，2

(1.廣西師范學(xué)院，南寧 530001；2.北部灣環(huán)境演變與資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530001)

1 引 言

環(huán)境一號(hào)遙感衛(wèi)星是專門用于環(huán)境與災(zāi)害的檢測預(yù)報(bào)衛(wèi)星，此衛(wèi)星上搭載的CCD傳感器通過線陣連線推掃成像，包含3個(gè)可見光波段(430～520nm、520～600nm、630～690nm)和一個(gè)近紅外波段(760～900nm)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣、水體和陸面的多種遙感參數(shù)的綜合探測。本次研究利用HJ-1的CCD數(shù)據(jù)高時(shí)間分辨率(2d)、高空間分辨率(可見光波段30m)、寬覆蓋度(單個(gè)相機(jī)360km)的特點(diǎn)，結(jié)合CCD數(shù)據(jù)自帶的衛(wèi)星觀測角度文件生成逐像元角度合成數(shù)據(jù)的方法，進(jìn)行南寧市氣溶膠光學(xué)厚度反演。

2 原理與方法

2.1 基本原理

2.1.1輻射傳輸模擬

傳感器最終接收到的表觀輻射主要來自程輻射、地表反射太陽光后直接進(jìn)入傳感器的輻射信息以及來自傳感器視場周圍環(huán)境的輻射信息。則大氣層頂表觀反射率ρa(bǔ)(θ0，θ，φ)可近似表達(dá)為：

2.1.2逐像元角度提取

HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)只記錄了中心點(diǎn)的太陽天頂角和太陽方位角，以及每一個(gè)像元的觀測天頂角和觀測方位角。由于一景數(shù)據(jù)采用一個(gè)天頂角和方位角會(huì)使得角度數(shù)據(jù)的反演誤差逐像元累計(jì)，使得反演結(jié)果的精確度大大降低，因此本次研究通過讀取每一個(gè)像元的觀測天頂角和觀測方位角以及相關(guān)計(jì)算參數(shù)來推算逐像元的太陽天頂角和太陽方位角。

太陽高度角是指地球表面上某點(diǎn)和太陽的連線與地平線之間的夾角，相關(guān)公式如下：

sinh=sinφ×sinδ+cosφ×cosδ×cosφ

cost=-tgφ×tgδ

t=15°(n-12)

式中：h為太陽高度角，范圍在[-90，90]；φ為地理緯度；δ為太陽赤緯角；t為時(shí)角，是指單位時(shí)間地球自轉(zhuǎn)的角度，n為時(shí)間(24小時(shí)制)。

太陽赤緯角的近似公式為：

δ=23.45°×sin[(N-80.25)×(1-N/9500)]

式中：N為從元旦到計(jì)算日的總天數(shù)。

根據(jù)上述公式，可以求得太陽天頂角β：

β=cos-1(sinφsinδ+cosφcosδcost)

太陽方位角是太陽至地面上某給定地點(diǎn)的連線在地面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€之間的夾角。從正午算錢，上午為負(fù)值，下午為正值。方位角A計(jì)算如下：

cosA=(sinh×sinφ-sinδ)/(cosh×cosφ)

以此逐步求出每個(gè)像元的太陽天頂角、太陽方位角。最后將得到的四個(gè)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，最后生成含有四個(gè)波段的角度合成數(shù)據(jù)。

2.2 反演方法

基于以上原理，選取HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)的藍(lán)通道(430～520nm)，紅通道(630～690nm)和近紅外通道(760～900nm)進(jìn)行處理，具體過程使用ArcGIS、ENVI，同時(shí)結(jié)合IDL語言調(diào)用6S模型生成相應(yīng)查找表的方法實(shí)現(xiàn)氣溶膠光學(xué)厚度的反演。

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理。將CCD數(shù)據(jù)進(jìn)行波段合成、輻射定標(biāo)，并將輻亮度轉(zhuǎn)換為表觀反射率。

(2)暗像元選取。暗目標(biāo)法的關(guān)鍵在于獲得相應(yīng)波段的地表反射貢獻(xiàn)。根據(jù)Kanfman提出的理論，對(duì)于密集植被地表(即暗目標(biāo))，紅、藍(lán)波段有較小的反射率，并且紅、藍(lán)、短波紅外波段三者反射率具有很好的線性關(guān)系。因此，可以從紅、藍(lán)波段的表觀反射率去除地表貢獻(xiàn)，獲得大氣參數(shù)S、ρ0、T(μs)T(μv)，進(jìn)而得到AOD。

而CCD相機(jī)中缺少短波紅外波段，其近紅外波段包含大氣影響，很難準(zhǔn)確獲得地表暗目標(biāo)，所以本次研究引入歸一化植被指數(shù)(NDVI)來進(jìn)行暗目標(biāo)識(shí)別。

式中：ρnir和ρred分別為CCD相機(jī)第4波段和第3波段反射率。NDVI能夠較好地反映地表植被分布狀況，且能夠去除部分的大氣影響。NDVI<0時(shí)，表明陸地表面上主要覆蓋云、水和雪等在可見光波段反射比在紅外波段的反射較強(qiáng)的地物，將其判為非暗像元；NDVI>0則表明有植被覆蓋，且其值隨著覆蓋度的增大而增大，最后選定閾值作為篩選暗像元的條件。通過監(jiān)測產(chǎn)品和地面同步觀測數(shù)據(jù)的驗(yàn)證對(duì)比，同時(shí)考慮大氣影響，將NDVI的閾值設(shè)為0.3。

(3)生成逐像元角度合成數(shù)據(jù)。讀取HJ-1CCD數(shù)據(jù)中自帶的觀測天頂角和觀測方位角以及相關(guān)參數(shù)，根據(jù)上述原理、公式計(jì)算逐像元太陽天頂角、方位角，然后進(jìn)行插值。最終生成包含逐像元太陽天頂角、太陽方位角、觀測天頂角、觀測方位角四個(gè)波段的角度合成數(shù)據(jù)。

(4)生成6S查找表。確定所需大氣參數(shù)，根據(jù)不同的太陽入射角、衛(wèi)星觀測角、相對(duì)方位角以及其它參數(shù)建立查找表，并根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置步長。太陽天頂角設(shè)為：6、12、18、24、30、36、48、54、60、66；衛(wèi)星天頂角設(shè)為：3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33、36、39；相對(duì)方位角：12、24、36、48、60、72、84、96、108、120、132、144、156、168、180；氣溶膠光學(xué)厚度：0.01、0.25、0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、1.95。

在反演過程中，根據(jù)每個(gè)像元的輻射入射、接收角度以及衛(wèi)星觀測的輻射或反射率，由查找表查找出對(duì)應(yīng)的氣溶膠光學(xué)厚度，即進(jìn)行逐像元查找。查找表中考慮了所有像元的角度范圍，內(nèi)容包括輻射傳輸方程參數(shù)、太陽天頂角、衛(wèi)星天頂角、相對(duì)方位角、氣溶膠值。

3 反演結(jié)果及分析

3.1 數(shù)據(jù)選取及處理

選取南寧市2014年1月14日、15日、16日少云條件下的HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，研究范圍：東經(jīng)108°19′，北緯22°49′。并使用相應(yīng)時(shí)間的MODIS影像進(jìn)行氣溶膠反演，并將CCD數(shù)據(jù)與MODIS數(shù)據(jù)反演結(jié)果與ARONET地基氣溶膠觀測網(wǎng)站上公布的Bac_Giang(北江)站、MuKdahan(穆達(dá)漢)站和Hong_kong_poly(香港)站L2.0級(jí)550nm陸上氣溶膠光學(xué)厚度監(jiān)測值進(jìn)行精度驗(yàn)證。

將經(jīng)過預(yù)處理的影像進(jìn)行研究區(qū)域裁剪，然后進(jìn)行云檢測。研究表明，在紅光波段衛(wèi)星觀測到的云反射率一般大于0.2，因此可以利用0.2這個(gè)閾值來去除云。按上述步驟，獲取四個(gè)波段的角度合成數(shù)據(jù)，根據(jù)改進(jìn)后的暗目標(biāo)算法，提取NDVI值大于0.3的像元進(jìn)行氣溶膠反演。最后對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行平滑處理，得到非暗目標(biāo)處的氣溶膠厚度值。

3.2 反演結(jié)果

2014年1月14日、15日、16日CCD數(shù)據(jù)與MODIS數(shù)據(jù)對(duì)南寧市氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果如圖1。從HJ衛(wèi)星反演結(jié)果可以看出，14日南寧東北部灰霾較多，而中部較少，15日整個(gè)市的灰霾情況均較為嚴(yán)重，尤其東南部，氣溶膠光學(xué)厚度大部分在0.9以上，到16日灰霾情況有所減緩。從MODIS反演的結(jié)果看，灰霾變化情況整體上與CCD數(shù)據(jù)反演結(jié)果一致。

圖1 2014年1月14日、15日、16日基于HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)的AOD反演結(jié)果

圖2 2014年1月14日、15日、16日基于MODIS數(shù)據(jù)的AOD反演結(jié)果

3.3 結(jié)果驗(yàn)證

將反演的結(jié)果與AERONET國際氣溶膠監(jiān)測網(wǎng)站Bac_Giang站、MuKdahan站和Hongkong_poly站的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證。用衛(wèi)星過境前后半小時(shí)地基觀測結(jié)果的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值，并以地基站點(diǎn)為中心在該站點(diǎn)位置0.5°×0.5°區(qū)域范圍內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演結(jié)果的空間平均值作為反演結(jié)果樣本，對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示。

圖3 HJ-1CCD AOD、MODIS AOD與AERONET 觀測值對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果

由上述相關(guān)性分析結(jié)果可以看出，CCD數(shù)據(jù)的反演結(jié)果與AERONET的擬合性高于MODIS氣溶膠反演結(jié)果。CCD數(shù)據(jù)與觀測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.865，線性擬合斜率為0.825，截距為0.189，MODIS反演結(jié)果與觀測結(jié)果相關(guān)性系數(shù)為0.844，線性擬合斜率為0.856，截距為0.0417。說明基于HJ-1CCD數(shù)據(jù)的逐像元角度數(shù)據(jù)的氣溶膠光學(xué)厚度反演算法與MODIS反演產(chǎn)品對(duì)比，在整體上精度有所提高，并且與AERONET網(wǎng)站公布結(jié)果有較好的一致性。

4 結(jié) 論

本文提出了利用HJ-1衛(wèi)星30米分辨率的CCD數(shù)據(jù)逐像元推算觀測天頂角、觀測方位角、太陽天頂角、太陽方位角合成數(shù)據(jù)，并反演南寧市大氣氣溶膠光學(xué)厚度方法。最后以AERONET站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示，本算法具有較高的反演精度。與同一時(shí)間段的MODIS的AOD反演結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，初步證明本文反演方法的有效性，同時(shí)也表明HJ衛(wèi)星遙感技術(shù)作為一種新型的監(jiān)測手段，可有力補(bǔ)充地基監(jiān)測的不足，快速進(jìn)行大范圍氣溶膠時(shí)空分布研究。

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