基于MODIS影像的長(zhǎng)株潭地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度反演

曾 晶， 陳 浩， 樊奕茜, 劉 秀

(湖南科技大學(xué) 地理空間信息技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201)

1 引言

霧霾屬于一種污染天氣。它是由霧與霾兩種物質(zhì)混合所形成的懸浮在大氣層下層的氣溶膠系統(tǒng)。當(dāng)氣體分子和粉狀粒子團(tuán)聚凝集在近地面時(shí)，造成當(dāng)?shù)卮髿鉁啙岫壬仙?，形成霧霾，這些分子微粒就是氣溶膠粒子。形成大氣氣溶膠的人為原因多由工業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣、以煤炭為主的燃料能源燃燒和自然生態(tài)系統(tǒng)中廢棄物不恰當(dāng)焚燒等人類活動(dòng)所造成的廢氣排放，是部分地區(qū)污染天氣的主要來(lái)源。

大氣氣溶膠的研究主要從以下四個(gè)方面展開(kāi)：基于地面監(jiān)測(cè)站的氣象數(shù)據(jù)，分析其變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)氣溶膠傳輸和擴(kuò)散的研究，并根據(jù)研究結(jié)果給出決策性意見(jiàn)和建議；使用數(shù)學(xué)分析方法，結(jié)合現(xiàn)成氣溶膠產(chǎn)品或者官方發(fā)布的監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)，以數(shù)學(xué)方法建立回歸模型，對(duì)模型估算值與觀測(cè)值進(jìn)行相關(guān)性分析；對(duì)專業(yè)儀器采集到的污染物進(jìn)行物理、化學(xué)成分分析，根據(jù)采樣結(jié)果分析污染物來(lái)源、成因，并提出細(xì)顆粒物可降解方案；使用遙感、雷達(dá)數(shù)據(jù)，應(yīng)用編程語(yǔ)言根據(jù)影像光譜特征構(gòu)建不同算法，調(diào)用輻射傳輸模型獲取參數(shù)，進(jìn)行氣溶膠光學(xué)厚度反演。

2 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)域選擇湖南省長(zhǎng)沙-株洲-湘潭地區(qū)，位于湖南省中東部地區(qū)湘江中下游地帶，是湖南省發(fā)展的重心。地理范圍為112°48′～114°20′E，27°50′～28°22′N，地形東、西、南面有丘陵和山地，在濕潤(rùn)氣候的影響下，空氣不易擴(kuò)散容易產(chǎn)生霧霾。

2014～2017年，長(zhǎng)株潭地區(qū)可以檢索到的嚴(yán)重污染天氣為53次，其中2014年和2015年的6月均出現(xiàn)過(guò)一次嚴(yán)重霧霾天氣，其余集中發(fā)生在每年10月至次年2月。為緩解、治理大氣氣溶膠帶來(lái)的問(wèn)題，湖南省政府及相關(guān)機(jī)構(gòu)出臺(tái)并實(shí)施措施，著手建立預(yù)警機(jī)制。因此，加強(qiáng)對(duì)大氣氣溶膠的監(jiān)測(cè)與研究成為長(zhǎng)株潭地區(qū)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)。

3 研究?jī)?nèi)容

對(duì)長(zhǎng)株潭地區(qū)2014～2016年三次霧霾污染天氣展開(kāi)研究，基于暗目標(biāo)算法進(jìn)行一種運(yùn)行高效、精度較好的區(qū)域陸地氣溶膠光學(xué)厚度反演方法。提取有效的暗目標(biāo)像元，利用6S輻射傳輸方程生成查找表，利用查找表獲取對(duì)應(yīng)觀測(cè)幾何條件下的大氣光學(xué)參數(shù)，將所得參數(shù)代入方程反演氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)。AOD 是通過(guò)積分計(jì)算出來(lái)的一個(gè)無(wú)量綱正值，該值可按反演地區(qū)和季節(jié)的不同設(shè)定范圍，氣溶膠厚度值越大代表大氣透明度越低。

3.1 獲取大氣光學(xué)參數(shù)查找表

查找表是通過(guò)設(shè)定不同范圍的觀測(cè)幾何條件及AOD，調(diào)用6S模型，模擬在上述條件下，通過(guò)循環(huán)遍歷上述觀測(cè)幾何條件和AOD，獲得每一個(gè)條件下對(duì)應(yīng)的大氣光學(xué)參數(shù)。通過(guò)影像輔助數(shù)據(jù)獲取太陽(yáng)天頂角、觀測(cè)天頂角，根據(jù)獲取的角度數(shù)據(jù)范圍可設(shè)太陽(yáng)天頂角和觀測(cè)天頂角為0°～60°，步長(zhǎng)為12°；相對(duì)方位角為0°～180°，步長(zhǎng)為24°。AOD按0.05的步長(zhǎng)，設(shè)置為0.001～1.95。

3.2 確定暗像元

對(duì)MODIS影像進(jìn)行輻射定標(biāo)和幾何校正等預(yù)處理，得到的像元的值為表觀輻亮度L。根據(jù)發(fā)射率經(jīng)驗(yàn)閾值設(shè)定云像元判據(jù)為紅波段表觀反射率小于0.2且中紅波段發(fā)射率小于0.02，建立掩膜設(shè)云像元為0值。利用NDVI指數(shù)確定暗目標(biāo)像元，紅波段受氣溶膠影響吸收較強(qiáng)，短波紅外通道影響較小，轉(zhuǎn)化公式將短波紅外波段代替紅波段。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究表明，0.01≤NDVI≤0.15選取的像元為暗目標(biāo)。短波紅外波段受大氣影響較小，所以認(rèn)為短波紅外通道獲取的表觀反射率即為地表反射率，利用紅藍(lán)波段線性經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為0.5來(lái)估算出紅波段地表反射率。

3.3 氣溶膠反演

假設(shè)地表、大氣水平與氣溶膠均一，衛(wèi)星傳感器接收到的輻射LTOA為：

LTOA(μs,μv,φ)=L0(μs,μv,φ)+

rμsF0T(μs)T(μv)/1-rS

(1)

式中，μs和μv分別為太陽(yáng)天頂角θs和觀測(cè)天頂角θv的余弦；φ為相對(duì)方位角；L0為程輻射；r為郎伯體地表反射率；S為大氣整層向下的半球反射率；T為大氣透過(guò)率；F0為大氣層頂太陽(yáng)光的輻射通量密度。利用垂直入射的太陽(yáng)輻射量 對(duì)式(1)進(jìn)行歸一化，可得表觀反射率：

ρTOA(μs,μv,φ)=ρ0(μs,μv,φ)+

T(μs)T(μv)r/(1-rS)

(2)

式中，ρ0為程輻射等效反射率。

運(yùn)用IDL編程語(yǔ)言，根據(jù)角度文件匹配影像對(duì)應(yīng)像元篩選查找表中設(shè)定的觀測(cè)幾何條件，逐條循環(huán)求差值，最終輸出差值最小的對(duì)應(yīng)的光學(xué)參數(shù)P、T、S。將表觀反射率和獲取的P、T、S代入式(2)中，計(jì)算獲得各像元地表反射率，輸出與真實(shí)地表反射率差值最小時(shí)對(duì)應(yīng)條件下查找表中設(shè)定的AOD。

4 反演結(jié)果與精度分析

數(shù)據(jù)選取原則，在地面數(shù)據(jù)有霧霾情況記載下選取少云或無(wú)云影像?；诎的繕?biāo)反演算法得到三幅不同月份的反演結(jié)果圖(見(jiàn)圖1)。由于長(zhǎng)株潭地區(qū)無(wú)公開(kāi)發(fā)布的地基數(shù)據(jù)，采用NASA發(fā)布的MOD04產(chǎn)品驗(yàn)證(見(jiàn)圖2)，其與AERONET站點(diǎn)的實(shí)測(cè)氣溶膠數(shù)據(jù)相關(guān)性達(dá)到0.89，是目前較為精確的氣溶膠產(chǎn)品。下載同時(shí)期MOD04 3K氣溶膠產(chǎn)品，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正、重投影和裁剪等預(yù)處理，獲得該地區(qū)550 nm波長(zhǎng)陸地氣溶膠3 km分辨率校正產(chǎn)品。

圖2 與MOD04產(chǎn)品結(jié)果散點(diǎn)對(duì)比圖

由圖1(a)可以看出，2014年4月4日長(zhǎng)株潭地區(qū)AOD從0.25至1.95均有分布，反演結(jié)果中高值區(qū)集中在長(zhǎng)沙城區(qū)范圍，東部異常高值部分受云影響較大，由于當(dāng)天部分薄云未去除干凈，反演結(jié)果有部分異常值，集中在AOD=1.95處。將本文反演結(jié)果重采樣為與產(chǎn)品同樣大小，剔除空值像元后進(jìn)行相關(guān)分析。如圖2(a)所示，兩者具有較好的一致性相關(guān)性達(dá)到0.75，均方根誤差為0.15，表明數(shù)據(jù)離散程度小。

2014年6月15日?qǐng)D1(b)中霧霾情況嚴(yán)重，地面數(shù)據(jù)AQI表明屬于中度污染。長(zhǎng)沙、湘潭大部分區(qū)域AOD達(dá)到最高值1.95，僅有長(zhǎng)沙東部和株洲南部的山區(qū)AOD值較小。反演結(jié)果與產(chǎn)品圖空間分布較為一致，因反演結(jié)果空間分辨率高于產(chǎn)品空間分辨率，部分細(xì)節(jié)上反演結(jié)果更清晰仔細(xì)。如圖2(b)所示，兩者具有較好的一致性，相關(guān)性達(dá)到0.84，且均方根誤差為0.16，表明離散程度小。AOD≥1.2時(shí)，氣溶膠產(chǎn)品結(jié)果總體偏大。

由圖1(c)顯示，相較于圖1(a)和圖1(b)，2016年9月24日霧霾情況較輕，大部分AOD值小于1。長(zhǎng)沙東部和株洲南部的山區(qū)AOD僅為0.25，空氣質(zhì)量良好。長(zhǎng)株潭三市大部分地區(qū)AOD=0.5，長(zhǎng)沙和湘潭接壤的城鄉(xiāng)結(jié)合部地區(qū)AOD=1。如圖2(c)所示反演結(jié)果與產(chǎn)品相關(guān)性為0.65，由于當(dāng)天云量較少，反演的異常結(jié)果值少，均方根誤差不足0.11。另從環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心網(wǎng)站獲取秸稈焚燒遙感監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)，監(jiān)測(cè)到2016年9月24日如圖1(c)所示長(zhǎng)株潭秸稈焚燒火點(diǎn)一個(gè)，火點(diǎn)位于113.042°E，28.083°N，屬于省道禁燒區(qū)。由圖可發(fā)現(xiàn)火點(diǎn)有局部霧霾區(qū)域，AOD反演值高達(dá)1.5。推測(cè)當(dāng)天長(zhǎng)沙中部地區(qū)輕霾來(lái)源為禁燒點(diǎn)非法燃燒秸稈，而MOD04產(chǎn)品中該薄煙覆蓋部分視為云像元，被設(shè)置為空值。

研究數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)春、夏、秋三個(gè)季節(jié)，在6S輻射傳輸模型中分別設(shè)置氣溶膠類型為大陸型、城市型和生物質(zhì)燃燒型，進(jìn)行氣溶膠數(shù)值模擬反演，將三種類型的反演結(jié)果與氣溶膠產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，總體對(duì)比結(jié)果如表1中所示。采用大陸型和生物質(zhì)燃燒型氣溶膠模式的反演結(jié)果與氣溶膠產(chǎn)品值最為接近，大陸型反演結(jié)果整體偏高，生物質(zhì)燃燒型反演結(jié)果整體偏低，以氣溶膠產(chǎn)品結(jié)果為設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)大陸型氣溶膠的反演結(jié)果更準(zhǔn)確。

表1 不同氣溶膠類型反演結(jié)果統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論與展望

本文基于暗目標(biāo)法調(diào)用6S輻射傳輸模型生成查找表，使用MODIS 1 km數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)株潭地區(qū)的AOD反演。算法反演結(jié)果與產(chǎn)品結(jié)果空間分布整體較為一致。有效值的高值區(qū)與低值區(qū)較為對(duì)應(yīng)，且與地形和城市分布存在一定關(guān)系。AOD高值區(qū)主要集中在長(zhǎng)株潭地區(qū)城市發(fā)展中心、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，霧霾聚集不易擴(kuò)散，南部等農(nóng)村山區(qū)地區(qū)則空氣質(zhì)量良好，長(zhǎng)株潭地區(qū)東北部的崗地地勢(shì)較為平坦，低丘緩坡 AOD較小。與MOD04產(chǎn)品進(jìn)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)可以構(gòu)成較好的線性擬合，回歸方程相關(guān)指數(shù)R2較高，標(biāo)準(zhǔn)誤差RMSE離散程度小，與同期氣溶膠產(chǎn)品數(shù)據(jù)接近。算法反演結(jié)果良好，1 km空間分辨率影像與MOD04結(jié)果相比更為精細(xì)，滿足AOD監(jiān)測(cè)的精度，可用于實(shí)際研究，保持了較好的信噪比，又提高了反演結(jié)果的空間精度。不同氣溶膠類型反演結(jié)果表明：大陸型氣溶膠整體反演效果最好，生物質(zhì)燃燒型氣溶膠對(duì)部分薄云、薄霧地區(qū)效果相較大陸型更佳；城市型氣溶膠主要針對(duì)城市等高反射率區(qū)域，長(zhǎng)株潭地區(qū)整體反演效果差。從這些結(jié)果來(lái)看，氣溶膠類型的選擇具有一定區(qū)域針對(duì)性和適用性。

本文在利用遙感影像反演長(zhǎng)株潭地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度的過(guò)程中存在以下問(wèn)題：(1)MODIS數(shù)據(jù)去除云像元后仍有部分薄云殘留，一定程度上影響后續(xù)反演結(jié)果；(2)本文采用的反演算法暗目標(biāo)法主要針對(duì)濃密植被覆蓋區(qū)，對(duì)高反射率地區(qū)，如城市、沙土等反演效果不好，在區(qū)域和時(shí)間上該方法有一定的限制；(3)研究區(qū)缺少地基數(shù)據(jù)，之后研究應(yīng)在有地基數(shù)據(jù)的地區(qū)使用更多的影像進(jìn)行算法驗(yàn)證。