基于改進(jìn)算法的HJ-1氣溶膠厚度反演研究

金 健

（1.廣西自然資源調(diào)查監(jiān)測院，廣西 南寧 530023）

“城市霧霾”逐漸成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，而其中微小、頑固的主要成分氣溶膠也一再引起各界學(xué)者的探究。大氣氣溶膠不僅嚴(yán)重威脅著人類的身體健康，還在一定程度上制約了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的探索，氣溶膠反演工作的探測平臺(tái)逐漸成熟，主要可分為衛(wèi)星遙感監(jiān)測和地面觀測兩種方式，其中衛(wèi)星遙感反演氣溶膠技術(shù)以其大范圍、低成本的優(yōu)點(diǎn)發(fā)展較為迅速?，F(xiàn)階段，發(fā)展迅速的衛(wèi)星遙感反演方式主要包括4種：①采用中紅外波段與紅、藍(lán)光波段之間較好線性關(guān)系的暗目標(biāo)算法；②利用衛(wèi)星多方位觀測的復(fù)雜算法；③在地表反射率的基礎(chǔ)上建立相關(guān)函數(shù)的計(jì)算方法；④根據(jù)儀器探測偏振信息的偏振反演算法等[1]。基于上述算法，各界學(xué)者利用MODIS、TM等數(shù)據(jù)對我國珠三角、長三角等發(fā)達(dá)地區(qū)進(jìn)行了一系列氣溶膠反演研究[2-6]。

本文采用的環(huán)境一號(hào)（HJ-1）遙感衛(wèi)星傳統(tǒng)上是環(huán)境與災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)報(bào)衛(wèi)星，可同時(shí)對地表水域、地表覆蓋和大氣等多種對象進(jìn)行綜合監(jiān)測，且具有高時(shí)間（2 d）、高空間分辨率（可見光波段30 m）。本文利用HJ-1號(hào)衛(wèi)星自帶解算參數(shù)生成連續(xù)像元幾何角度數(shù)據(jù)的改進(jìn)算法，結(jié)合暗目標(biāo)算法進(jìn)行了南寧市中心城區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度反演，使得高覆蓋度、高精度的氣溶膠動(dòng)態(tài)監(jiān)測研究成為可能。

1 反演原理與方法

1.1 改進(jìn)算法原理

本文采用通過連續(xù)像元觀測的天頂角、方位角數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星拍攝時(shí)的經(jīng)緯度、太陽高度角、赤緯角、拍攝時(shí)間等相關(guān)解算參數(shù)來推算連續(xù)像元太陽天頂角、方位角的貼合CCD數(shù)據(jù)的改進(jìn)算法，生成與其觀測天頂角、方位角，太陽天頂角、方位角一一對應(yīng)的四波段幾何數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星太陽高度相關(guān)公式為：

式中，h為太陽高度角；φ為緯度；δ為太陽赤緯角；t為時(shí)角；n為時(shí)間[7-8]。

衛(wèi)星太陽赤緯角的近似公式為：

式中，N為所在一年的累計(jì)總天數(shù)。

太陽天頂角的近似公式為：

太陽方位角的計(jì)算公式為：

本文根據(jù)上述公式，求取影像連續(xù)像元的幾何角度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行合成。

1.2 反演方法

1）選取暗目標(biāo)。根據(jù)Kanfman提出的理論，密集植被地表（即暗目標(biāo)）對紅、藍(lán)光波段有較小的反射率[9-10]，可從紅、藍(lán)光波段的表觀反射率中去除地表貢獻(xiàn)，獲得大氣參數(shù)，進(jìn)而得到氣溶膠光學(xué)厚度[11]。結(jié)合CCD數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，本文利用歸一化植被指數(shù)（NDVI）提取暗目標(biāo)[12]。

2）調(diào)用6S模型。收集相關(guān)大氣參數(shù)，根據(jù)改進(jìn)算法合成的幾何數(shù)據(jù)和原始解算參數(shù)建立查找表。在反演過程中，根據(jù)每個(gè)像元的輻射入射、接收角度以及衛(wèi)星觀測的輻射或反射率，從查找表中找出對應(yīng)的氣溶膠光學(xué)厚度，即進(jìn)行連續(xù)像元查找[3-5]。

3）結(jié)果處理。研究表明，在可見紅光波段衛(wèi)星觀測到的云反射率一般大于0.2，因此可利用0.2這個(gè)閾值來去除云[13]；再對反演結(jié)果進(jìn)行平滑、裁剪處理，得到氣溶膠光學(xué)厚度值。

2 反演結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)選取與處理

由于南寧市城區(qū)春季多雨、冬季多云，本文選取2018年8月、9月、10月高空能見度較高條件下的HJ-1 CCD數(shù)據(jù)進(jìn)行研究；再利用相應(yīng)時(shí)間的MODIS影像進(jìn)行氣溶膠反演，并將CCD數(shù)據(jù)反演結(jié)果、MODIS數(shù)據(jù)反演結(jié)果與ARONET地基氣溶膠觀測網(wǎng)站上公布的氣溶膠光學(xué)厚度探測值進(jìn)行對比驗(yàn)證[5]。

2.2 反演結(jié)果

HJ-1CCD數(shù)據(jù)反演的2018年8月、9月、10月南寧市中心城區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度結(jié)果如圖1所示，可以看出，8月南寧市城區(qū)灰霾較多氣溶膠反演厚度在0.5以上的面積達(dá)到83%，氣溶膠光學(xué)厚度達(dá)到0.7以上的面積達(dá)到20%，而南部氣溶膠分布較少，氣溶膠光學(xué)厚度在0.1～0.3之間；9月整個(gè)市區(qū)的氣溶膠擴(kuò)散情況均較嚴(yán)重，由東南部延伸至中西部，氣溶膠光學(xué)厚度大部分在0.5以上，氣溶膠光學(xué)厚度達(dá)到0.7以上的面積達(dá)到30%；10月市區(qū)東北部、西部部分地區(qū)氣溶膠蔓延情況有所減緩，約為0.1，但氣溶膠光學(xué)厚度在0.9以上的面積仍達(dá)到24%，說明市內(nèi)局部氣溶膠光學(xué)厚度較高，且擴(kuò)散緩慢。

圖1 2018年8月、9月、10月HJ-1 CCD數(shù)據(jù)的氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果

2.3 結(jié)果驗(yàn)證

本文將上述反演結(jié)果與AERONET國際氣溶膠監(jiān)測網(wǎng)站MuKdahan站、Hongkong_poly站以及Bac_Giang站發(fā)布的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證，結(jié)果如圖2所示，可以看出，HJ-1 CCD數(shù)據(jù)的反演結(jié)果與AERONET觀測結(jié)果的擬合性較高，相關(guān)系數(shù)為0.779，線性擬合斜率為0.904；MODIS數(shù)據(jù)的反演結(jié)果與觀測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.625，線性擬合斜率為0.930，說明基于連續(xù)像元幾何角度數(shù)據(jù)算法的HJ-1CCD氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果的精度高于MODIS數(shù)據(jù)的反演結(jié)果，且與AERONET網(wǎng)站公布結(jié)果具有更好的一致性。

圖2 HJ-1CCD AOD、MODIS AOD與AERONET觀測值對比驗(yàn)證結(jié)果

2.4 與PM2.5觀測值進(jìn)行相關(guān)性分析

大氣氣溶膠是PM2.5的重要組成部分，然而目前對于PM2.5的監(jiān)測仍限于地基儀器的瞬時(shí)觀測方法，難以實(shí)現(xiàn)多維度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測[14-15]。研究氣溶膠光學(xué)厚度與PM2.5之間的相關(guān)性，對于PM2.5的實(shí)時(shí)大范圍監(jiān)測具有重要意義。南寧市環(huán)境監(jiān)測站共設(shè)立仙葫街道、振寧花園、北湖市場、市環(huán)境監(jiān)測總站、農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院、英華嘉園、大自然花園7個(gè)站點(diǎn)，對南寧市進(jìn)行全年全天PM2.5監(jiān)測。本文選用2018年8月、9月、10月的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)平均值統(tǒng)計(jì)/(mg/m3)

本文利用常用的線性模型、多項(xiàng)式模型對MODIS、CCD反演結(jié)果與PM2.5觀測值進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖3、4所示，可以看出，改進(jìn)角度算法后的CCD數(shù)據(jù)反演結(jié)果與PM2.5觀測值的擬合性高于MODIS數(shù)據(jù)的反演結(jié)果；在基于線性模型的回歸分析中，改進(jìn)角度算法后的CCD反演結(jié)果與觀測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.937，線性擬合斜率為0.967，截距為0.195，MODIS反演結(jié)果與觀測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.647，線性擬合斜率為0.886，截距為0.496；在基于多項(xiàng)式模型的回歸分析中，MODIS反演結(jié)果與觀測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)有所提高，達(dá)到0.675，而CCD反演結(jié)果與觀測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)保持不變，仍為0.937，說明基于逐像元角度數(shù)據(jù)算法的HJ-1CCD氣溶膠光學(xué)厚度反演與PM2.5觀測值的相關(guān)性更強(qiáng)，MODIS反演結(jié)果更適用于基于多項(xiàng)式模型的回歸分析方法，而CCD反演結(jié)果既可用于線性模型的回歸分析，也可用于多項(xiàng)式模型的分析。綜上所述，CCD反演結(jié)果可用于今后氣溶膠光學(xué)厚度與PM2.5的相關(guān)性研究。

圖3 HJ-1CCD AOD、MODIS AOD與PM2.5觀測值基于線性模型的相關(guān)性分析

圖4 HJ-1CCD AOD、MODIS AOD與PM2.5觀測值基于多項(xiàng)式模型的相關(guān)性分析

3 結(jié)語

本文針對HJ-1CCD角度數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提出了利用改進(jìn)算法的HJ-1 CCD數(shù)據(jù)連續(xù)像元推算幾何角度，并生成合成數(shù)據(jù)的方法，最終反演得到南寧市中心城區(qū)的大氣氣溶膠光學(xué)厚度。結(jié)果表明，經(jīng)過改進(jìn)算法的CCD數(shù)據(jù)具有較高的反演精度，精度高于MODIS數(shù)據(jù)的反演結(jié)果；通過與PM2.5觀測值的相關(guān)性分析可知，HJ-1CCD數(shù)據(jù)的反演結(jié)果比MODIS數(shù)據(jù)具有更高的相關(guān)性。

下一步研究還應(yīng)針對各類傳感器進(jìn)行角度數(shù)據(jù)、參數(shù)記錄的改進(jìn)計(jì)算，生成更加貼合下墊面類型的6S反演模型，不斷提高氣溶膠光學(xué)厚度反演精度；同時(shí)建立更加精細(xì)化的氣溶膠光學(xué)厚度與PM2.5的相關(guān)性模型，使PM2.5的時(shí)空分布研究更加多元化。