探究AOD與PM2.5關系的一般性方法

石益+陶劍+王杰+翁強鵬+吳建東

摘要：指出了目前我國面臨的環(huán)境問題日趨嚴重，而大氣污染問題更是成為阻礙我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、影響居民生產(chǎn)生活的關鍵性因素，探究大氣污染區(qū)域分布狀況，掌握其變化規(guī)律，制定相應的大氣治理方案已成為當前刻不容緩的議題。針對大氣中PM_2.5含量問題，結(jié)合時下熱門的衛(wèi)星遙感技術(shù)，探究了MODIS數(shù)據(jù)反演氣溶膠光學厚度（AOD）與同時段同地區(qū)監(jiān)測到的PM_2.5的含量值關系的一般性方法，以實現(xiàn)利用氣溶膠光學厚度對PM_2.5的監(jiān)測的效果，從而對當前的PM_2.5監(jiān)測技術(shù)達到一個有效補充和拓展。

關鍵詞：氣溶膠光學厚度（AOD）； MODIS數(shù)據(jù)；6S模型； 暗像元法

中圖分類號：X513

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）14-0016-03

1 引言

近年來，空氣污染問題成為人們越來越關注的一個問題，PM_2.5作為衡量空氣質(zhì)量很重要的一個指標，成為人們?nèi)粘Ｉ钪谐鞖庵獾牧硪豁椥枰P注的問題。衛(wèi)星遙感技術(shù)憑借寬覆蓋、連續(xù)、動態(tài)等特點，使得其在大氣環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測中具有連續(xù)性、空間性及預報性。利用衛(wèi)星所搭載傳感器獲取的MODIS數(shù)據(jù)，探究其反演結(jié)果氣溶膠光學厚度與PM_2.5的一般性關系，實現(xiàn)對PM_2.5的快速監(jiān)測與及時發(fā)布，成為當前的一個研究熱點。

2 基礎信息介紹

2.1 大氣氣溶膠

大氣氣溶膠是懸浮在大氣中的固態(tài)和液態(tài)顆粒物的總稱，粒子的空氣動力學直徑多在0.001～100 μm之間。氣溶膠以直接或間接的方式影響著地氣系統(tǒng)的收支平衡和氣候，主要體現(xiàn)在以下3個方面。

（1）通過將更太陽輻射輻射向地球外，減小太陽對地球的加熱作用。

（2）利用自身的散射作用和吸收作用改變了對大氣的輻射加熱作用。

（3）氣溶膠粒子是一種凝結(jié)核，可以作為微滴數(shù)量增加云的光學厚度、壽命、云層反射率、平均云量。

2.2 氣溶膠光學厚度

氣溶膠光學厚度（AOD）是氣溶膠具有的最重要的參數(shù)之一，它是對大氣渾濁程度進行表征的關鍵物理量，也是確定氣溶膠氣候效應重要因素。氣溶膠光學厚度的定義為介質(zhì)的消光系數(shù)在垂直方向上的積分，用以描述氣溶膠對光的衰減作用。

2.3 MODIS數(shù)據(jù)

MODIS數(shù)據(jù)是搭載于Terra和Aqua衛(wèi)星上的中分辨率成像光譜儀觀測到的可以同時提供反映陸地表面狀況、云邊界、云特征、海洋水色、浮游植物、生物地理、化學、大氣中水汽、氣溶膠、地表溫度、云頂溫度、大氣溫度、臭氧和云頂高度等特征的信息。MODIS數(shù)據(jù)可通過反演獲得氣溶膠光學厚度。

2.4 PM_2.5

PM_2.5是細顆粒物的另一種叫法，它又稱細粒、細顆粒，指的是環(huán)境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2.5 μm顆粒物。PM_2.5的構(gòu)成很復雜，其化學成分主要包括有機碳、元素碳、硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽、鈉鹽等，其來源主要分為自然源和人為源兩種。PM_2.5具有粒徑小、面積大、活性強、易附帶有毒、有害物質(zhì)（例如重金屬、微生物等）且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠的特點，因而對大氣環(huán)境質(zhì)量和人體健康都有著不可忽略的影響。

3 探究AOD與PM_2.5的關系的一般性方法介紹

3.1 數(shù)據(jù)的獲得

3.1.1 MODIS數(shù)據(jù)獲得

Modis數(shù)據(jù)可從NASA衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心 （https：//ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html）免費下載。一般研究AOD與PM_2.5關系所需要用到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)類型為MODIS L1B產(chǎn)品，進行數(shù)據(jù)下載時需要根據(jù)自己的研究內(nèi)容選擇相應的時間和區(qū)域。為盡量減少云檢驗誤差可能對反演結(jié)果造成的影響，宜選擇以晴空為主的研究時間和研究區(qū)域的影像。

3.1.2 PM_2.5數(shù)據(jù)的獲得

PM_2.5可根據(jù)自己研究區(qū)域向當?shù)氐臍庀缶稚暾埆@得，也可以通過網(wǎng)站PM25.in（ http：//www.pm25.in/）等網(wǎng)站獲得。

3.2 MODIS數(shù)據(jù)處理

3.2.1 操作流程

應用ENVI 5.0對MODIS L1B產(chǎn)品進行氣溶膠反演，具體操作流程見圖1。

3.2.2 操作步驟

3.2.2.1 MODIS的輻射校正

輻射校正是指對由于外界因素，對數(shù)據(jù)獲取和傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生的系統(tǒng)的、隨機的輻射失真或畸變進行的校正，消除或改正因輻射誤差而引起影像畸變的過程。

ENVI 5.0中打開MODIS影像的HDF文件就已經(jīng)做了輻射校正。

3.2.2.2 幾何校正

遙感成像的時候，由于飛行器的姿態(tài)、高度、速度以及地球自轉(zhuǎn)等因素的影響，造成圖像相對于地面目標發(fā)生畸變，這種畸變表現(xiàn)為像元相對于地面目標的實際位置發(fā)生擠壓、扭曲、拉伸和偏移等，針對幾何畸變進行的誤差校正就叫幾何校正。

MODIS數(shù)據(jù)處理過程需要進行如下階段的幾何校正。

（1）MODIS數(shù)據(jù)幾何校正。利用ENVI5.0下對特定傳感器進行幾何校正的Georeference MODIS工具對MODIS數(shù)據(jù)進行自動幾何校正。在進行幾何校正的過程中，應注意保持GCP控制點以及對MODIS影像做雙眼皮去除。

（2）反射率文件幾何校正。發(fā)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。利用Wrap from GCPs ：Image to Map Registration工具對反射率文件進行幾何校正，同時應該注意更改幾何校正方法為Triangulation和重采樣方法Bilinear，使其與之前的發(fā)射率校正結(jié)果相匹配.

（3）角度數(shù)據(jù)集的幾何校正。筆者采用的MODIS L1B產(chǎn)品自身包含了角度信息，但是角度數(shù)據(jù)集的行列號與科學數(shù)據(jù)集的行列號不同，因此如果想用校正發(fā)射率的GCP控制點來校正角度數(shù)據(jù)集必須在校正角度數(shù)據(jù)集之前進行重采樣到行列號為1354 ，2030。角度數(shù)據(jù)的幾何校正和發(fā)射率的幾何校正是一樣的，根據(jù)校正發(fā)射率產(chǎn)生的GCP控制點，利用Wrap from GCPs：Image to Map Registration工具分別對衛(wèi)星天頂角、衛(wèi)星方位角、太陽天頂角、太陽方位角進行校正。

3.2.2.3 波段合成和裁剪

由于從NASA獲得的modis數(shù)據(jù)一般除了包含所要研究的試驗區(qū)域之外還往往包含研究區(qū)域以外的數(shù)據(jù)信息，此時便需要將研究之外的區(qū)域去除. 常用的方法是按照行政區(qū)劃邊界或者自然區(qū)劃邊界進行頭像裁剪；在基礎數(shù)據(jù)生產(chǎn)中，還經(jīng)常要進行標準分幅裁剪。

（1）反射率和發(fā)射率的合成。在 ENVI5.0 下打開之前校正好的反射率文件和發(fā)射率文件，利用 Layer Stacking 工具進行合成，然后導入成都市的矢量邊界，利用成都市的行政范圍來裁剪。值得注意的是，合成文件的順序應該進行調(diào)整， 必須是反射率在上，發(fā)射率在下。

（2）角度數(shù)據(jù)的合成。角度數(shù)據(jù)的合成和反射率發(fā)射率的合成是一樣的，只是要注意角度數(shù)據(jù)合成時的順序是衛(wèi)星天頂角、衛(wèi)星方位角、太陽天頂角、太陽方位角。

（3）合成后處理。對于合成后的反射率和發(fā)射率數(shù)據(jù)以及角度數(shù)據(jù)，都需要進行進一步處理后才能進行氣溶膠反演。

（4）云檢測。利用modis_cloud 工具對反射率和發(fā)射率合成裁剪后的結(jié)果進行云處理。

（5）角度數(shù)據(jù)。HDF中的角度數(shù)據(jù)是擴大了100倍的，所以在進行氣溶膠反演之前要將角度合成數(shù)據(jù)利用band math工具乘以0.01。

3.3 氣溶膠反演

3.3.1 反演原理

利用遙感技術(shù)進行氣溶膠光學厚度反演的基本原理是通過對入射輻射變化的測量進一步反演出氣溶膠粒子的相關特性，這是因為入射輻射的強度等性質(zhì)會受到氣溶膠粒子的散射作用和吸收作用而發(fā)生變化。

3.3.2 反演方法

利用LDL語言調(diào)用6S模型建立查找表，再利用暗像元法進行氣溶膠光學厚度反演。

6S模型建立在輻射傳輸理論基礎之上，用以地氣系統(tǒng)中太陽輻射的傳輸過程的模擬及描述衛(wèi)星傳感器所接收到的輻射亮度。6S模式考慮了水汽、二氧化碳、臭氧等對輻射的吸收、分子和氣溶膠的散射、非均勻地面和雙向反射率等因素，使得該模型對太陽輻射在太陽-地面-傳感器路徑中所受影響的描述更精確。

使用6S模型進行輻射傳輸計算時，需要設定不同的大氣氣溶膠參數(shù)和傳感器觀測參數(shù)；根據(jù)所研究的時間范圍選擇相應的緯度季節(jié)大氣廓線；假定氣溶膠的模型為大陸型氣溶膠并設定相應的氣溶膠光學厚度值；地表參數(shù)設置為：海拔-0、地表覆蓋類型-植被。另外，各參數(shù)角度設置為：9 個太陽天頂角分別為 0°、6°、12°、24°、35.2°、48°、54°、60°和 66°；12 個衛(wèi)星天頂角分別為 0°、6°、12°、18°、24°、30°、36°、42°、48°、54°、60°和 66°；16 個太陽方位角與衛(wèi)星方位角分別為 0°、12°、24°、36°、48°、60°、72°、84°、96°、108°、120°、132°、144°、156°、168 °和 180°。利用輻射傳輸模型，通過以上各個系數(shù)的配置，即可生成反演使用的查找表。其他值則可利用插值法獲得。

衛(wèi)星接收到地面物體的表觀反射率可用公式ρ*=πL/F0μ0計算。式中，L代表到達大氣上界的輻射能量，F(xiàn)0表示大氣外界的輻射通量，μ0表示的是大氣天頂角余弦值。則表觀反射率ρ*與地面物體的反射率ρ（θv，θs，）之間存在如下公式：

其中，θv表示衛(wèi)星的天頂角；θs表示太陽天頂角，表示太陽入射輻射的光線與遙感傳感器觀測視場方向散射輻射之間的方位角，ρa（θv，θs，）表示路徑輻射，F(xiàn)d（θs）表示歸一化后總的向下輻射通量，T（θv）表示輻射能量向上傳輸進入衛(wèi)星傳感器觀測視場時總的透過率，Sp表示大氣后向散射比。單次散射近似中，氣溶膠光學厚度ζa、氣溶膠散射相函數(shù)ρa（θv，θs，）及單次散射反照率ω0對路徑輻射的結(jié)果有著重要的影響，這3者之間的關系可用如下公式表示：

式中，ρm（θv，θs，）是由分子散射造成的路徑輻射，μ0是傳感器天頂角余弦值，由于ω0、ζa、ρa最終決定Fd、Fd、Sp，需要在更加符合實際的情況下和值的氣溶膠模式，才能夠從傳感器觀測得到的輻射值反演出結(jié)果，這就要求充分考察當?shù)氐臍夂驓庀髼l件并由6S輻射傳輸模型得到最終結(jié)果，將（2）式代入（1）式得到：

由（3）式可知，當已知3個幾何角度、氣溶膠模式和地面反射率模式時，如果給出一系列不同的ζa，就可以得到一系列不同的ρ*，當?shù)玫降摩?與傳感器測量得到的實際大氣頂層表觀反射率相等時，用于計算的ρ*可以認為與實際的氣溶膠光學厚度相等。

根據(jù)獲取PM_2.5數(shù)據(jù)的監(jiān)測點的經(jīng)緯度坐標生成矢量文件使用 ArcGIS 10.0的提取屬性至點的工具，提取出監(jiān)測點位的 AOD 屬性值。

3.4 AOD及PM_2.5相關性研究

利用獲得的AOD數(shù)值與同時段同區(qū)域的PM_2.5數(shù)值進行線性回歸，離差的數(shù)據(jù)需要剔除。在進行線性回歸方程的構(gòu)建時，需要按不同地點、不同季節(jié)進行方程的構(gòu)建，以滿足其空間性、季節(jié)性等特征。將獲得的線性回歸方程跟現(xiàn)已有的其他區(qū)域的AOD與PM_2.5的線性回歸方程進行對比，分析其置信程度。進一步利用所研究區(qū)域其他時段的AOD值及PM_2.5的值對所得方程進行驗證，檢驗它在實際應用中的可行性。

4 結(jié)語

介紹了基于6S大氣輻射傳輸模型，結(jié)合改進的暗像元法進行大氣氣溶膠光學厚度反演，將獲得的氣溶膠光學厚度（AOD）與同時段同地區(qū)監(jiān)測到的PM_2.5的值進行分析處理，構(gòu)建AOD-PM_2.5線性回歸方程，結(jié)合實際情況和已有文獻資料對所得方程進行進一步的修正之后，最終達到利用所構(gòu)建方程結(jié)合氣溶膠光學厚度實現(xiàn)對PM_2.5的監(jiān)測的一般性方法。這一方法雖然在對當前仍存在精度不夠高、實際應用效果不明顯等問題，但其處理結(jié)果在PM_2.5的監(jiān)測和預報上仍然有一定的參考價值，它在一定程度上可以對當前的PM_2.5監(jiān)測技術(shù)進行有效補充和拓展。相信隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，利用遙感技術(shù)對PM_2.5值等的實時監(jiān)測和精確預報將最終實現(xiàn)。

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