基于MODIS遙感數(shù)據(jù)的氣溶膠光學(xué)厚度反演技術(shù)研究

周強(qiáng)波

(核工業(yè)二三〇研究所，湖南長沙 410007)

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基于MODIS遙感數(shù)據(jù)的氣溶膠光學(xué)厚度反演技術(shù)研究

周強(qiáng)波

(核工業(yè)二三〇研究所，湖南長沙 410007)

摘要[目的]研究基于MODIS遙感數(shù)據(jù)的氣溶膠光學(xué)厚度反演技術(shù)，揭示氣溶膠空間分布和時(shí)間變化特征。[方法]利用MODIS遙感數(shù)據(jù)中的MOD021KM與MOD03角度數(shù)據(jù)，采用6S輻射傳輸模型建立查找表，選取2015年3～9月某市以晴天為主的MODIS遙感影像，利用ENVI軟件處理該時(shí)間段內(nèi)質(zhì)量相對較高的一系列遙感影像數(shù)據(jù)，提取處理后的Band 1紅波段(0.66 μm)、Band 3藍(lán)波段(0.47 μm)與Band 7近紅外波段(2.10 μm)的數(shù)據(jù)對大氣氣溶膠光學(xué)厚度(AOD值)進(jìn)行反演。[結(jié)果]AOD值與PM10濃度結(jié)果類似，呈正態(tài)分布，與事先預(yù)期的負(fù)關(guān)系相反。[結(jié)論]利用MODIS遙感數(shù)據(jù)反演AOD值可以在宏觀上指示空氣污染的分布區(qū)域，對大氣污染的預(yù)報(bào)與治理有一定的參考作用。

關(guān)鍵詞MODIS；暗像元算法；AOD；反演；PM10濃度

近年來，隨著我國城市覆蓋率的增大和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車數(shù)量逐步增加，致使空氣質(zhì)量每況愈下。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年我國長江、珠江三角洲及京津冀3個(gè)主要城市群的平均能見度約為7.0 km，上海地區(qū)的平均能見度僅有6.1 km。而造成城市能見度下降的主要原因是霧霾[1-3]。因此，大氣氣溶膠粒子監(jiān)測技術(shù)的研究勢在必行。目前，我國使用地面建立空氣質(zhì)量監(jiān)測站，通過地面監(jiān)測站獲得相關(guān)大氣數(shù)據(jù)監(jiān)測大氣氣溶膠。這種方式不僅需要大量時(shí)間與人力，成本也相當(dāng)高。在無地面監(jiān)測站點(diǎn)的情況下，憑借模擬空氣質(zhì)量的數(shù)值也可以估算氣溶膠光學(xué)厚度，但是由于數(shù)值模擬需要詳細(xì)的污染物排放信息和大量的氣象與地理初始信息[4-5]，實(shí)際中難以精確估計(jì)和獲得這些信息。衛(wèi)星遙感技術(shù)觀測范圍大，可以高頻率獲取數(shù)據(jù)，將衛(wèi)星遙感技術(shù)與地基監(jiān)測站配合起來，可較真實(shí)地模擬大氣環(huán)境實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，采用衛(wèi)星觀測反演氣溶膠光學(xué)厚度可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測氣溶膠。筆者利用MODIS遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合暗像元法，以6S輻射模型為基礎(chǔ)模型，在ENVI平臺下反演了2015年3～9月某市AOD值(AOD值指無云大氣鉛直氣柱中氣溶膠散射造成的消光系數(shù)在垂直方向上的積分，是描述氣溶膠對太陽光產(chǎn)生衰減作用強(qiáng)弱的因子[6]，同時(shí)也可描述大氣的渾濁度)，并結(jié)合當(dāng)日地面監(jiān)測站獲取的PM10濃度，分析了PM10與AOD值的相關(guān)性，通過MODIS遙感數(shù)據(jù)宏觀監(jiān)測地面大氣污染狀況，旨在為大氣污染的預(yù)報(bào)與治理提供參考與借鑒。

1材料與方法

1.1MODIS遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1.1數(shù)據(jù)合成。根據(jù)暗像元法的原理選擇滿足短波長條件的分辨率為250 m的1波段(620～670 nm)，500 m的3波段(459～479 nm)和7波段(2 105～2 155 nm)用于氣溶膠光學(xué)厚度反演。數(shù)據(jù)的合成包括反射率和發(fā)射率的合成及角度數(shù)據(jù)的合成。

利用ENVI將已經(jīng)校正后的發(fā)射率Emissive(band20-band36)與反射率Reflectance(band1-band26)文件合成為文件A(圖1)。提取用于幾何校正MOD02數(shù)據(jù)的MOD03數(shù)據(jù)中的經(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(gè)元數(shù)據(jù)合并為1個(gè)ENVI標(biāo)準(zhǔn)文件B。從合成的標(biāo)準(zhǔn)文件A中提取Band 1波段(0.66 μm)，Band 3波段(0.47 μm)，Band 7波段(2.10 μm)再合成1個(gè)ENVI標(biāo)準(zhǔn)文件(圖2)。

1.1.2合成后處理。雖然MODIS遙感影像具有覆蓋廣、信息量大的優(yōu)點(diǎn)，但是這些優(yōu)點(diǎn)也為影像的使用帶來了弊端，大范圍的影像難以兼顧覆蓋區(qū)域的天氣情況，因此MODIS遙感影像極易受到云層的干擾。在利用MODIS遙感影像進(jìn)行AOD反演時(shí)，要對反射率和發(fā)射率的合成文件進(jìn)行去云處理。云檢測的原理是云在可見光和紅外波段有較高的反射率，可見光波段反射率會(huì)隨著云下地物種類的不同而變化，云的反射率明顯高于云下地物種,并隨著厚度、高度的變化而變化，利用這些特性可以區(qū)分云與晴空地物。

圖1　發(fā)射率與反射率文件合成Fig. 1　The files’ composition of emissivity and reflectivity

圖3　云檢測結(jié)果Fig. 3　The result of cloud detection

在ENVI 中加載擴(kuò)展工具modis_cloud，對反射率和發(fā)射率的合成文件以及角度合成文件進(jìn)行云檢測。檢測結(jié)果如圖3所示。

1.2氣溶膠光學(xué)厚度反演試驗(yàn)

圖4　AOD反演流程Fig. 4　The process of AOD inversion

1.2.1氣溶膠反演過程。①讀取MOD021KM影像數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正(所用數(shù)據(jù)已經(jīng)做過輻射校正)，利用ENVI軟件對影像去除蝴蝶金效應(yīng)。提取MOD021KM文件中的發(fā)射率文件(Emissive)，用Georeference MODIS工具進(jìn)行幾何校正，同時(shí)導(dǎo)出GCP控制點(diǎn)文件；②調(diào)用ENVI中的“影像地圖配準(zhǔn)”工具，加載校正發(fā)射率文件時(shí)導(dǎo)出的GCP控制點(diǎn)文件對反射率文件(Reflectance)進(jìn)行幾何校正；③將幾何校正后的發(fā)射率文件與反射率文件合成1個(gè)ENVI標(biāo)準(zhǔn)文件(合成時(shí)反射率應(yīng)在上，發(fā)射率應(yīng)在下)，從該文件中再將Band 1波段(0.66 μm)、Band 3波段(0.47 μm)、Band 7波段(2.10 μm)合成1個(gè)ENVI標(biāo)準(zhǔn)文件。對這個(gè)ENVI標(biāo)準(zhǔn)文件進(jìn)行云檢測處理，保存處理結(jié)果；④利用導(dǎo)出的GCP控制點(diǎn)文件對角度數(shù)據(jù)集進(jìn)行幾何校正，將校正后的數(shù)據(jù)合成1個(gè)ENVI標(biāo)準(zhǔn)文件；⑤根據(jù)在6S大氣輻射傳輸模型中輸入相關(guān)參數(shù)，建立AOD查算表(LUT)。⑥在ENVI中加載AOD反演工具modis_aerosol_inversion，生成反演結(jié)果。反演過程見圖4。1.2.2反演試驗(yàn)。利用MOD02與MOD03數(shù)據(jù)，對某市2015年3～9月進(jìn)行了氣溶膠光學(xué)厚度的反演。在試驗(yàn)中，為了減小觀測角度對衛(wèi)星反演結(jié)果的影響，盡量選取位于軌道中間的圖像數(shù)據(jù)。

該研究所采用的反演查找表是將AOD值定義在0～2。在理想條件下，AOD值為0時(shí)，表示空氣中氣溶膠粒子無限多，光線在經(jīng)過大氣層時(shí)完全被反射回去；AOD值為2時(shí)，表示空氣中無氣溶膠粒子光線經(jīng)過大氣剖面時(shí)不發(fā)生反射現(xiàn)象。考慮到天氣對影像質(zhì)量因素的影響，以及反演結(jié)果效果不一，筆者僅列出部分氣溶膠反演(21組反演結(jié)果中的8張)(圖5)。

暗像元法對于冬季反演的氣溶膠效果不好，對于3～9月期間反演的效果較好，因此研究時(shí)間跨度為3～9月，而某市4～6月降雨量較大，占全年降水量的50%?？紤]到影像自身的質(zhì)量因素，為保證反演效果，選擇MODIS影像數(shù)據(jù)時(shí)以天氣晴朗的日期為準(zhǔn)，影像的日期不能保證連續(xù)，且存在一定的間距。

圖5　某市氣溶膠反演結(jié)果Fig. 5 Results of aerosol retrieval in a given city

從選取的反演結(jié)果可以看出，不同時(shí)間及地點(diǎn)AOD值有很明顯的變化。時(shí)間維度上可以看出，3～7月的氣溶膠反演結(jié)果一般較低，而8月反演結(jié)果較高。原因可能是3～7月降水較多，有利于污染物的擴(kuò)散和輸送；8月是收割季節(jié)，隨著農(nóng)作物的收割，裸露土地面積增大，致使大氣中氣溶膠數(shù)量增多，同時(shí)試驗(yàn)地區(qū)以水稻為主，收割以后留下的稻草多采用焚燒的方式，這也加劇了大氣中氣溶膠數(shù)量的增加。

2結(jié)果與分析

圖6　試驗(yàn)區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測站分布Fig. 6 Distribution of air quality monitoring in test ara

試驗(yàn)地區(qū)共有9個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)，分別為試驗(yàn)區(qū)外事辦公室、試驗(yàn)區(qū)林業(yè)公司、林業(yè)科學(xué)研究所、京東鎮(zhèn)政府、建工學(xué)校等。分布情況見圖6。統(tǒng)計(jì)這9個(gè)站點(diǎn)的顆粒物監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值[7]，取2015年3～9月1、5、10、15、20、25、30日的PM10濃度。

由表1可知，由于3～7月多雨，天氣變化快，溫度起伏大，7～9月夏季天氣炎熱干旱，因此試驗(yàn)區(qū)的PM10濃度在3～7月期間起伏較大，最大值可達(dá)到142 μg/m3，最小為16 μg/m3，而在7～9月相對較為平穩(wěn)，均值為73 μg/m3。

實(shí)際中，地面上的工業(yè)分布、居民分布、交通等因素都會(huì)在空間上對氣溶膠的分布產(chǎn)生很大影響。研究區(qū)域內(nèi)不同地點(diǎn)的氣溶膠光學(xué)厚度也不同，把研究區(qū)域內(nèi)反演得出的氣溶膠光學(xué)厚度確定為1個(gè)常數(shù)并不合理。同時(shí)由于試驗(yàn)區(qū)各氣溶膠監(jiān)測站點(diǎn)僅支持實(shí)時(shí)查詢，并不支持歷史查詢，獲取到的PM10濃度是整個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)的歷史平均濃度。因此，筆者選取氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果中“省站”所處位置的AOD值。

由表1可知，PM10濃度與AOD值存在一定關(guān)系。理論上AOD值應(yīng)該隨著與PM10濃度的增大而減小，考慮到氣溶膠空間分布復(fù)雜，同時(shí)反演出的AOD數(shù)據(jù)受到各種因素的影響，AOD值與PM10濃度不應(yīng)該是簡單的正比例線性關(guān)系。

通過AOD值與PM10濃度散點(diǎn)分布關(guān)系發(fā)現(xiàn)，當(dāng)AOD值為1.20時(shí)，PM10濃度達(dá)到最大值，AOD值為0～1.20時(shí)，AOD值隨著PM10濃度的增大而增大，與實(shí)際不符；AOD值為1.20～2.00時(shí)，AOD值隨著與PM10濃度的增大而減小，與事實(shí)較為符合。

表12015年3～9月不同站點(diǎn)的PM10濃度與AOD值

Table 1TheAODvalue of PM10in different stations from March to September 2015

日期DatePM10ug/m3AOD值A(chǔ)ODvalue日期DatePM10ug/m3AOD值A(chǔ)ODvalue2015-03-01161.7920150-6-20232015-03-05672015-06-25560.622015-03-10961.312015-06-30522015-03-151132015-07-01672015-03-20632015-07-05512015-03-25951.062015-07-101421.192015-03-24952015-07-15241.932015-03-30602015-07-20802015-04-01702015-07-25732015-04-051311.302015-07-30842015-04-101002015-08-01341.722015-04-15781.262015-08-06562015-04-19282015-08-10722015-04-251.252015-08-15581.472015-04-25352015-08-18582015-04-301372015-08-20580.742015-05-011151.682015-08-25532015-05-03902015-08-30732015-05-10611.352015-09-01742015-05-15652015-09-04852015-05-201331.142015-09-05851.332015-05-25442015-09-10532015-05-30602015-09-15711.262015-06-01682015-09-20502015-06-05622015-09-251160.692015-06-101091.642015-09-30422015-06-151111.68

3結(jié)論與討論

(1)該研究選擇暗像元算法作為AOD反演的基本算法，結(jié)合6S輻射傳輸模型對2015年3～9月某市及其周邊地區(qū)AOD值進(jìn)行反演，將得到的結(jié)果與某市空氣質(zhì)量監(jiān)測站監(jiān)測得到的PM10濃度數(shù)據(jù)對比分析其相關(guān)性，得到以下結(jié)論：MODIS反演得到的AOD值與可吸入顆粒物PM10的濃度有一定關(guān)系，且AOD值與可吸入顆粒物PM10的濃度關(guān)系能夠揭示出試驗(yàn)區(qū)氣溶膠空間分布和時(shí)間變化特征。

(2)利用MODIS數(shù)據(jù)反演氣溶膠光學(xué)厚度的過程中仍存在以下不足：受暗像元算法的局限，用MODIS數(shù)據(jù)反演試驗(yàn)區(qū)冬季AOD值的效果很差，不可行。且該研究反演所采用的數(shù)據(jù)空間分辨率為1 km，僅能大致模擬出氣溶膠的區(qū)域分布，在精度方面有待提高。隨著科技的進(jìn)步及遙感探測技術(shù)和科學(xué)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，未來利用衛(wèi)星影像實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、大范圍監(jiān)測及預(yù)測PM10將更加有效和精確。

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Inversion Technology of Aerosol Optical Depth Based on MODIS Remote Sensing Data

ZHOU Qiang-bo

(Research Institute No. 230, CNNC, Changsha, Hunan 410007)

Abstract[Objective] To research the inversion technology of aerosol optical depth base on MODIS remote sensing data, and to reveal the spatial distribution and time variation characteristics of aerosol. [Method] MOD021KM and MOD03 angle data from MODIS remote sensing data was applied. A lookup table was established by the 6S radiation transfer models. The MODIS remote-sensing images in mainly sunny days in a given city from March to September 2015 were taken as the primary data. A series of remote sensing image data with relatively high quality in this time quantum was used by using ENVI software treatment. Data of the processed band 1( the red band 0.66 μm), band 3(the blue band 0.47 μm) and band 7(near-infrared band 2.1 μm) was extracted to invert the aerosol optical depth (AOD). [Result] AOD value and the PM10concentration showed normal distribution, and had simple negative correlation with the expected results. [Conclusion] Inversion of aerosol optical depth based on MODIS remote sensing data can indicate the distribution region of air pollution at macro level, and provides reference to the forecast and control of air pollution.

Key wordsMODIS; Dark pixel algorithm; AOD; Inversion; PM10concentration

作者簡介周強(qiáng)波(1984- )，男，江西撫州人，工程師，從事測繪(GPS/GIS/RS)研究。

收稿日期2016-02-25

中圖分類號S 127

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)10-069-05