基于MODIS影像的成都地區氣溶膠光學厚度反演*

李璇瓊

（四川建筑職業技術學院，四川 德陽 618000）

基于MODIS影像的成都地區氣溶膠光學厚度反演*

李璇瓊

（四川建筑職業技術學院，四川 德陽 618000）

成都經濟的高速發展導致空氣污染，大氣污染已經嚴重威脅人類健康，對其進行調查和監測是有效治理大氣污染問題的基礎。氣溶膠反映了大氣層中顆粒物含量的多少或空氣污染程度，所以精確探測氣溶膠光學厚度具有重要意義。利用遙感技術可以進行重復周期性監測氣溶膠光學厚度，覆蓋面大，節省人力物力。以MODIS影像為基礎數據，利用6S大氣傳輸模式建立查找表，在ENVI軟件中完成成都市氣溶膠光學厚度的反演，以此達到成都大氣監測的目的。

MODIS；ENVI；氣溶膠光學厚度；反演

1 概述

近年來，隨著經濟的高速發展和城市化進程的加快，成都市由于城市交通污染、市政建設、周邊地區工業氣體排放、生態環境破壞導致城市空氣污染嚴重［1］。大氣污染已經嚴重威脅人類健康，對其進行調查和監測是有效治理大氣污染必須解決的問題。在研究大氣污染時可以把大氣看成氣溶膠，它組成物質形態各不相同，每種物質的含量雖然很少，但是都影響著大氣中發生的許多物理化學過程，是模擬氣候變化和遙感環境狀態的重要因子［2-4］。對于氣溶膠而言，光學厚度是其最重要的參數之一，作為表征大氣混濁度的重要物理量，它是確定氣溶膠氣候效應的一個關鍵因子。目前氣溶膠監測有地面監測和衛星遙感技術兩種。地面監測主要使用太陽光度計進行探測，通過大量的地基觀測站以了解氣溶膠的分布及變化規律。相對于地面監測，衛星遙感技術可以在瞬間獲取大面積區域地表和大氣的綜合信息，便于大氣污染進行動態監測和預報。較常規方法氣溶膠遙感速度快，具有客觀性，且不需耗費大量的資金和人力。

MODIS遙感影像的通道1（0.620～0.670 μm，紅通道）和通道3（0.459～0.479 μm，藍通道）主要用于氣溶膠遙感，它們通道寬帶窄，大氣氣體吸收不確定性對氣溶膠遙感的影響能夠得到很好的修正。

本文使用MODIS標準數據產品，選取成都地區2011年1月24日的MODIS L1B數據，基于6S大氣輻射傳輸模式對成都地區的氣溶膠光學厚度進行反演。

2 氣溶膠光學厚度反演方法

目前有兩種代表性的氣溶膠光學厚度反演算法：第一種為暗像元法 （Dense Dark Vegetation，DDV），通過路徑輻射項求取氣溶膠光學厚度；第二種為通過透過率求取氣溶膠光學厚度的對比（Contrast Reduction，CR）算法。

植被、濕土壤及水體在可見光波段反射率很低，在衛星圖像上稱為暗像元。研究表明在晴空無云的暗像元上空衛星觀測反射率隨溶膠光學厚度單調增加，利用這種關系反演大氣氣溶膠光學厚度的算法，稱為暗像元方法。但如果想用路徑輻射項來獲得氣溶膠信息，就必須使地表輻射值可以忽略或者有輻射但很小，并且能夠較精確的確定，這樣可以盡量消除地表反射率的不確定性對光學厚度的影響。Kaufman等在通過大量的飛機試驗后進行研究發現氣溶膠下方的植被覆蓋區在可見光紅、藍通道下，其地表反射率可以從2.1 mm通道的反射率估算出來。充分考慮到成都年降水量多，植被覆蓋率高等的實際情況，這里選取暗像元法進行光學厚度反演。

3 氣溶膠光學厚度反演模型

采用6S模型來反演氣溶膠光學厚度。6S輻射傳輸模式（Second simulation of the satellite signal in the solar spectrum）即第二代太陽短波輻射的衛星信號模擬，是常用的大氣輻射模型之一。6S模式主要用來模擬無云條件下，太陽光波段內（0.25μm）衛星傳感器理論上應接收到的輻射值。借助6S輻射傳輸模式，充分利用了分析表達式和預選大氣模式來反演氣溶膠光學厚度，加快了計算速度。

4 成都市MODIS影像光學厚度反演流程

在ENVI5.0軟件中以MODIS影像為數據基礎，完成MODIS影像氣溶膠光學厚度的反演。具體流程為：輻射校正—發射率、反射率和角度數據集文件的幾何校正—發射率、反射率和合成與角度數據集文件的合成—云檢測—建立查找表—得到結果。具體流程如圖1所示。

圖1 氣溶膠光學厚度反演流程

4.1 輻射校正

在ENVI 5.0軟件中打開MODIS影像，軟件已自動完成了輻射校正，產生了三個結果文件，分別為發射率Emissive文件-輻射率Radiance文件和反射率文件。

4.2 幾何校正

4.2.1 發射率文件的幾何校正

發射率文件的幾何校正Geometric Correction工具Georeference by Sensor中的Georeference MODIS工具。校正的方法采用Triangulation，校正同時產生了GCP控制點。校正結果如圖2所示。

圖2 發射率幾何校正

4.2.2 反射率文件的幾何校正

反射率文件的幾何校正在工具箱中找到Wrap from GCPs：Image to Map Registration工具，利用之前發射率文件產生的GCP控制點進行校正，發射率文件幾何校正之后，可以利用導出的GCP控制點來校正其他文件。為了與發射率校正結果匹配，應注意幾何校正的方法為三次卷積，和重采樣方法為雙線性內插校正結果如圖3所示。

圖3 反射率幾何校正

4.2.3 角度數據集的幾何校正

MODIS數據的四個角度數據集分別為：衛星天頂角，衛星方位角，太陽天頂角，太陽方位角。角度數據集的行列數是271×406的，而發射率的行列數是1354×2030的，因此要用之前的GCP文件來校正角度數據集必須重采樣，采用Resize Data工具進行重采樣操作。

角度數據的幾何校正和發射率的幾何校正是一樣的，根據校正發射率產生的GCP控制點，利用Wrap from GCPs：Image to Map Registration工具進行校正。

4.3 波段合成和裁剪

4.3.1 反射率和發射率的合成

利用Layer Stacking工具對發射率和反射率文件進行合成，并利用成都矢量范圍進行裁剪。合成時應注意必須是反射率在上，發射率在下。

4.3.2 角度數據的合成

角度數據的合成和反射率發射率的合成類似，只是要注意合成時的順序是衛星天頂角（Sensor Zenith）、衛星方位角（Sensor Azimuth）、太陽天頂角（Solar Zenith）、太陽方位角（Solar Zenith）。合成結果如圖4所示。

圖4 角度合成結果

4.4 合成后處理

4.4.1 云檢測

云檢測工具是擴展工具，該工具實現對反射率和發射率的合成文件進行去云處理，將modis_cloud. sav文件放在ENVI 5.0安裝目錄下的Extensions文件夾下，重啟ENVI即可看到modis_cloud工具。保存云檢測結果。

4.4.2 角度數據處理

HDF中的角度數據時擴大了100倍的，所以在進行氣溶膠反演之前要將角度合成數據乘以0.01。

4.4.3 建立查找表文件

根據6S大氣傳輸模擬軟件，適當改動軟件的源碼可以分別建立 MODIS紅光波段和藍光波段的550nm氣溶膠光學厚度查找表。根據實驗數據選取的日期以及待反演地區 的地理位置選擇合適的大氣模式用于描述大氣氣體吸收和分子散射的作用。

4.4.4 反演結果

按上述流程，對成都市 MODIS影像進行預處理，并基于6S大氣傳輸模擬軟件得到厚度查找表，最后針對查找表中的數據進行插值得到2015年1月25日成都氣溶膠光學厚度的空間分布圖如圖5所示。可以看出當日成都東部和南部氣溶膠厚度大，污染較為嚴重，與當日地面監測結果相符。

圖5 成都市氣溶膠厚度反演結果

5 結論

成都市城市化進程產生了較為嚴重的大氣污染，對氣溶膠光學厚度的反演是大氣監測的有利手段。利用MODIS標準數據產品，選取成都地區2015年1月25日的MODIS L1B數據，利用暗像元法，結合6S模型在ENVI軟件中完成氣溶膠光學厚的反演。結果與地面監測相符。說明利用遙感手段反演氣溶膠光學厚度可進行大面積同步監測，具有高效性和經濟性。

［1］ 范 嬌，郭寶峰，何宏昌.基于MODIS數據的杭州地區氣溶膠光學厚度反演［J］.光學學報，2005，35（1）：1-9.

［2］ 李成才，毛節泰，劉啟漢，等.利用MODIS資料遙感香港地區高分辨率氣溶膠光學厚度［J］.大氣科學，2005，29（3）：335-342.

［3］ 李成才，毛節泰，劉曉陽，等.利用MODIS光學厚度遙感產品研究北京及周邊地區的大氣污染［J］.大氣科學，2003，27（5）：869-880.

［4］ 王新強，楊世值，朱永豪，等.基于6S模型利用MODIS圖像反演陸地上空大氣氣溶膠光學厚度［J］.量子電子學報，2003，20（5）：629-634.

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本研究的資助來源于國家自然科學基金項目（編號：40972225，41101174）；四川省教育廳科研項目（編號：14ZB0434）和四川建筑職業技術學院科研項目（編號：20140102）。