基于MODIS的氣溶膠光學(xué)厚度反演算法及應(yīng)用進(jìn)展

李加恒，劉厚鳳，趙丹婷

（山東師范大學(xué) 人口·資源與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014）

1 引言

氣溶膠是指以大氣作為氣相載體與懸浮在其中半徑小于幾十微米的固態(tài)或液態(tài)微粒共同組成的多相體系［1］。由于其具有在大氣層中分布廣泛、生命期短暫、空間變化巨大、化學(xué)成分復(fù)雜，影響區(qū)域乃至全球氣候等特點(diǎn)，目前已成為大氣科學(xué)研究的熱點(diǎn)問題。

我國的大氣氣溶膠監(jiān)測主要以地面監(jiān)測為主，地面監(jiān)測可以得到較為準(zhǔn)確的氣溶膠信息，但由于我國幅原遼闊，并且大多數(shù)監(jiān)測站點(diǎn)分布在各個(gè)大、中城市，因此依靠現(xiàn)有的監(jiān)測臺（站）與監(jiān)測技術(shù)，不能全面、連續(xù)地監(jiān)測我國的環(huán)境質(zhì)量狀況，而遙感監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)這一目的的有效方式［2］，與傳統(tǒng)的地基探測方法不同，衛(wèi)星遙感可以進(jìn)行快速、大范圍、低成本、周期性動(dòng)態(tài)監(jiān)測，為人們實(shí)時(shí)了解大區(qū)域范圍內(nèi)的氣溶膠變化提供了可能。

2 遙感反演氣溶膠理論的發(fā)展

國際上利用衛(wèi)星遙感氣溶膠的理論始于20世紀(jì)70年代。1977年，NOAA［3］開始利用高分辨率輻射計(jì)AVHRR可見光第一通道（0.63μm）進(jìn)行海洋上空氣溶膠光學(xué)厚度的遙感。Gordon［4］考慮了氣溶膠在海洋水色遙感中的影響，并用AVHRR／NOAA觀測開發(fā)生成業(yè)務(wù)產(chǎn)品。Tanre等［5］在陸地遙感中去除大氣，特別是氣溶膠的渾濁效應(yīng)，并由此開始了陸地氣溶膠的遙感研究。近年來，隨著對氣溶膠特性的深入研究，利用衛(wèi)星遙感氣溶膠也得到了不斷的發(fā)展，各種傳感器包括多光譜、多角度、偏振、成像掃描等功能的應(yīng)用對遙感氣溶膠光學(xué)特性提供了更加全面的信息，先后出現(xiàn)了多種衛(wèi)星遙感氣溶膠的方法，如單通道遙感和多通道遙感、對比法遙感、多角度多通道遙感、偏振特性遙感等［6］。在眾多遙感氣溶膠光學(xué)特性的研究中，最具代表性、應(yīng)用最廣泛的為基于MODIS等傳感器的多光譜信息來反演監(jiān)測氣溶膠光學(xué)厚度的研究。

1991年NASA正式啟動(dòng)地球觀測系統(tǒng)（EOS）計(jì)劃，并于1999和2002年分別發(fā)射了Terra（EOS.AM1）和 Aqua（EOS.PM1）兩顆對地觀測衛(wèi)星。MODIS是Terra和Aqua兩顆極地軌道衛(wèi)星搭載的主要傳感器，它的英文全稱為Moderate Resolution Imaging Spectradiometer，即中分辨率成像光譜儀，具有36個(gè)光譜通道，分布在0.4～14μm的電磁波譜范圍內(nèi)。MODIS儀器的星下點(diǎn)地面分辨率分別為250、500和1 000m，掃描寬度為2 330km，在對地觀測過程中，可同時(shí)獲取來自大氣、海洋和陸地表面的信息，它的運(yùn)行周期為1～2d，每日或每兩日可獲取一次全球觀測數(shù)據(jù)［7］。MODIS各波段輸出的灰度量化等級為12bit，量化等級比NOAA AVHRR高4倍，并且采用了可見光波段星上校準(zhǔn)技術(shù)以確保觀測的長期穩(wěn)定［8］。由于MODIS數(shù)據(jù)具有多光譜分辨率、高時(shí)空分辨率等特點(diǎn)，因此它在監(jiān)測資源、環(huán)境、災(zāi)害和全球氣候變化等方面具有重大意義。

3 基于MODIS反演氣溶膠光學(xué)厚度的主要算法

目前利用衛(wèi)星遙感反演氣溶膠光學(xué)厚度的方法包括單通道反射比、多通道反射比、密集植被暗背景、海陸對比及單次散射反照率的反演、多角度成像偏振和陸地粒子譜的反演、熱輻射對比、用于TOMS資料的紫外方法等［9］。本文主要介紹其中比較有代表性的幾種主要的氣溶膠反演算法。

3.1 暗像元算法

暗像元法是由Kaufman和Sendra［10］反演稠密植被上空氣溶膠光學(xué)厚度建立的。陸地上的稠密植被、濕土壤及水體覆蓋區(qū)在可見光波段反射率很低，在遙感圖像上稱為暗像元，在晴空無云天氣的陸地暗像元上空，衛(wèi)星觀測反射率隨大氣氣溶膠光學(xué)厚度單調(diào)增加，利用這種關(guān)系反演大氣氣溶膠光學(xué)厚度的算法，稱為暗像元法。暗像元法基于表觀反射率大氣貢獻(xiàn)項(xiàng)，利用大多數(shù)陸表在紅（0.60～0.68μm）和藍(lán)（0.40～0.48μm）波段反射率低的特性，根據(jù)歸一化植被指數(shù)（NDVI）或近紅外通道（2.1μm）反射率進(jìn)行暗像元判識，并依據(jù)一定的關(guān)系假定這些暗像元在紅或藍(lán)通道的地表反射率，用于反演氣溶膠光學(xué)厚度［7］。該法最初只能應(yīng)用于預(yù)先知道有稠密植被的地區(qū)，為了使方法的適用性更好，Holben和 Kaumfan［11］用中紅外波段（2.1μm 或3.8μm）來尋找暗像元。擬合得到紅（0.66μm）、藍(lán)（0.47μm）和中紅外通道（2.1μm）地表反射率的關(guān)系：

由公式（1）、（2）確定紅、藍(lán)通道的地表反照率ρR和ρB，并且假定符合研究區(qū)域的氣溶膠模型，就可以由衛(wèi)星獲取的表觀反射率來反演氣溶膠光學(xué)厚度。暗像元法是目前遙感陸地上空氣溶膠應(yīng)用最廣泛的算法。

3.2 擴(kuò)展的暗像元算法

一般情況下，當(dāng)?shù)乇矸瓷渎瘦^低時(shí)，傳感器接收的輻射值隨氣溶膠的增多而迅速增大，隨著地表反射率的增大，輻射值隨氣溶膠的增加而增大的幅度變慢，當(dāng)反射率增大到一定程度時(shí)，氣溶膠的指示作用降低，輻射值將不隨氣溶膠的增加而增加，甚至有時(shí)會(huì)出現(xiàn)隨氣溶膠的增加而降低的趨勢。因此，在干旱、半干旱以及城市等高反射率地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度的反演還存在不少困難［2］。

3.3 結(jié)構(gòu)函數(shù)法

對于中高緯度地區(qū)冬季或干季，大多數(shù)像元為亮地表，在暗地表上以路徑輻射為主的反演算法用于亮地表上會(huì)產(chǎn)生很大的反演誤差。對比法是基于如下假定，即在同一地區(qū)一段時(shí)間內(nèi)地表反射率不變。那么，以“清潔日”大氣為參考，可以反演出“污染日”大氣氣溶膠光學(xué)厚度。Tanre［13］和 Holben［14］在采用對比法時(shí)，引入了結(jié)構(gòu)函數(shù)概念形成結(jié)構(gòu)函數(shù)法，該算法主要利用表觀反射率的地表貢獻(xiàn)項(xiàng)反演氣溶膠光學(xué)厚度。

結(jié)構(gòu)函數(shù)法在應(yīng)用于反演過程中時(shí)，需要以干潔的背景氣溶膠信息作為己知。通過地面觀測或其它途徑來確定“清潔日”氣溶膠光學(xué)厚度，假定地表目標(biāo)無變化，由透射函數(shù)的變化就能獲取其它“污染日”的氣溶膠光學(xué)厚度。這一方法依賴于單次散射反照率及不對稱因子，相對于散射相函數(shù)有較好的獨(dú)立性。為在干旱、半干旱地區(qū)和城市區(qū)等亮地表上空的氣溶膠光學(xué)厚度反演提供了途徑。

3.4 高反差地表法

高反差地表法是由Kondmtyev［15］等在20世紀(jì)70年代提出的用于反演晴空條件下陸地上空的氣溶膠光學(xué)厚度的方法。這一方法反演氣溶膠光學(xué)厚度是在兩個(gè)空間位置比較靠近的區(qū)域，假設(shè)大氣的光學(xué)特性不變，選擇明、暗兩種對比明顯的像元（區(qū)域）反演氣溶膠光學(xué)厚度，這里要求的暗像元（區(qū)域）是與明亮像元（區(qū)域）相對而言的，并不局限于水體以及濃密植被等特定地區(qū)，能夠在一定程度上解決亮地表上空氣溶膠光學(xué)厚度反演問題。但要實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化反演氣溶膠光學(xué)厚度還比較困難。

3.5 多星協(xié)同反演算法

為克服反演過程中未知參數(shù)較多，亮地表氣溶膠信息難以從衛(wèi)星信號中分離出來的困難，唐家奎等［16］提出了基于Terra和Aqua雙星 MODIS數(shù)據(jù)的協(xié)同反演算法，雙星協(xié)同反演算法無需事先假定氣溶膠類型等參數(shù)，無須估算地表反照率，而將地表反射率與氣溶膠一同反演，可應(yīng)用于包括城市等高反射率地區(qū)在內(nèi)的各種地表類型。

但該算法在氣溶膠光學(xué)厚度反演時(shí)受以下因素的限制［16］：（1）很難獲得方程的解析解，唐家奎等使用牛頓迭代法獲得其近似的數(shù)值解，計(jì)算速度比較慢，而且有些像元可能會(huì)出現(xiàn)不收斂或結(jié)果誤差較大的情況；（2）由于兩顆衛(wèi)星的時(shí)間有一定間隔，氣溶膠以及大氣中其它組分（如水汽、臭氧等）的性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，同一像元可能會(huì)出現(xiàn)部分云污染，（3）由于使用的是兩顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，傳感器的性能退化、不同傳感器數(shù)據(jù)之間的圖像配準(zhǔn)誤差等，這些都會(huì)影響最終氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果的精度。

3.6 其他AOD反演算法

（1）Robertet al提出的 V5.2算法，以新的方法考慮植被指數(shù)，認(rèn)為可見光與中紅外通道的表觀反射率比值的變化與植被狀況有一定關(guān)系，利用衛(wèi)星觀測的可見光和近紅外通道的反射率比值（VIS／SWIR）對表觀反射率進(jìn)行參數(shù)化，使其成為植被指數(shù)和散射角的函數(shù)。

（2）馬里蘭大學(xué)Liang et al［17］提出的亮像元法，該算法的核心是基于MODIS多時(shí)相觀測的優(yōu)勢，結(jié)合Terra和Aqua數(shù)據(jù)平臺，利用某段觀測時(shí)間內(nèi)連續(xù)的一系列影像，尋找某一個(gè)時(shí)間觀測窗口內(nèi)每一個(gè)像元在一系列能觀測到的范圍內(nèi)最清晰的一個(gè)。在全球不同的4個(gè)區(qū)域（美國的華盛頓、中國的北京、尼日爾的Banizoumbou和加拿大的Bratts Lake）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：利用該算法反演的AOD與AERONET的觀測值能很好的吻合，新算法的殘余標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)系數(shù)分別為0.11和0.89，相對于暗像元法算法的0.11和0.57，精度得到顯著提高。

3.7 主要反演算法的比較

暗像元法基于經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，利用了多波段信息，適宜地表反射率較低時(shí)的情況（小于0.15），在下半年城市周邊植被覆蓋區(qū)域的應(yīng)用效果較好；擴(kuò)展的暗像元法可以解決在城區(qū)由于地表反射率和城市氣溶膠的強(qiáng)吸收性，導(dǎo)致暗像元算法失效的問題；結(jié)構(gòu)函數(shù)法對于城市及周邊地區(qū)的氣溶膠反演更具有優(yōu)勢；高反差地表法一般需要有序列圖像對比，其反演的結(jié)果只是相對氣溶膠光學(xué)厚度，很難實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行；雙星協(xié)同反演算法由于不受地表類型的限制，對城市等具有較高反射率的地表依然有效，但也受傳感器時(shí)間間隔誤差、云污染等客觀因素的影響；近年來出現(xiàn)的新的算法局部的反演精度還不錯(cuò)，但大范圍的精度驗(yàn)證還有待開展。

4 基于MODIS遙感反演AOD技術(shù)的應(yīng)用

4.1 在氣溶膠空間變化及區(qū)域輸送研究中的應(yīng)用

Chu［18］等利用NASA的 MODIS 10km分辨率的Level2氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品進(jìn)行研究，證實(shí)了其在監(jiān)測全球、區(qū)域和局地大氣污染方面有很顯著的應(yīng)用價(jià)值。Lau［19］等研究表明，AOD的空間分布可以用來監(jiān)測污染物區(qū)域輸送。劉桂青等［20］利用長江三角洲地區(qū)幾個(gè)城市的空氣污染指數(shù)與MODIS AOD產(chǎn)品進(jìn)行對比，指出MODIS AOD從某種程度上可以反映地面大氣的污染狀況，并提出了一種對局域尺度進(jìn)行空氣污染的監(jiān)測手段。王雨［21］、李成才、毛節(jié)泰［22～23］、晏利斌［24］、段婧［25］等利用 MODIS氣溶膠產(chǎn)品分析了各地區(qū)氣溶膠的時(shí)空分布特征等。申彥波［26～27］等利用太陽光度計(jì)觀測資料和MODIS氣溶膠光學(xué)厚度資料分析了氣溶膠的時(shí)空分布特征，并與我國北方發(fā)生的沙塵天氣進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)兩者之間關(guān)系密切。李曉靜等［28］同時(shí)釆用暗像元法和結(jié)構(gòu)函數(shù)法遙感北京及地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度分布特征，并利用地基太陽光度計(jì)的觀測值驗(yàn)證了反演結(jié)果。

4.2 在氣溶膠光學(xué)厚度與地面顆粒物濃度相關(guān)性

研究中的應(yīng)用

從目前的研究趨勢來看，不少學(xué)者通過建立兩者之間的數(shù)學(xué)模型，試圖以氣溶膠光學(xué)厚度AOD來反映PM10的濃度分布及輸送情況。

Engel－Cox等［29］以 MODIS數(shù)據(jù)和氣溶膠光學(xué)厚度為基礎(chǔ)，定性、定量的研究了AOD在大氣污染研究中的應(yīng)用問題，通過將衛(wèi)星遙感資料與地面污染物質(zhì)量濃度的對比發(fā)現(xiàn)二者在美國中、東部地區(qū)比西部地區(qū)具有較高的相關(guān)性。Lau等［19］研究表明，MODIS遙感的AOD與地面PM10濃度具有較好的相關(guān)，MODIS遙感的AOD分布，可以在污染物區(qū)域輸送監(jiān)測上扮演一個(gè)重要角色。Wang等［30］利用在美國阿拉巴馬州的一個(gè)城市衛(wèi)星資料與多個(gè)站點(diǎn)的地面空氣監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比研究表明，PM2.5質(zhì)量濃度與AOD相關(guān)系數(shù)在0.7以上，表明主要污染物分布在混合層內(nèi)，且證明AOD可以定量用于空氣質(zhì)量的評估。Donkelaar等［31］通過分析從MODIS、MISR反演得到的氣溶膠光學(xué)厚度和地面PM2.5之間的線性關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.69和0.71，進(jìn)而由AOD數(shù)據(jù)制作出全球PM2.5分布圖。

李成才等［32］通過對香港地區(qū) MODIS遙感的AOD與地面PM10濃度的比較發(fā)現(xiàn)兩者有較高相關(guān)性，對于監(jiān)測城市地區(qū)大氣污染和變化趨勢有現(xiàn)實(shí)意義。程興宏等［33］利用車載氣溶膠分析測量儀對北京市區(qū)的PM10進(jìn)行多點(diǎn)采樣，并與同時(shí)段AOD數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，得到相關(guān)系數(shù)為0.49，證實(shí)了AOD和地面實(shí)測PM10的相關(guān)性是顯著的。李成才等［34］利用2001年MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品和北京市可吸入顆粒物PM10日均濃度進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)在引入濕度因子和季節(jié)變化的氣溶膠標(biāo)高的影響后，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.535，大于統(tǒng)計(jì)學(xué)上99%置信度的要求，證實(shí)了該氣溶膠光學(xué)厚度AOD可用于可吸入顆粒物PM10監(jiān)測。

5 結(jié)語

由于大氣污染問題的日益嚴(yán)重，國內(nèi)外對氣溶膠及可吸入顆粒物的研究都在加強(qiáng)，基于衛(wèi)星遙感監(jiān)測大氣氣溶膠的技術(shù)也在不斷成熟，對現(xiàn)有反演算法進(jìn)行改善，使其能適用于多種不同類型的地表區(qū)域并提高反演精度，減小反演誤差是今后衛(wèi)星遙感氣溶膠面臨的新挑戰(zhàn)。

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