基于MODIS數(shù)據(jù)驗證分析霧參數(shù)反演算法和影響因素

馬慧云， 趙國慶， 鄒崢嶸， 張偉康

(中南大學地球科學與信息物理學院，長沙 410083)

基于MODIS數(shù)據(jù)驗證分析霧參數(shù)反演算法和影響因素

馬慧云， 趙國慶， 鄒崢嶸， 張偉康

(中南大學地球科學與信息物理學院，長沙 410083)

基于遙感影像對霧進行定量分析是近年來的研究熱點之一。地面能見度、霧頂高度、垂直總水汽含量和有效粒子半徑是對霧進行定量分析的重要參數(shù)。選取MODIS傳感器數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，以發(fā)生于江蘇省西南部的一次冬季平流輻射霧為研究對象，結合來自南京信息工程大學的地面觀測數(shù)據(jù)，對基于大氣輻射傳輸方程模型和SBDART輻射傳輸?shù)撵F物理參數(shù)反演算法所反演的地面能見度和霧頂高度進行地面實測數(shù)據(jù)驗證； 分析影響這2個物理參數(shù)精度變化的原因； 在序列影像霧物理參數(shù)反演結果基礎上，進一步結合地面高程和植被指數(shù)對霧物理參數(shù)影響因素進行分析。結果表明，該次反演的霧能見度和霧頂高度與地面觀測結果相關系數(shù)分別為0.908和0.980，由于SBDART模型設置的參數(shù)以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡訓練次數(shù)等原因，夜間反演的能見度值偏大； 此次大霧物理參數(shù)與地面高程和植被指數(shù)之間具有一定的關系，地面高程與能見度呈正相關，植被指數(shù)和水汽含量呈正相關，與霧有效粒子半徑和光學厚度呈負相關； 霧區(qū)物理參數(shù)易受水體和土地利用等影響。

霧； 反演； 物理參數(shù)； 影響因素

0 引言

霧是一種發(fā)生在大氣近地面層中的常見的災害性天氣現(xiàn)象。近年來，由于極端氣候現(xiàn)象的發(fā)生，大氣污染等多種原因，霧在中國各地頻發(fā)，嚴重阻礙了人們的交通出行； 持續(xù)靜穩(wěn)的大氣層和不斷加重的大氣污染不僅會造成大霧發(fā)生，還會導致更為嚴重的霾，空氣中凝結核攜帶的病菌易引發(fā)各種呼吸道等疾病的發(fā)生，持續(xù)的霧災容易給人們帶來了恐慌和不安，在心理上造成巨大的壓力。隨著衛(wèi)星觀測技術的發(fā)展，目前國內(nèi)外對霧研究已從常規(guī)的地面觀測數(shù)據(jù)分析預報逐步轉移到基于遙感影像的監(jiān)測預報。遙感定量反演的大霧物理參數(shù)有助于進一步認識大霧、摸清大霧的形成與消散規(guī)律，判斷霧的發(fā)生強度，盡可能減輕大霧對人們?nèi)粘；顒拥挠绊憽F進行物理參數(shù)反演及在此基礎上進行霧的屬性研究，已漸漸成為霧研究的一個熱點。國內(nèi)外學者從20世紀70年代開始應用衛(wèi)星資料對典型大霧進行實例分析，針對霧的時空分布、物理結構、化學組分、數(shù)值模擬等方面進行了大量的研究工作，取得了許多研究成果。Stephen等假設理想大氣條件下，通過創(chuàng)建查找表和改進云輻射傳輸模型和參數(shù)反演模型，得到穩(wěn)定的大霧屬性反演計算流程[1]。 Bendix基于一種簡單的輻射傳輸模型，利用AVHRR通道1的反射率數(shù)據(jù)，對德國及歐洲西部10 a觀測數(shù)據(jù)進行了大霧物理屬性反演及影響因素分析[2]，得出了西歐地區(qū)大霧的普遍生消規(guī)律[3]。吳曉京等利用MODIS數(shù)據(jù)對新疆北部霧的屬性參數(shù)進行了反演[4]。鄧軍等利用輻射傳輸模型反演出了霧光學厚度和有效粒子半徑[5]。張紀偉等利用MODIS衛(wèi)星資料對黃海海霧進行了海霧物理參數(shù)反演，并對霧頂高度和能見度進行了驗證[6-7]。

本文擬對基于大氣輻射傳輸方程模型和SBDART輻射傳輸?shù)撵F物理參數(shù)反演算法反演的地面能見度和霧頂高度進行地面實測數(shù)據(jù)驗證，同時分析影響這2個物理參數(shù)精度變化的原因，并在序列遙感影像反演基礎上進一步結合植被指數(shù)NDVI和地面高程DEM數(shù)據(jù)分析此次霧物理參數(shù)變化的影響因素，為進一步發(fā)現(xiàn)霧特性，完善霧預測預報系統(tǒng)提供技術支持。研究數(shù)據(jù)選取MODIS衛(wèi)星序列遙感影像，研究對象為發(fā)生于2006年12月24—27日的江蘇省西南部的一次大霧，地面驗證數(shù)據(jù)采用南京信息工程大學的地面觀測數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)源

研究區(qū)江蘇省位于我國東部沿海中段，介于E116°18′～121°57′，N30°45′～35°20′之間。地形以平原為主，地理位置優(yōu)越，城市發(fā)展程度高，是長江三角洲地區(qū)的重要組成部分，也是重要的經(jīng)濟區(qū)和人口聚居區(qū)，是我國綜合發(fā)展水平較高的省份之一。境內(nèi)分布眾多水體，河湖較多，歷來是大霧多發(fā)地區(qū)之一，尤其是每年秋冬是霧頻發(fā)季節(jié)。大霧給人們交通出行以及生產(chǎn)、生活帶來了很大的不利影響。2006年12月24日晚至27日，江蘇省西南部地區(qū)發(fā)生了一場持續(xù)時間非常長的大霧。此次大霧濃度之高是近十幾年非常罕見的，具有一定的典型性。研究此次大霧不僅具有較高的學術意義，而且對于認識本地區(qū)大霧的發(fā)展規(guī)律，減少霧災影響具有很大的實用價值。

中分辨率成像光譜儀(moderate resolution imaging spectro-radiometer，MODIS)是EOS計劃的主要探測儀器，有36個光譜通道，星下點空間分辨率分別為250 m，500 m和1 000 m。相對現(xiàn)有的氣象觀測衛(wèi)星，MODIS具有光譜譜段多、空間分辨率高、數(shù)據(jù)信噪比高等優(yōu)點，已成為霧研究的重要數(shù)據(jù)源之一[8]。本文在研究區(qū)域和研究時間范圍內(nèi)選擇了7幅1 km空間分辨率的MODIS影像作為研究數(shù)據(jù)。

地面實測驗證數(shù)據(jù)來自于2006年12月24—27日在南京信息工程大學進行的外場綜合探測[9]。觀測場設在南京信息工程大學的大操場草坪，距離長江北岸約3 km，詳細地點見圖1中紅色標志。主要觀測內(nèi)容包括霧的宏觀與微觀物理結構，如含水量、能見度、霧頂高度、氣溶膠等； 觀測儀器包括FM-100型霧滴譜儀等，儀器離地高度約1 m，周圍無高大建筑物及樹木。

(a) 研究區(qū)遙感影像圖(R: MOD01; G; MOD02; B: MOD03)(b) 觀測站點局部放大圖

圖1 研究區(qū)遙感影像圖和觀測站點局部放大圖(觀測站點位于紅色標記區(qū))

Fig.1 Satellite imagery of study area and observation site

本文選用地面觀測獲得的能見度和霧頂高度數(shù)據(jù)驗證由衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的參數(shù)。MODIS序列影像接收時間和地面觀測時間詳見表1。

表1 MODIS序列影像接收時間和地面數(shù)據(jù)觀測時間

2 霧物理參數(shù)反演算法

本文驗證的霧物理參數(shù)反演算法是假設在理想化的大氣輻射傳輸條件下，根據(jù)Stephen等人對大量實驗數(shù)據(jù)分析所得到的經(jīng)驗公式，以及利用亮溫和雙紅外差值信息建立的基于SBDART輻射傳輸模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡的夜間霧屬性反演模型，詳細反演算法見參考文獻[10-11]，可反演得到光學厚度、霧頂高度、垂直水汽含量、能見度和有效粒子半徑等5個屬性參數(shù)。

1)光學厚度τ。是指在計算輻射傳輸時，2個給定高度層之間的單位截面鉛直氣柱內(nèi)特定的吸收或發(fā)射物質(zhì)的質(zhì)量，它與平均含水量、有效粒子半徑及其他參數(shù)具有密不可分的聯(lián)系，是霧層屬性狀態(tài)的綜合反映。

白天霧光學厚度可根據(jù)Stephen等人的假設[1,12]，利用霧在0.3～0.75 μm波段對光吸收極少的特性，光學厚度近似解為

(1)

式中：u0為特定時刻的太陽天頂角余弦；β(u0)為單向入射輻射在天頂角余弦為u0時的后向散射系數(shù)，可通過查找表獲得[13]；Rf(u0)為太陽天頂角余弦為u0時的大霧在可見光波段的反射率值。本文選擇霧在MOD01(620～670 μm )波段接收的反射率作為大霧在可見光的反射率值Rf(u0)，原因是霧的粒子半徑比可見光波段波長大得多，因此霧在可見光波段發(fā)生無選擇性散射，即在可見光波段任何波長霧的散射強度相同，理論上在可見光各個波段霧的反射率大致相同，但由于被云霧散射后的反射能量到達傳感器之前會繼續(xù)途經(jīng)大氣層，這些剩余的能量仍會部分被大氣散射掉，此時的散射屬于瑞利散射，瑞利散射強度與波長的四次方成反比，因此相比較藍綠波段來說，紅波段的瑞利散射較小。

夜間光學厚度反演算法是基于SBDART輻射傳輸模型建立中紅外波段(MODISB20)和熱紅外波段(MODISB31)的亮溫值與光學厚度之間的查找表，通過訓練BP神經(jīng)網(wǎng)絡快速通過查找表獲得遙感影像上對應像元的光學厚度。

2)垂直總水汽含量LWP。是霧中垂直積分的液態(tài)水含量，可由光學厚度進一步計算得到，即

LWP=10(0.545 4 τ)0.254。

(2)

3)霧有效粒子半徑re。是指研究區(qū)內(nèi)霧滴大小的加權意義上的半徑，在可見光波段，跟LWP，τ及液態(tài)水密度ρ(g·cm-3)具有很強的相關性，即

(3)

4)霧頂高度△z。此次霧發(fā)生在內(nèi)陸地勢較低的平原上，且霧具有貼地性，可將霧的厚度看成霧頂高度。根據(jù)Stephen等人的研究結果，幾何厚度和光學厚度之間具有一定關系，白天霧頂高度△z計算公式為

△z=45τ2/3。

(4)

可利用霧頂高度對溫度敏感的特性，根據(jù)溫度絕熱直減率反演夜間霧頂高度△z，即

(5)

式中：T1為發(fā)生大霧前一天同一太陽時晴空地表的亮度溫度；T2為發(fā)生大霧當天霧頂?shù)牧炼葴囟?，亮度溫度選取MODISB31反演的亮度溫度；δ=0.65 ℃/100 m。

5)氣象能見度VIS。與大氣的消光系數(shù)有直接的關系，而消光系數(shù)又和霧區(qū)的光學厚度和垂直厚度有關系。根據(jù)吳曉京[11]等的研究，由柯喜密公式得到的霧能見度VIS計算公式為

(6)

3 反演結果驗證

以江蘇省西南地區(qū)部2006年12月25日13：00Aqua/MODIS影像為例，在對提取的霧區(qū)霧檢測的基礎上，根據(jù)上述反演算法流程，進行霧物理參數(shù)反演，得到了光學厚度、霧有效粒子半徑、垂直水汽總含量、霧能見度和霧頂高度等物理參數(shù)，見圖2。

(a)τ(b)re(c)LWP(d)VIS(e) △z

圖2 2006年12月25日13時大霧區(qū)域反演物理參數(shù)值

Fig.2 Physical parameter inversion values of fog area on December 25, 2006

取站點附近區(qū)域10個像元的MODIS影像反演結果均值與地面觀測值進行線性相關分析，對反演得到的霧頂高度和霧能見度進行驗證。在線性回歸分析中，方程斜率反映某一參數(shù)隨另一參數(shù)變化的大小，若其趨于1說明兩者數(shù)值變化總體相差不大； 相關系數(shù)又稱線性相關系數(shù)，它是衡量變量之間線性相關程度的指標，越接近于1其相關性越高。

3.1 霧頂高度反演結果驗證

影像反演霧頂高度結果與地面觀測值詳見表2，兩者的線性相關分析結果見圖3。

表2 霧頂高度反演結果與地面觀測值

圖3 霧頂高度回歸分析

由表2和圖3可知本次線性相關分析結果，方程斜率為1.073 9，相關系數(shù)為0.980 7，說明反演結果與地面觀測結果相關性很強。對霧頂高度反演結果同地面實測數(shù)據(jù)對比分析可知，二者分布趨勢一致，整體偏差較小，反演結果值存在客觀差異，個別反演數(shù)據(jù)較地面觀測數(shù)據(jù)偏高或偏低。

3.2 霧能見度反演結果驗證

影像反演霧能見度結果與地面觀測值詳見表3，兩者的線性相關分析結果見圖4。

表3 能見度反演結果與地面觀測值

圖4 能見度相關分析

由表3和圖4可知本次線性相關分析結果，方程斜率為1.010 3，相關系數(shù)為0.908 3，說明反演結果與地面觀測結果相關性很強。由表3知，地面觀測值變化幅度較小，在50～190 m之間，反演結果值在51～214 m之間，整體發(fā)展趨勢基本一致。

仔細分析地面觀測值和反演結果可發(fā)現(xiàn)二者還是存在一定的差異。引起差異的原因主要有2點，一個是遙感影像的接收不可能完全滿足假定的理想條件，導致反演結果的精確性降低； 另外，反演算法和SBDART模型的具體參數(shù)設置以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練次數(shù)均會帶來一定的誤差。

4 霧參數(shù)變化及影響因素分析

4.1 霧物理參數(shù)動態(tài)變化分析

時間序列的霧遙感影像對于宏觀分析霧的發(fā)生過程及發(fā)展規(guī)律具有十分重要的指導和現(xiàn)實意義[14]。本文利用研究區(qū)內(nèi)不同時間獲取的遙感數(shù)據(jù)，分別反演了霧區(qū)光學厚度、垂直總水汽含量、霧有效粒子半徑3個參數(shù)的均值，進行了霧發(fā)展不同階段霧物理參數(shù)的動態(tài)變化分析，結果詳見表4。

表4 霧物理參數(shù)均值表

由表4可知，此次大霧發(fā)展過程中，垂直水汽含量變化幅度很大，在42.08～179.69 g·m-2范圍內(nèi)； 粒子半徑平均值為4.61 μm，變化范圍為2.95～10.47 μm； 光學厚度平均值為18.41，最小為14.91，最大為24.18。大霧期間光學厚度一直維持在較高水平，起伏狀態(tài)小，在霧發(fā)展的穩(wěn)定期(12月25日13: 00—12月26日21:30)值變化更小，造成了此次大霧能見度長時間低于50 m的惡劣天氣。

4.2 霧物理參數(shù)影響因素分析

霧發(fā)生發(fā)展受多種自然因素的影響。霧貼地發(fā)生且不斷向四周發(fā)展擴散，消散時上升為層云。霧的這種現(xiàn)象決定了霧的接地特性，因此在不同的地表地貌下，霧的發(fā)生發(fā)展受高程變化的制約； 同時，不同下墊面提供的水汽源不同，造成霧的發(fā)展有所差異。其中NDVI的不同對霧的發(fā)展具有一定的影響。因此，本文結合DEM和NDVI與反演得的霧物理參數(shù)，分析了影響霧屬性參數(shù)變化的原因，以期進一步掌握植被覆蓋度不同的下墊面和不同高程對霧屬性的影響程度。

以12月26日13：40獲取的Aqua影像為例，在大霧檢測基礎上經(jīng)反演獲取了霧區(qū)霧屬性參數(shù)，在研究區(qū)內(nèi)選取7個特定區(qū)段，進行了霧屬性參數(shù)跟NDVI及DEM間的相關性分析。研究區(qū)內(nèi)的地面DEM，NDVI和7個特定區(qū)段的分布詳見圖5。

(a) 研究區(qū)DEM和7個特定區(qū)域 (b) 研究區(qū)NDVI

圖5 研究區(qū)域內(nèi)的地面高程、植被指數(shù)和7個特定區(qū)段的分布圖

Fig.5 Ground elevation and vegetation indices of the study area，and the distribution of 7 specific regions within the study area

1)DEM對霧能見度影響因素分析。統(tǒng)計7個選定區(qū)域內(nèi)地面DEM平均值和霧能見度平均值，結果詳見表5。

表5 7個選定區(qū)域內(nèi)DEM平均值和VIS平均值

由表5可知，區(qū)域1，4，5，6和7的地面DEM逐步增大，能見度相比也逐步增大，說明在此次大霧發(fā)生過程中，隨著地勢的升高，能見度也逐步升高，霧的濃度相對減小，充分顯示了霧的谷底效應，即地勢較低區(qū)霧能見度低。但也有個別地區(qū)不符合這個趨勢，比如區(qū)域3地面DEM高于區(qū)域1和2，但能見度最低。仔細分析區(qū)域3所處的地理位置發(fā)現(xiàn)，區(qū)域3位于河流旁邊，說明充足的水汽源易造成能見度降低，區(qū)域2的能見度亦相對區(qū)域1，4和5有所增大，結合霧區(qū)范圍發(fā)現(xiàn)，區(qū)域2位于霧區(qū)邊緣。但總的來說，地勢越低的地區(qū)，能見度也越低，地勢越高的地區(qū)，能見度越高。

2)NDVI對霧垂直總水汽含量、光學厚度和粒子半徑的影響因素分析。統(tǒng)計7個選定區(qū)域內(nèi)NDVI均值、LWP均值、τ均值和re均值，結果詳見表6。

表6 7個選定區(qū)域內(nèi)的NDVI均值、LWP均值、τ均值和re均值

由表6可知： 隨著區(qū)域2—7上DNVI的增高，水汽含量也隨之增加。但區(qū)域1和3出現(xiàn)水汽含量最大的現(xiàn)象，仔細分析區(qū)域1和區(qū)域3所處的地理位置，發(fā)現(xiàn)二者均距離水體較近，導致雖然DNVI較小，但水汽含量值最高，說明水體對水汽含量的影響不可忽視，進一步說明水汽含量不僅受DNVI的影響，而且與周圍環(huán)境相關。隨著區(qū)域2，3，4，5和7處DNVI的增高，光學厚度逐漸降低，但此次大霧過程中光學厚度整體變化幅度均很小。

隨著區(qū)域2—7處DNVI的增大，霧有效粒子半徑逐漸變小，說明植被濃密區(qū)空氣質(zhì)量相對較好，大顆粒物質(zhì)較少。進一步分析發(fā)現(xiàn)，區(qū)域1粒子半徑最小，這與區(qū)域1靠近水體有關，但區(qū)域3同樣靠近水體，粒子半徑卻最大，本文通過進一步與土地利用圖疊加分析發(fā)現(xiàn)區(qū)域3地處城鎮(zhèn)建成區(qū)，說明人類生產(chǎn)生活可造成大氣中凝結核粒子半徑的增大，而遠離城鎮(zhèn)的區(qū)域大氣較潔凈，氣溶膠粒子半徑較小。

5 結論

本文以發(fā)生于江蘇省西南部的一次冬季平流輻射霧的MODIS遙感數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，采用南京信息工程大學的地面觀測數(shù)據(jù)對基于大氣輻射傳輸方程模型和SBDART輻射傳輸?shù)撵F物理參數(shù)反演算法進行了驗證，并在序列遙感影像霧區(qū)物理參數(shù)反演結果基礎上，結合植被指數(shù)和地面高程分析了影響此次大霧物理參數(shù)的因素，得到以下主要結論：

1)反演的地面能見度和霧頂高度與地面觀測值相關系數(shù)分別為0.908 3和0.980 7，說明該反演算法精度較高。但由于傳感器的觀測條件的局限，以及SBDART模型參數(shù)的設置和BP神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練次數(shù)等原因，能見度反演值出現(xiàn)有偏小或偏大的現(xiàn)象。

2)結合地面高程和植被指數(shù)2個因子對影響霧物理參數(shù)變化的因素進行了分析，發(fā)現(xiàn)地勢高低和能見度大小呈現(xiàn)正相關。植被指數(shù)與水汽含量呈正相關，與光學厚度和粒子半徑呈負相關。

3)水體對霧物理參數(shù)影響較大，易造成霧區(qū)水汽含量升高，能見度降低，光學厚度增大和霧有效粒子半徑減小等現(xiàn)象。

4)霧區(qū)霧有效粒子半徑易受下墊面土地利用的影響，城鎮(zhèn)建成區(qū)內(nèi)粒子半徑值偏高。

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(責任編輯： 李瑜)

Verification of the retrieval algorithm and analysis of influencing factors of fog physical parameters based on MODIS data

MA Huiyun, ZHAO Guoqing, ZOU Zhengrong, ZHANG Weikang

(DepartmentofSurveyingandGeo-informatics,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)

Retrieving fog physical parameters becomes one of the major hot spots of study in recent years based on remote sensing data. The visibility, top height of fog, effective particle radius, and liquid water path (LWP) of fog are the fundamental physical parameters for fog monitoring. In this study, the authors retrieved fog physical parameters from southwest Jiangsu Province according to the path model of fog radioactive phenomena and SBDART based on the MODIS images. The authors verified the visibility and top height of fog according to the data from the Nanjing Information Engineering University and analyzed the influencing factors for the changes of physical parameters. The results showed that the correlation coefficient of visibility and top height of fog was 0.908 3 and 0.980 7, indicating that the retrieval of remote sensing data was feasible. The study also found positive correlations between the fog physical parameters，the surface elevation and vegetation index. The vegetation index was negatively correlated with the radius and optical depth and positively correlated with the liquid water. There was a positively correlation between the visibility and the surface elevation.

fog; inversion; physical parameters; influencing factor

10.6046/gtzyyg.2017.01.19

馬慧云，趙國慶，鄒崢嶸，等.基于MODIS數(shù)據(jù)驗證分析霧參數(shù)反演算法和影響因素[J].國土資源遙感，2017，29(1)：122-128.(Ma H Y,Zhao G Q,Zou Z R,et al.Verification of the retrieval algorithm and analysis of influencing factors of fog physical parameters based on MODIS data[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017，29(1)：122-128.)

2015-08-26；

2015-12-04

湖南省教育廳科學研究開放平臺項目“基于遙感影像霧災預測的關鍵技術研究”(編號： 14K103)和中南大學教師研究基金項目“基于FY-2衛(wèi)星遙感影像霧災預測的研究”(編號： 2014JSJJ002)共同資助。

馬慧云(1979-)，女，博士，副教授，主要研究領域為遙感圖像數(shù)據(jù)處理。Email： lingzi_2002@163.com。

TP 79

A

1001-070X(2017)01-0122-07