基于MODIS數據的呼包地區氣溶膠反演

楊洵，張振超，茍青松

內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院

基于MODIS數據的呼包地區氣溶膠反演

楊洵，張振超，茍青松

內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院

氣溶膠對地球環境具有重要影響，故而備受關注。為了研究呼包地區氣溶膠特性，文章利用Aqua衛星MODIS數據作為數據源，基于6S模型，利用暗像元法反演呼包地區氣溶膠光學厚度，并結合地面觀測數據進行精度驗證。反演結果表明，呼包地區整體空氣質量良好，利用MODIS數據反演AOT從而監測呼包地區環境變化趨勢較為可行，能在一定程度上為環保部門提供決策依據。

MODIS；氣溶膠光學厚度；暗像元法

引言

氣溶膠是液態或固態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。因其對大氣能見度[1]、空氣質量乃至整個地氣系統皆有重要影響，并且會間接地改變大氣化學成分從而危害人體健康，因此，對氣溶膠進行相關研究顯得尤為重要，也備受人們重視。

雖然傳統基站測量監測可溶膠數據準確、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行規律，且成本較高，遙感衛星反演正好彌補了這些缺陷。目前主要通過反演氣溶膠對光的削減作用的量度—氣溶膠光學厚度（AOT）來研究其相關特性，用氣溶膠光學厚度來描述氣溶膠消光性及其結果可以作為評估大氣污染程度指標之一。2017年內蒙古自治區在政府工作報告中關于對大氣污染防治提出了實施工業污染源全面達標排放計劃，因此，使用MODIS數據對呼包地區進行氣溶膠反演對于監測AOT空間分布及其變化趨勢具有相當重要的現實意義。

1 研究區概況及數據來源

本文選取呼和浩特和包頭地區作為研究區域，區域經緯度為E：109°25′～112°17′，N：39°37′～41°30′。呼包地區屬大陸性干旱氣候，晝夜溫差較大，年均降水量約400毫米，冬季漫長嚴寒，夏季短暫炎熱，該區屬典型侵蝕構造地形，地貌類型較復雜。

本文反演數據來源于美國LAADS DAAC的MODIS MYD021KM數據，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，故下載的數據時間段為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展于衛星傳感器探測到的大氣上界的表觀反射率ρ?，它的表達式如下所示：

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

ρ?與地表反射率ρ(θ,θ0,?)之間具有以下關系：

θ為衛星天頂角,?相對方位角；ρa(θ,θ0,?)為路徑輻射,θ0為太陽天頂角；Fd(θ0)為向下透過率,其值小于1.0；T(θ)是向上總透過率,S是大氣后向散射比,ρ''是在觀測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厚度,需要合理假定氣溶膠模型，以提供氣溶膠散射相函數ρa(θ,θ0,?)，在確定了上述參數的輻射傳輸模型后,理論上就可以反演得到其上空的氣溶膠光學厚度τλ，這就是氣溶膠光學厚度遙感反演的基礎[3]。

2.2 DDV估算反射率

考慮到地表覆蓋的多樣性，擬合得到三個不同區域的波段與地表之間的關系，這三個波段分別為：藍光波段（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于地表反射率，所以可以用2.1μm波段表示其他2個波段，關系式如下：

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(θ,θ0,?)和表觀反射率ρ?2.1，地表反射率ρ，S，T時，利用IDL調用6S輻射模型得到氣溶膠反演的查找表，查找表建立起來了θ，θ0，?，ρa，S，T，氣溶膠光學厚度（AOT）之間的對應關系。

2.4 反演流程

利用MODIS L1B數據結合角度數據對研究區氣溶膠厚度進行反演，在對發射率、反射率等各項數據進行預處理的基礎上，再利用IDL語言調用6s模型生成查找表，對反演結果進行地面觀測數據驗證，最后對反演結果進行時空變化規律分析。

2.5 反演結果及精度分析

在經過各項數據處理基礎上，利用遙感技術對呼包地區7月2日、7月15日、8月1日、8月15日的MODIS數據進行AOT反演，反演結果如下圖所示：

圖1 2016年7月2日反演結果

圖2 2016年8月15日反演結果

AOT遙感反演結果需結合地面觀測數據進行驗證，氣溶膠光學厚度地面觀測站在呼和浩特和包頭地區設有AOE—Baotou站。通過上述影像，根據AOE—Baotou站的經緯度信息讀取AOT的值與AOE—Baotou站同時間段數據對比，對比結果如表1。

表1 包頭站數據對比及誤差分析

前面通過IDL調用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幾個值，即當真實AOD值小于0.0001時反演結果為0，當AOD值小于0.25是反演結果為0.0001。故上述數據均在實際值內，這表明反演結果具有可靠性。

3 結語

本文采用暗像元法對呼包地區AOT進行了反演，通過反演結果結合地面觀測數據可得出以下幾點：

（1）通過地面觀測數據驗證遙感反演的AOT精度，結果表明MODIS數據反演所得AOT在呼包地區比較符合實際，并且產生的誤差在允許范圍內，故此可利用遙感反演AOT來分析其在呼包地區空間分布及變化規律。

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

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

本文驗證了利用MODIS數據反演AOT來監測呼包地區環境變化趨勢較為可行，反演結果可信度較高，能在一定程度上為環保部門提供決策依據。

[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.氣溶膠光學厚度在大氣污染研究中的應用[A].中國氣象學會2007年年會,2007.

[3]劉兆亮,麻金繼.基于MODIS數據反演高反射率地區氣溶膠光學厚度的方法研究[J].大氣與環境光學學報,2012.