algorithm is not subject to any limitations of surface reflectance.Moreover,the algorithm only utilizes the visible blue and red bands,without using NIR band.

aerosol optical depth;remote sensing;MODIS;surface reflectance

2014-04-17；

2014-09-08

國(guó)家973支撐項(xiàng)目(2013CB733402);中國(guó)科學(xué)院數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(2011LDE015);環(huán)保公益行業(yè)科研專項(xiàng)(201309011);中國(guó)科學(xué)院大學(xué)校長(zhǎng)基金項(xiàng)目；浙江省重大科技專項(xiàng)(2012C13011-2)

郭強(qiáng)(1989-),男,碩士研究生,從事大氣遙感研究。 *通訊作者E-mail：jktang@ucas.ac.cn

10.3969/j.issn.1672-0504.2015.02.009

P407

A

1672-0504(2015)02-0038-06