基于MODIS影像的成都地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度反演*

李璇瓊

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng) 618000）

基于MODIS影像的成都地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度反演*

李璇瓊

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng) 618000）

成都經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展導(dǎo)致空氣污染，大氣污染已經(jīng)嚴(yán)重威脅人類健康，對(duì)其進(jìn)行調(diào)查和監(jiān)測(cè)是有效治理大氣污染問(wèn)題的基礎(chǔ)。氣溶膠反映了大氣層中顆粒物含量的多少或空氣污染程度，所以精確探測(cè)氣溶膠光學(xué)厚度具有重要意義。利用遙感技術(shù)可以進(jìn)行重復(fù)周期性監(jiān)測(cè)氣溶膠光學(xué)厚度，覆蓋面大，節(jié)省人力物力。以MODIS影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用6S大氣傳輸模式建立查找表，在ENVI軟件中完成成都市氣溶膠光學(xué)厚度的反演，以此達(dá)到成都大氣監(jiān)測(cè)的目的。

MODIS；ENVI；氣溶膠光學(xué)厚度；反演

1 概述

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，成都市由于城市交通污染、市政建設(shè)、周邊地區(qū)工業(yè)氣體排放、生態(tài)環(huán)境破壞導(dǎo)致城市空氣污染嚴(yán)重［1］。大氣污染已經(jīng)嚴(yán)重威脅人類健康，對(duì)其進(jìn)行調(diào)查和監(jiān)測(cè)是有效治理大氣污染必須解決的問(wèn)題。在研究大氣污染時(shí)可以把大氣看成氣溶膠，它組成物質(zhì)形態(tài)各不相同，每種物質(zhì)的含量雖然很少，但是都影響著大氣中發(fā)生的許多物理化學(xué)過(guò)程，是模擬氣候變化和遙感環(huán)境狀態(tài)的重要因子［2-4］。對(duì)于氣溶膠而言，光學(xué)厚度是其最重要的參數(shù)之一，作為表征大氣混濁度的重要物理量，它是確定氣溶膠氣候效應(yīng)的一個(gè)關(guān)鍵因子。目前氣溶膠監(jiān)測(cè)有地面監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星遙感技術(shù)兩種。地面監(jiān)測(cè)主要使用太陽(yáng)光度計(jì)進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)大量的地基觀測(cè)站以了解氣溶膠的分布及變化規(guī)律。相對(duì)于地面監(jiān)測(cè)，衛(wèi)星遙感技術(shù)可以在瞬間獲取大面積區(qū)域地表和大氣的綜合信息，便于大氣污染進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)。較常規(guī)方法氣溶膠遙感速度快，具有客觀性，且不需耗費(fèi)大量的資金和人力。

MODIS遙感影像的通道1（0.620～0.670 μm，紅通道）和通道3（0.459～0.479 μm，藍(lán)通道）主要用于氣溶膠遙感，它們通道寬帶窄，大氣氣體吸收不確定性對(duì)氣溶膠遙感的影響能夠得到很好的修正。

本文使用MODIS標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，選取成都地區(qū)2011年1月24日的MODIS L1B數(shù)據(jù)，基于6S大氣輻射傳輸模式對(duì)成都地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行反演。

2 氣溶膠光學(xué)厚度反演方法

目前有兩種代表性的氣溶膠光學(xué)厚度反演算法：第一種為暗像元法 （Dense Dark Vegetation，DDV），通過(guò)路徑輻射項(xiàng)求取氣溶膠光學(xué)厚度；第二種為通過(guò)透過(guò)率求取氣溶膠光學(xué)厚度的對(duì)比（Contrast Reduction，CR）算法。

植被、濕土壤及水體在可見(jiàn)光波段反射率很低，在衛(wèi)星圖像上稱為暗像元。研究表明在晴空無(wú)云的暗像元上空衛(wèi)星觀測(cè)反射率隨溶膠光學(xué)厚度單調(diào)增加，利用這種關(guān)系反演大氣氣溶膠光學(xué)厚度的算法，稱為暗像元方法。但如果想用路徑輻射項(xiàng)來(lái)獲得氣溶膠信息，就必須使地表輻射值可以忽略或者有輻射但很小，并且能夠較精確的確定，這樣可以盡量消除地表反射率的不確定性對(duì)光學(xué)厚度的影響。Kaufman等在通過(guò)大量的飛機(jī)試驗(yàn)后進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)氣溶膠下方的植被覆蓋區(qū)在可見(jiàn)光紅、藍(lán)通道下，其地表反射率可以從2.1 mm通道的反射率估算出來(lái)。充分考慮到成都年降水量多，植被覆蓋率高等的實(shí)際情況，這里選取暗像元法進(jìn)行光學(xué)厚度反演。

3 氣溶膠光學(xué)厚度反演模型

采用6S模型來(lái)反演氣溶膠光學(xué)厚度。6S輻射傳輸模式（Second simulation of the satellite signal in the solar spectrum）即第二代太陽(yáng)短波輻射的衛(wèi)星信號(hào)模擬，是常用的大氣輻射模型之一。6S模式主要用來(lái)模擬無(wú)云條件下，太陽(yáng)光波段內(nèi)（0.25μm）衛(wèi)星傳感器理論上應(yīng)接收到的輻射值。借助6S輻射傳輸模式，充分利用了分析表達(dá)式和預(yù)選大氣模式來(lái)反演氣溶膠光學(xué)厚度，加快了計(jì)算速度。

4 成都市MODIS影像光學(xué)厚度反演流程

在ENVI5.0軟件中以MODIS影像為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，完成MODIS影像氣溶膠光學(xué)厚度的反演。具體流程為：輻射校正—發(fā)射率、反射率和角度數(shù)據(jù)集文件的幾何校正—發(fā)射率、反射率和合成與角度數(shù)據(jù)集文件的合成—云檢測(cè)—建立查找表—得到結(jié)果。具體流程如圖1所示。

圖1 氣溶膠光學(xué)厚度反演流程

4.1 輻射校正

在ENVI 5.0軟件中打開(kāi)MODIS影像，軟件已自動(dòng)完成了輻射校正，產(chǎn)生了三個(gè)結(jié)果文件，分別為發(fā)射率Emissive文件-輻射率Radiance文件和反射率文件。

4.2 幾何校正

4.2.1 發(fā)射率文件的幾何校正

發(fā)射率文件的幾何校正Geometric Correction工具Georeference by Sensor中的Georeference MODIS工具。校正的方法采用Triangulation，校正同時(shí)產(chǎn)生了GCP控制點(diǎn)。校正結(jié)果如圖2所示。

圖2 發(fā)射率幾何校正

4.2.2 反射率文件的幾何校正

反射率文件的幾何校正在工具箱中找到Wrap from GCPs：Image to Map Registration工具，利用之前發(fā)射率文件產(chǎn)生的GCP控制點(diǎn)進(jìn)行校正，發(fā)射率文件幾何校正之后，可以利用導(dǎo)出的GCP控制點(diǎn)來(lái)校正其他文件。為了與發(fā)射率校正結(jié)果匹配，應(yīng)注意幾何校正的方法為三次卷積，和重采樣方法為雙線性內(nèi)插校正結(jié)果如圖3所示。

圖3 反射率幾何校正

4.2.3 角度數(shù)據(jù)集的幾何校正

MODIS數(shù)據(jù)的四個(gè)角度數(shù)據(jù)集分別為：衛(wèi)星天頂角，衛(wèi)星方位角，太陽(yáng)天頂角，太陽(yáng)方位角。角度數(shù)據(jù)集的行列數(shù)是271×406的，而發(fā)射率的行列數(shù)是1354×2030的，因此要用之前的GCP文件來(lái)校正角度數(shù)據(jù)集必須重采樣，采用Resize Data工具進(jìn)行重采樣操作。

角度數(shù)據(jù)的幾何校正和發(fā)射率的幾何校正是一樣的，根據(jù)校正發(fā)射率產(chǎn)生的GCP控制點(diǎn)，利用Wrap from GCPs：Image to Map Registration工具進(jìn)行校正。

4.3 波段合成和裁剪

4.3.1 反射率和發(fā)射率的合成

利用Layer Stacking工具對(duì)發(fā)射率和反射率文件進(jìn)行合成，并利用成都矢量范圍進(jìn)行裁剪。合成時(shí)應(yīng)注意必須是反射率在上，發(fā)射率在下。

4.3.2 角度數(shù)據(jù)的合成

角度數(shù)據(jù)的合成和反射率發(fā)射率的合成類似，只是要注意合成時(shí)的順序是衛(wèi)星天頂角（Sensor Zenith）、衛(wèi)星方位角（Sensor Azimuth）、太陽(yáng)天頂角（Solar Zenith）、太陽(yáng)方位角（Solar Zenith）。合成結(jié)果如圖4所示。

圖4 角度合成結(jié)果

4.4 合成后處理

4.4.1 云檢測(cè)

云檢測(cè)工具是擴(kuò)展工具，該工具實(shí)現(xiàn)對(duì)反射率和發(fā)射率的合成文件進(jìn)行去云處理，將modis_cloud. sav文件放在ENVI 5.0安裝目錄下的Extensions文件夾下，重啟ENVI即可看到modis_cloud工具。保存云檢測(cè)結(jié)果。

4.4.2 角度數(shù)據(jù)處理

HDF中的角度數(shù)據(jù)時(shí)擴(kuò)大了100倍的，所以在進(jìn)行氣溶膠反演之前要將角度合成數(shù)據(jù)乘以0.01。

4.4.3 建立查找表文件

根據(jù)6S大氣傳輸模擬軟件，適當(dāng)改動(dòng)軟件的源碼可以分別建立 MODIS紅光波段和藍(lán)光波段的550nm氣溶膠光學(xué)厚度查找表。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取的日期以及待反演地區(qū) 的地理位置選擇合適的大氣模式用于描述大氣氣體吸收和分子散射的作用。

4.4.4 反演結(jié)果

按上述流程，對(duì)成都市 MODIS影像進(jìn)行預(yù)處理，并基于6S大氣傳輸模擬軟件得到厚度查找表，最后針對(duì)查找表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值得到2015年1月25日成都?xì)馊苣z光學(xué)厚度的空間分布圖如圖5所示。可以看出當(dāng)日成都東部和南部氣溶膠厚度大，污染較為嚴(yán)重，與當(dāng)日地面監(jiān)測(cè)結(jié)果相符。

圖5 成都市氣溶膠厚度反演結(jié)果

5 結(jié)論

成都市城市化進(jìn)程產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的大氣污染，對(duì)氣溶膠光學(xué)厚度的反演是大氣監(jiān)測(cè)的有利手段。利用MODIS標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，選取成都地區(qū)2015年1月25日的MODIS L1B數(shù)據(jù)，利用暗像元法，結(jié)合6S模型在ENVI軟件中完成氣溶膠光學(xué)厚的反演。結(jié)果與地面監(jiān)測(cè)相符。說(shuō)明利用遙感手段反演氣溶膠光學(xué)厚度可進(jìn)行大面積同步監(jiān)測(cè)，具有高效性和經(jīng)濟(jì)性。

［1］ 范 嬌，郭寶峰，何宏昌.基于MODIS數(shù)據(jù)的杭州地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度反演［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2005，35（1）：1-9.

［2］ 李成才，毛節(jié)泰，劉啟漢，等.利用MODIS資料遙感香港地區(qū)高分辨率氣溶膠光學(xué)厚度［J］.大氣科學(xué)，2005，29（3）：335-342.

［3］ 李成才，毛節(jié)泰，劉曉陽(yáng)，等.利用MODIS光學(xué)厚度遙感產(chǎn)品研究北京及周邊地區(qū)的大氣污染［J］.大氣科學(xué)，2003，27（5）：869-880.

［4］ 王新強(qiáng)，楊世值，朱永豪，等.基于6S模型利用MODIS圖像反演陸地上空大氣氣溶膠光學(xué)厚度［J］.量子電子學(xué)報(bào)，2003，20（5）：629-634.

P407

本研究的資助來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：40972225，41101174）；四川省教育廳科研項(xiàng)目（編號(hào)：14ZB0434）和四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目（編號(hào)：20140102）。