基于MODIS數(shù)據(jù)的呼包地區(qū)氣溶膠反演

楊洵，張振超，茍青松

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院

基于MODIS數(shù)據(jù)的呼包地區(qū)氣溶膠反演

楊洵，張振超，茍青松

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院

氣溶膠對(duì)地球環(huán)境具有重要影響，故而備受關(guān)注。為了研究呼包地區(qū)氣溶膠特性，文章利用Aqua衛(wèi)星MODIS數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，基于6S模型，利用暗像元法反演呼包地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度，并結(jié)合地面觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證。反演結(jié)果表明，呼包地區(qū)整體空氣質(zhì)量良好，利用MODIS數(shù)據(jù)反演AOT從而監(jiān)測(cè)呼包地區(qū)環(huán)境變化趨勢(shì)較為可行，能在一定程度上為環(huán)保部門提供決策依據(jù)。

MODIS；氣溶膠光學(xué)厚度；暗像元法

引言

氣溶膠是液態(tài)或固態(tài)等多相微粒在空氣中的懸浮體系，粒徑大小范圍在10-3～10μm，有自然成因和人為成因。因其對(duì)大氣能見(jiàn)度[1]、空氣質(zhì)量乃至整個(gè)地氣系統(tǒng)皆有重要影響，并且會(huì)間接地改變大氣化學(xué)成分從而危害人體健康，因此，對(duì)氣溶膠進(jìn)行相關(guān)研究顯得尤為重要，也備受人們重視。

雖然傳統(tǒng)基站測(cè)量監(jiān)測(cè)可溶膠數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可信度較高，但不能從宏觀角度大尺度地反映氣溶膠空間分布及其運(yùn)行規(guī)律，且成本較高，遙感衛(wèi)星反演正好彌補(bǔ)了這些缺陷。目前主要通過(guò)反演氣溶膠對(duì)光的削減作用的量度—?dú)馊苣z光學(xué)厚度（AOT）來(lái)研究其相關(guān)特性，用氣溶膠光學(xué)厚度來(lái)描述氣溶膠消光性及其結(jié)果可以作為評(píng)估大氣污染程度指標(biāo)之一。2017年內(nèi)蒙古自治區(qū)在政府工作報(bào)告中關(guān)于對(duì)大氣污染防治提出了實(shí)施工業(yè)污染源全面達(dá)標(biāo)排放計(jì)劃，因此，使用MODIS數(shù)據(jù)對(duì)呼包地區(qū)進(jìn)行氣溶膠反演對(duì)于監(jiān)測(cè)AOT空間分布及其變化趨勢(shì)具有相當(dāng)重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

本文選取呼和浩特和包頭地區(qū)作為研究區(qū)域，區(qū)域經(jīng)緯度為E：109°25′～112°17′，N：39°37′～41°30′。呼包地區(qū)屬大陸性干旱氣候，晝夜溫差較大，年均降水量約400毫米，冬季漫長(zhǎng)嚴(yán)寒，夏季短暫炎熱，該區(qū)屬典型侵蝕構(gòu)造地形，地貌類型較復(fù)雜。

本文反演數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)LAADS DAAC的MODIS MYD021KM數(shù)據(jù)，由于采用采取的方法為暗像元法，因其比較適合夏季氣溶膠反演，故下載的數(shù)據(jù)時(shí)間段為7—8月。

2 AOT反演理論

2.1 反演原理

陸地上氣溶膠遙感反演發(fā)展于衛(wèi)星傳感器探測(cè)到的大氣上界的表觀反射率ρ?，它的表達(dá)式如下所示：

上式中L是大氣上界輻射,F0大氣外界太陽(yáng)輻射能量，μ0太陽(yáng)天頂角的余弦[2]。

ρ?與地表反射率ρ(θ,θ0,?)之間具有以下關(guān)系：

θ為衛(wèi)星天頂角,?相對(duì)方位角；ρa(bǔ)(θ,θ0,?)為路徑輻射,θ0為太陽(yáng)天頂角；Fd(θ0)為向下透過(guò)率,其值小于1.0；T(θ)是向上總透過(guò)率,S是大氣后向散射比,ρ''是在觀測(cè)角和入射角上平均的地表反射率。

為了從表觀反射率反演氣溶膠光學(xué)厚度,需要合理假定氣溶膠模型，以提供氣溶膠散射相函數(shù)ρa(bǔ)(θ,θ0,?)，在確定了上述參數(shù)的輻射傳輸模型后,理論上就可以反演得到其上空的氣溶膠光學(xué)厚度τλ，這就是氣溶膠光學(xué)厚度遙感反演的基礎(chǔ)[3]。

2.2 DDV估算反射率

考慮到地表覆蓋的多樣性，擬合得到三個(gè)不同區(qū)域的波段與地表之間的關(guān)系，這三個(gè)波段分別為：藍(lán)光波段（0.47 μm）、紅光波段（0.66μm）和中紅外波段（2.1μm）。又因氣溶膠在2.1μm波段幾乎是透明，故在2.1μm處的表觀反射率相當(dāng)于地表反射率，所以可以用2.1μm波段表示其他2個(gè)波段，關(guān)系式如下：

ρR=ρ?

2.1/2，ρB=ρ?2.1/4式中ρR是紅波段地表反射率,ρB是藍(lán)波段地表反射率,ρ?2.1是波段等于2.1μm的表觀反射率。

2.3 查找表生成

已知ρa(bǔ)(θ,θ0,?)和表觀反射率ρ?2.1，地表反射率ρ，S，T時(shí)，利用IDL調(diào)用6S輻射模型得到氣溶膠反演的查找表，查找表建立起來(lái)了θ，θ0，?，ρa(bǔ)，S，T，氣溶膠光學(xué)厚度（AOT）之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.4 反演流程

利用MODIS L1B數(shù)據(jù)結(jié)合角度數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)氣溶膠厚度進(jìn)行反演，在對(duì)發(fā)射率、反射率等各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的基礎(chǔ)上，再利用IDL語(yǔ)言調(diào)用6s模型生成查找表，對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行地面觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，最后對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行時(shí)空變化規(guī)律分析。

2.5 反演結(jié)果及精度分析

在經(jīng)過(guò)各項(xiàng)數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)上，利用遙感技術(shù)對(duì)呼包地區(qū)7月2日、7月15日、8月1日、8月15日的MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行AOT反演，反演結(jié)果如下圖所示：

圖1 2016年7月2日反演結(jié)果

圖2 2016年8月15日反演結(jié)果

AOT遙感反演結(jié)果需結(jié)合地面觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，氣溶膠光學(xué)厚度地面觀測(cè)站在呼和浩特和包頭地區(qū)設(shè)有AOE—Baotou站。通過(guò)上述影像，根據(jù)AOE—Baotou站的經(jīng)緯度信息讀取AOT的值與AOE—Baotou站同時(shí)間段數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表1。

表1 包頭站數(shù)據(jù)對(duì)比及誤差分析

前面通過(guò)IDL調(diào)用6S輻射模型得到氣溶膠反演的查找表，查找表中所含的AOD值只有0.0001、0.25幾個(gè)值，即當(dāng)真實(shí)AOD值小于0.0001時(shí)反演結(jié)果為0，當(dāng)AOD值小于0.25是反演結(jié)果為0.0001。故上述數(shù)據(jù)均在實(shí)際值內(nèi)，這表明反演結(jié)果具有可靠性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用暗像元法對(duì)呼包地區(qū)AOT進(jìn)行了反演，通過(guò)反演結(jié)果結(jié)合地面觀測(cè)數(shù)據(jù)可得出以下幾點(diǎn)：

（1）通過(guò)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證遙感反演的AOT精度，結(jié)果表明MODIS數(shù)據(jù)反演所得AOT在呼包地區(qū)比較符合實(shí)際，并且產(chǎn)生的誤差在允許范圍內(nèi)，故此可利用遙感反演AOT來(lái)分析其在呼包地區(qū)空間分布及變化規(guī)律。

（2）由圖1—圖2可以看出同時(shí)段大部分區(qū)域AOT值小于0.5，說(shuō)明呼包地區(qū)大部分地方的AOT的值較小，城區(qū)AOT值明顯高于郊區(qū)，由此說(shuō)明氣溶膠與人口密集程度、人類建設(shè)活動(dòng)密切相關(guān)。

（3）如圖2所示，7月15日AOT平均值明顯低于其它時(shí)間AOT值，這說(shuō)明夏季雨水對(duì)氣溶膠具有一定的吸附作用。

本文驗(yàn)證了利用MODIS數(shù)據(jù)反演AOT來(lái)監(jiān)測(cè)呼包地區(qū)環(huán)境變化趨勢(shì)較為可行，反演結(jié)果可信度較高，能在一定程度上為環(huán)保部門提供決策依據(jù)。

[1]Aiimoto H.Global Air Quality and Poll-ution[J].Science，2003（302）：1716-1719.

[2]王耀庭,王橋,李炬,竇軍霞.氣溶膠光學(xué)厚度在大氣污染研究中的應(yīng)用[A].中國(guó)氣象學(xué)會(huì)2007年年會(huì),2007.

[3]劉兆亮,麻金繼.基于MODIS數(shù)據(jù)反演高反射率地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度的方法研究[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào),2012.