太湖地區(qū)HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)反演氣溶膠及大氣校正

鄭　堯,王琪潔,梁忠壯

(中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

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太湖地區(qū)HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)反演氣溶膠及大氣校正

鄭堯,王琪潔,梁忠壯

(中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

摘要：針對(duì)HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)，利用改進(jìn)的暗像元法反演氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)，再利用反演的AOD對(duì)其進(jìn)行大氣校正。將反演的氣溶膠與地基太陽(yáng)光度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)反演的AOD值大于0.2時(shí)，反演值與地基觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù)為0.964，符合MODIS業(yè)務(wù)化反演AOD的精度要求。再將反演得到的氣溶膠帶入6S輻射傳輸模型中，對(duì)HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該方法能有效提高HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)大氣校正的精度，更好地復(fù)原地物的真實(shí)光譜信息。

關(guān)鍵詞：大氣校正；氣溶膠光學(xué)厚度；HJ-1衛(wèi)星；氣溶膠反演；暗像元

隨著遙感理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，遙感己經(jīng)從最初的定性分析逐步走向定量化。遙感的定量化是遙感應(yīng)用研究的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)，它的核心就是建立傳感器、大氣和地表之間的定量關(guān)系，從而定量探測(cè)與電磁波輻射有關(guān)的各類地物屬性。遙感定量化的前提是傳感器的定標(biāo)和遙感數(shù)據(jù)的大氣校正。大氣不僅造成遙感影像模糊、對(duì)比度下降和細(xì)節(jié)損失等問(wèn)題，還會(huì)使地表反射率、植被指數(shù)、光合作用有效輻射、葉綠素濃度等定量反演結(jié)果失真。大氣校正效果的好壞，依賴于大氣參數(shù)的精度，而大氣參數(shù)中對(duì)大氣校正效果影響最大的是大氣氣溶膠，由于氣溶膠的時(shí)空分布變化大，無(wú)規(guī)律可循，因此精確地測(cè)定氣溶膠的時(shí)空分布是大氣校正的重要步驟。

利用衛(wèi)星遙感反演氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Depth，AOD)主要有結(jié)構(gòu)函數(shù)法、深藍(lán)算法、暗像元法以及改進(jìn)的暗像元法等方法。其中，Kaufman等提出的暗像元法是利用濃密植被(即暗像元)在紅、藍(lán)波段對(duì)地表反射率比較低且容易確定的特點(diǎn)，去除地表反射率的貢獻(xiàn)來(lái)反演氣溶膠光學(xué)厚度[1]。Tanré等針對(duì)亮目標(biāo)的陸地氣溶膠反演提出結(jié)構(gòu)函數(shù)算法，應(yīng)用該算法處理TM、AVHRR、SPOT等數(shù)據(jù)取得很好的效果，但是該算法對(duì)幾何校正的要求很高，很難實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化處理[2]。Hsu等人根據(jù)影像在紅光波段和藍(lán)光波段的AOD對(duì)天頂輻射亮度有顯著的貢獻(xiàn)，提出一種基于地表反射率庫(kù)的深藍(lán)(Deep Blue)算法，該方法成功應(yīng)用于撒哈拉沙漠、阿拉伯半島等干旱、半干旱地區(qū)[3]。王中挺等學(xué)者利用環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)采用改進(jìn)的暗像元法反演北京地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度，該方法驗(yàn)證HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)反演氣溶膠光學(xué)厚度的可行性[4]；本文也采用該方法反演實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)HJ-1衛(wèi)星的AOD。

利用衛(wèi)星遙感反演的氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行大氣校正已有相關(guān)研究，方莉等學(xué)者利用純凈像元提取的方法反演北京地區(qū) HJ-1衛(wèi)星 CCD 數(shù)據(jù)的氣溶膠用于大氣校正的研究[5]；唐洪釗等學(xué)者利用MODIS數(shù)據(jù)反演氣溶膠對(duì)ETM+數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正[6]；李俊生等學(xué)者利用MODIS數(shù)據(jù)反演AOD對(duì)中巴資源衛(wèi)星影像進(jìn)行大氣校正[7]；彭妮娜等學(xué)者利用MODIS數(shù)據(jù)反演的AOD對(duì)QuickBird-2衛(wèi)星海岸帶圖像進(jìn)行大氣校正[8]。本文針對(duì)HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)，提出一種利用其CCD數(shù)據(jù)和AERONET地基觀測(cè)數(shù)據(jù)確定氣溶膠模型的方法；然后使用該方法確定實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)的氣溶膠模型，反演實(shí)驗(yàn)區(qū)的AOD；最后利用反演的AOD對(duì)其進(jìn)行大氣校正。

1HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)反演AOD的原理

1.1基本原理

HJ-1衛(wèi)星平臺(tái)上的CCD相機(jī)獲得的輻射值來(lái)源于大氣散射和地表反射兩部分，假設(shè)在大氣水平均一的條件下，衛(wèi)星接收到的大氣頂部反射率ρTOA表達(dá)為

(1)

式中：ρTOA是大氣頂層表觀反射率；T(μs)和T(μv)分別是向下和向上整層大氣透過(guò)率；ρ0為大氣的路徑輻射項(xiàng)等效反率；ρs為地表二向反射率；μs=cosθs，μv=cosθv，θs和θv分別為太陽(yáng)天頂角與觀測(cè)天頂角；S為大氣下界的半球反射率。

傳統(tǒng)的暗像元算法不能直接應(yīng)用于HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)的氣溶膠反演，因?yàn)镠J-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)缺少2.1μm短波紅外波段，無(wú)法借助該波段受大氣影響較小的特點(diǎn)去獲得紅光和藍(lán)光波段的地表反射率。所以采用改進(jìn)的暗像元法反演HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)的AOD。改進(jìn)的暗像元算法是利用暗像元在紅、藍(lán)光波段的地表反射率存在線性關(guān)系，如式(2)所示。再利用式(2)和式(1)去除紅、藍(lán)光波段表觀反射率中的地表反射率貢獻(xiàn)，從而獲得大氣參數(shù)S，ρ0，T(μs)T(μv) ，進(jìn)而得到氣溶膠光學(xué)厚度。

(2)

使用改進(jìn)的暗像元法反演HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)AOD的關(guān)鍵步驟是如何識(shí)別地表的暗像元。本文通過(guò)設(shè)定歸一化植被指數(shù)(NormalizedDifferenceVegetationIndex，NDVI)的閾值來(lái)識(shí)別地表的暗像元。

(3)

式中：ρnir和ρred分別表示地物在CCD相機(jī)第四波段(近紅外波段)和第三波段(紅光波段)的反射率。

1.2HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)反演的AOD處理流程

基于上述方法，以AERONET太湖站附近區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)研究區(qū)域，對(duì)HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)進(jìn)行氣溶膠的反演，詳細(xì)流程如圖1所示。

圖1　HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)反演氣溶膠光學(xué)厚度流程

從圖1中可以看出，HJ-1衛(wèi)星反演氣溶膠的關(guān)鍵是利用6S模型構(gòu)建精確的查找表，而查找表的精度受氣溶膠模型的影響。且任何地區(qū)的氣溶膠模型都處在不斷變化之中，那么如何確定氣溶膠模型是利用環(huán)境衛(wèi)星反演氣溶膠的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

1.2.1　氣溶膠模型的確定

國(guó)際氣象與大氣物理協(xié)會(huì)(IAMAP)定義了水溶性、沙塵性、海洋性、煤煙性4種基本氣溶膠成分。又根據(jù)這4種成分的含量，定義大陸型、城市型及海洋型3種基本氣溶膠類型，如表1所示[9]。

表1　標(biāo)準(zhǔn)輻射大氣(SRA)氣溶膠類型及各組分含量

在研究反演區(qū)域的氣溶膠模型時(shí)，假設(shè)研究區(qū)域內(nèi)的氣溶膠差異較小，且在衛(wèi)星過(guò)境的時(shí)間內(nèi)氣溶膠的組分比不發(fā)生變化。利用太湖地區(qū)2012年5月6日的HJ-1B衛(wèi)星CCD1數(shù)據(jù)和AERONET太湖站地基觀測(cè)氣溶膠數(shù)據(jù)確定這一區(qū)域的氣溶膠模型。

表2　太湖地區(qū)氣溶膠模型反演結(jié)果(2012年5月6日)

利用6S模型構(gòu)建查找表和對(duì)HJ-1B衛(wèi)星CCD1數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正均使用表2中的氣溶膠模型。

1.2.2　建立查找表和反演AOD

構(gòu)建查找表采用6S模型模擬不同的氣溶膠光學(xué)厚度值(550 nm波段)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置：衛(wèi)星觀測(cè)天頂角和相對(duì)方位角都設(shè)為0°；太陽(yáng)的天頂角：0°，6°，12°，35.2°，48°，54°，60°，66°；按表2設(shè)定氣溶膠模型，相應(yīng)的550 nm波長(zhǎng)處的AOD：0，0.25，0.50，1.00，1.50和1.95；衛(wèi)星高度設(shè)為650 km，地表海拔高度為0.05 km；地表特性設(shè)為均一化植被類型。將上述參數(shù)輸入6S模型中，計(jì)算后可得到查找表文件。然后，根據(jù)查找表文件、HJ-1B衛(wèi)星CCD1數(shù)據(jù)的表觀反射率和角度數(shù)據(jù)就可以得到氣溶膠光學(xué)厚度的分布。

2HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)氣溶膠反演結(jié)果的地基驗(yàn)證

選取太湖地區(qū)2012年5～7月中9 d的HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)進(jìn)行氣溶膠光學(xué)厚度反演。采用AERONET太湖站的地基觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)的反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。將HJ-1衛(wèi)星過(guò)境前后半小時(shí)內(nèi)的AERONET 太湖站地基觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，然后使用Angstrom公式統(tǒng)一將地基觀測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)換為550 nm波段的光學(xué)厚度[11]；再選取反演結(jié)果地基站點(diǎn)的位置附近10×10像元內(nèi)的AOD取均值進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。

圖2　HJ-1衛(wèi)星CCD反演氣溶膠光學(xué)厚度和地基驗(yàn)證結(jié)果

圖2中的虛線是MODIS業(yè)務(wù)化反演AOD的標(biāo)準(zhǔn)誤差線，即±(0.05+0.2)τa，其中τa是衛(wèi)星反演的氣溶膠光學(xué)厚度。從圖2可看出，在橫坐標(biāo)方向上AOD大于0.2的樣本點(diǎn)有6個(gè)，有1個(gè)樣本點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)誤差范圍外；說(shuō)明當(dāng)AOD大于0.2時(shí)，HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)的氣溶膠光學(xué)厚度與地基觀測(cè)氣溶膠光學(xué)厚度有著較高的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)0.964。

在橫坐標(biāo)方向上AOD小于0.2時(shí)，僅1個(gè)樣本點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)誤差范圍邊緣；說(shuō)明當(dāng)AOD小于0.2時(shí)，HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)的氣溶膠光學(xué)厚度與地基觀測(cè)氣溶膠光學(xué)厚度的相關(guān)性較低。原因可能是由于HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)缺少短波紅外波段，當(dāng)AOD較小時(shí)，不能有效去除地表反射率誤差，使得地表反射率的誤差在反演氣溶膠光學(xué)厚度時(shí)被放大。

3基于6S模型的HJ-1B衛(wèi)星CCD1數(shù)據(jù)大氣校正

將2012年5月6日太湖地區(qū)的HJ-1B衛(wèi)星CCD1數(shù)據(jù)反演的氣溶膠光學(xué)厚度、幾何參數(shù)、氣溶膠模型、大氣模型、HJ-1B衛(wèi)星CCD1的光譜響應(yīng)函數(shù)等輸入到6S模型中，對(duì)其進(jìn)行大氣校正，得到校正后的地表反射率數(shù)據(jù)。然后，從大氣校正前后影像目視效果、各波段的統(tǒng)計(jì)直方圖和大氣校正前后典型地物反射率變化進(jìn)行對(duì)比分析。

為了直觀地說(shuō)明大氣校正的效果，將大氣校正前后HJ-1B衛(wèi)星CCD1數(shù)據(jù)的1，2，3波段進(jìn)行彩色合成，如圖3所示。

圖3　大氣校正前后影像對(duì)比圖(太湖地區(qū)，2012年5月6日)

從圖3中可以看出，大氣校正前影像中較暗的點(diǎn)，由于傳感器亮度主要受路徑輻射項(xiàng)的影響，經(jīng)校正后削弱了路徑輻射的影響，使其變得更暗；而大氣校正前影像中較亮的點(diǎn)，由于大氣吸收對(duì)其亮度的削弱，經(jīng)校正后其亮度變大。大氣校正增強(qiáng)了影像的對(duì)比度，使其更客觀地反映地物的真實(shí)反射率。下面將大氣校正前后HJ-1B衛(wèi)星CCD1數(shù)據(jù)各波段的統(tǒng)計(jì)直方圖進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

從圖4可以看出，經(jīng)過(guò)大氣校正后各波段的反射率范圍都有所擴(kuò)大，第1～3波段(可見(jiàn)光波段)反射率降低，向左偏移；第4波段(近紅外波段)反射率升高，向右偏移。

為了進(jìn)一步評(píng)定大氣校正的效果，分別在大氣校正前后的數(shù)據(jù)上選取植物和水泥路面兩種典型地物的樣本點(diǎn)各5個(gè)。統(tǒng)計(jì)其在各波段大氣校正前后的反射率，并與標(biāo)準(zhǔn)地物的反射率進(jìn)行對(duì)比。標(biāo)準(zhǔn)地物的反射率數(shù)據(jù)來(lái)源于我國(guó)遙感衛(wèi)星輻射校正場(chǎng)和典型地物波譜數(shù)據(jù)集。HJ-1B衛(wèi)星CCD1數(shù)據(jù)的第1波段是藍(lán)光波段，第2波段是綠光波段，第3波段是紅光波段，第4波段是近紅外波段。

圖4　大氣校正前后1～4波段反射率直方圖

圖5　水泥路面反射率同標(biāo)準(zhǔn)值比較

新水泥路面與舊水泥路面的反射率值有一定的差異，這是由水泥路面本身的特性決定的。這導(dǎo)致大氣校正前后的反射率和圖形與標(biāo)準(zhǔn)反射率和圖形有一定的差距，特別是第4波段(如圖5所示)。從圖5中可以看出，大氣校正后的反射率和標(biāo)準(zhǔn)水泥路面的反射率相差較小，且在圖形上也與標(biāo)準(zhǔn)水泥路面的圖形更為吻合；大氣校正前的反射率與標(biāo)準(zhǔn)水泥路面的反射率相差較大，圖形上的差距也較大。

植物的光譜曲線在藍(lán)光、紅光波段的反射率較低，呈現(xiàn)兩個(gè)吸收谷，在綠光波段的反射率較高，呈現(xiàn)出一個(gè)反射峰。因?yàn)橹参锏娜~綠素強(qiáng)烈吸收藍(lán)光和紅光波段的輻射能量，對(duì)綠光波段的輻射能量吸收較微弱，在近紅外波段的反射率急劇上升，這是綠色植物最為明顯的光譜特征。因此，可以利用植物的光譜曲線來(lái)研究大氣校正的效果。

圖6　植被反射率同標(biāo)準(zhǔn)值比較

在圖6所示的植被反射率圖中，標(biāo)準(zhǔn)植物反射率和校正后植物反射率都符合植物光譜曲線的特征，且它們的圖形也較為近似。而校正前的植物反射率在第1、2、3波段為遞減趨勢(shì)，不符合植物的光譜曲線特征，其圖形也與標(biāo)準(zhǔn)植物反射率的圖形相差較大。

4結(jié)論

本文利用HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)和AERONET太湖站的地基觀測(cè)數(shù)據(jù)確定研究區(qū)域的氣溶膠模型，解決反演氣溶膠光學(xué)厚度時(shí)氣溶膠模型難以確定的問(wèn)題，避免因氣溶膠模型導(dǎo)致反演結(jié)果誤差偏大的問(wèn)題。然后，利用HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)采用改進(jìn)暗像元法反演太湖地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度，采用AERONET太湖站的地基觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了反演結(jié)果的可靠性。最后，將2012年5月6日太湖地區(qū)HJ-1B衛(wèi)星CCD1數(shù)反演得到的氣溶膠光學(xué)厚度輸入到6S模型中，對(duì)其進(jìn)行大氣校正。通過(guò)對(duì)比大氣校正前后的影像、各波段的統(tǒng)計(jì)直方圖和大氣校正前后典型地物反射率，發(fā)現(xiàn)經(jīng)大氣校正后的影像對(duì)比度增加，各波段的統(tǒng)計(jì)直方圖變化符合物理規(guī)律，地物的反射率與標(biāo)準(zhǔn)地物反射率更為吻合。

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[責(zé)任編輯：李銘娜]

Aerosol retrieval and atmospheric correction of HJ-1 satellite CCD data over land surface of Taihu LakeZHENG Yao，WANG Qijie，LIANG Zhongzhuang

(School of Geosciences and Info-Physics，Central South University，Changsha 410083，China)

Abstract：Atmospheric correction is an important step to extract quantitative information from remote sensing data.An atmospheric correction method with the HJ-1 satellite CCD data using a modified dark dense vegetation method retrieved the aerosol optical depth (AOD) is developed.Comparing the retrieved result with sun-photometer observations，it is found that when the retrieved AOD is greater than 0.2，the retrieved AOD reaches 0.964 correlation with sun photometer observations and conforms to the requirements of the MODIS data inversion precision of the AOD.Then atmospheric correction has been applied to HJ-1 satellite CCD data by using 6S Radiation Transfer Model with the retrieved AOD.With the retrieved AOD as an input，HJ-1 satellite CCD data over land surface of Taihu Lake is significantly improved after the atmospheric correction.

Key words：atmospheric correction；aerosol optical depth；HJ-1 satellite；aerosol retrieval；dark dense vegetation

中圖分類號(hào)：TP75

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-7949(2016)05-0010-06

作者簡(jiǎn)介：鄭堯(1987-)，男，碩士研究生.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41404013)；國(guó)家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012AA121301)

收稿日期：2015-03-23；修回日期：2015-05-05