金 健，盧 遠，李嘉力，華 璀

（1.廣西師范學(xué)院 遙感與GIS開放實驗室，廣西 南寧530001）

北部灣MODIS氣溶膠光學(xué)厚度的反演

金 健1，盧 遠1，李嘉力1，華 璀1

（1.廣西師范學(xué)院 遙感與GIS開放實驗室，廣西 南寧530001）

通過IDL語言調(diào)用6S模型源碼生成相應(yīng)查找表，對北部灣及周邊區(qū)域2008年MODIS高分辨率（1 km×1 km）影像進行氣溶膠光學(xué)厚度反演。反演結(jié)果與AERONET公布的Bac_Giang、MuKdahan和Hongkong_poly站的氣溶膠產(chǎn)品進行精度驗證，得出北部灣地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度反演，春、秋、冬季選取大陸型氣溶膠模式,夏季選取海洋型模式能更好地貼近實際情況。運用此方法對北部灣以及越南東北部地區(qū)2004年、2006年、2008年、2010年中晴空少云天進行氣溶膠時空分布反演并分析結(jié)果。

MODIS;氣溶膠光學(xué)厚度;暗像元法;反演

1 方法和實驗

1.1 研究數(shù)據(jù)來源

以2004年、2006年、2008年和2010年為研究時段，研究范圍103°43'E～115°24'E，22°35'N～ 18°20'N。氣溶膠光學(xué)厚度反演的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺下載的MOD021KM Terra衛(wèi)星1B（1 km×1 km）對地觀測數(shù)據(jù)，并利用ARONET地基氣溶膠觀測網(wǎng)站上公布的2008年Bac_Giang（北江）站、MuKdahan（穆達漢）站和Hong_kong_poly（香港）站L2.0級550 nm陸上氣溶膠光學(xué)厚度監(jiān)測值對反演結(jié)果進行精度驗證[1-5],如表1所示。ARONET監(jiān)測網(wǎng)以法國CEMEL公司的CE318太陽光度計為觀測儀器，計算得出氣溶膠光學(xué)厚度(AOT)。它的反演精度可以達到0.01～0.02，足以作為真值用于檢驗衛(wèi)星反演的AOT值[6]。

表1 ARONET觀測站點信息

1.2 研究原理

本次研究采用經(jīng)典暗像元法對研究區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度進行反演。暗像元反演方法是利用植被密集、具有較低反射率的地表（即暗像元）在近紅外與紅、藍通道反射率具有很好的線性相關(guān)性，以及短波紅外波段氣溶膠的影響和可見光波段相比可以忽略不計這2個重要性質(zhì)推算出紅、藍波段的表觀反射率[7,8]。利用6S模型計算查找表，通過輸入地表反射率、相應(yīng)幾何參數(shù)、波段表觀反射率來查找氣溶膠光學(xué)厚度。

首先假設(shè)陸地表面為均勻朗伯面，大氣垂直均勻變化，衛(wèi)星接收到的輻射值即表觀反射率L（μv） 表達為：

式中，μs=cosθs，μv=cosθv,θs與 θv分別為太陽天頂角與觀測天頂角；Lo（μv） 為觀測方向的路徑輻射項；r為朗伯體地表反射率；S為大氣下界的半球反射率；T為大氣透過率；μsFo為大氣層頂與太陽光垂直方向的輻射通量密度。

利用入射太陽輻射項Foμs對式（1）進行歸一化可得大氣頂部反射率ρTOA的表達式為：

式中，ρo為大氣路徑輻射項等效反射率；ρs為地表二向反射率，當?shù)乇頌槔什w時為r；Φ為相對方位角。從式（2）可以明顯看出， ρs、S、ρo和 T（μs）· T（μv）等參數(shù)是未知量。S、ρo和 T（μs）· T（μv） 參數(shù)本身是氣溶膠函數(shù)，ρs的估算直接影響地表反射噪聲的去除[9]。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，以提供單次散射反照率值和氣溶膠相函數(shù)。在確定了氣溶膠模式和地表反射率后，根據(jù)上述公式，可以從表觀反射率反演得到氣溶膠光學(xué)厚度。

1.3 反演步驟

本次研究選用MODIS數(shù)據(jù)的藍通道（0.47 μm），紅通道（0.65 μm）和短波紅外通道（2.13 ～3.8 μm），并利用Kaufman提出的紅、藍通道與短波紅外通道的線性關(guān)系[5,6]，以及暗像元法、6S模型反演0.55 μm波長氣溶膠光學(xué)厚度。

步驟1： 進行去云處理。本次研究采用改進后的云檢測算法，從可見光反射率、紅外波段亮溫值以及亮溫差等方面綜合考慮，逐步建立一個云檢測掩膜[10]。

根據(jù)云檢測原理中不同波段對云的敏感特性，以及MODIS數(shù)據(jù)各通道的波譜特性，結(jié)合大氣窗口和云的輻射傳輸特點，分別選擇了B1、B6、B8、B26、B29、B31波段，從可見光到熱紅外6個通道數(shù)據(jù)進行云檢測[10]。并利用所選擇的6個波段及波段組合進行逐像元檢查，完成云檢測處理工作，從而達到云和晴空分離的目的。

步驟2： 進行暗像元的選取并確定地表反射率。已有研究表明，當波長2.1 μm處的像元表觀反射率ρ*2.1滿足大于0.01小于0.4時，該像元可以認為是暗像元，但濃密植被2.1 μm波長處的反射率和0.47 μm、0.66 μm波長處的反射率之間的關(guān)系不僅與散射角有關(guān)，而且與植被的茂密程度有關(guān)[10]。其中散射角可以由觀測幾何參數(shù)獲得：

式中，θs為太陽天頂角；θv為觀測天頂角；Φ為相對方位角。

步驟3：確定氣溶膠模式。 由于一個地區(qū)的氣溶膠類型取決于氣溶膠源涉及的氣溶膠類型，因此關(guān)鍵要考慮氣團在運動到反演區(qū)域之前所在地區(qū)的地面狀況。根據(jù)國際氣象與大氣物理學(xué)會定義的標準輻射大氣中的氣溶膠類型，在對流層是由水溶性、沙塵性、海洋性、煤煙性4種基本氣溶膠組分組成，同時根據(jù)4種組分含量的不同，定義了大陸型、城市型及海洋型3種氣溶膠類型[9]。標準輻射大氣氣溶膠模式及各組分粒子的含量如圖1所示。

由于北部灣北連我國大陸，西鄰越南，南與南海相連，為中越兩國陸地與中國海南島所環(huán)抱，這種特殊的地理位置使得四季氣候變化以及大氣活動極為頻繁。為了考慮大氣活動對氣溶膠空間分布的影響，本次研究對北部灣地區(qū)四季分別采用城市型、大陸型、海洋型大氣模式進行反演。

步驟4：生成6S查找表。首先確定所需的大氣參數(shù)，然后根據(jù)不同的太陽入射角和衛(wèi)星觀測角以及其他參數(shù)建立查找表。本次研究通過IDL語言調(diào)用6S輻射模型循環(huán)輸入?yún)?shù)，根據(jù)實際需要設(shè)置步長，讀取每一個影像的角度信息后建立相應(yīng)的查找表，從而提高反演精度[11]。分別設(shè)置參數(shù)為:

圖1 氣溶膠類型各組分所占百分比

氣溶膠光學(xué)厚度：taer55=0.005～2.000,step=0.05

太陽天頂角：asol=0～60,step=12

衛(wèi)星天頂角：avis=0～60,step=12

衛(wèi)星和太陽相對方位角：phiv=0～180,step=24

大氣模式：iastm=2,為中緯度夏季

光譜參數(shù)：iwave=45

在反演過程中，假定特定的大氣條件，根據(jù)輻射的入射和接收角度以及衛(wèi)星測得的輻射或反射率，由查找表查出對應(yīng)的氣溶膠光學(xué)厚度。即進行逐像元查找，當某一個像元的表觀反射率值、衛(wèi)星與太陽天頂角、方位角值與查找表一樣的時候，就選取那一列的氣溶膠光學(xué)厚度值，并對反演出的結(jié)果進行均值化處理，得到各個季節(jié)的氣溶膠光學(xué)厚度時空分布結(jié)果。

2 數(shù)據(jù)結(jié)果處理

2.1 結(jié)果驗證

將反演的結(jié)果與AERONET（aerosol robotic network）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)進行精度驗證。選取0.55 μm處的光學(xué)厚度值進行比較，用衛(wèi)星過境前后半小時地基觀測結(jié)果的平均值作為標準值，并以地基站點為中心在該站點位置0.5°×0.5°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，如表2～表5將AERONET網(wǎng)站上3個站點的四季觀測平均值與MODIS反演的四季平均值進行對比[12-14]。

表2 春季AERONET觀測數(shù)據(jù)與反演結(jié)果平均值對比

由此可見，大陸型和海洋型氣溶膠模式的反演結(jié)果與AERONET網(wǎng)站公布的觀測結(jié)果有一定的相似性，主要是因為大陸型氣溶膠由鄉(xiāng)村氣溶膠組成，而海洋型氣溶膠由海鹽粒子和鄉(xiāng)村氣溶膠組成，兩者的組成成分中絕大部分相同，而城市型氣溶膠反演的結(jié)果與前兩者相差很大，這是因為城市型氣溶膠中沙塵類占了很大一部分。

分別對四季反演的多天數(shù)據(jù)進行一元線性回歸分析，反演結(jié)果與觀測站值的相關(guān)系數(shù)與擬合優(yōu)度值統(tǒng)計如表6。

表6 四季氣溶膠光學(xué)厚度反演值與ARONET觀測數(shù)據(jù)一元線性擬合統(tǒng)計結(jié)果

春、秋、冬季使用大陸型氣溶膠模式反演結(jié)果與AERONET網(wǎng)站公布的數(shù)據(jù)擬合優(yōu)度是3類氣溶膠模式中最高的，說明北部灣地區(qū)受鄉(xiāng)村類氣溶膠影響較大，這是由于北部灣及周邊地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展狀況使得實際存在的大氣污染物類型和含量多屬于沙塵型，極少量的煤煙型，并且受到海水環(huán)流、氣旋以及降水等因素的影響，使得水溶性粒子增加。

夏季海洋型氣溶膠模式反演結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)相關(guān)性最高，說明北部灣夏季受海鹽粒子等海風影響較大。這是由于夏季北部灣地區(qū)降水強，風從熱帶海上來，多西南風，并受熱帶氣旋影響，進入北部灣后強度增加，同時還產(chǎn)生多次回旋的氣流，使得海鹽粒子擴散。

2.2 年際變化分析

運用上述的反演方法對2004年、2006年、2008年以及2010年北部灣地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度反演的結(jié)果進行對比。選擇一年中云量較少的天數(shù)合成的影像數(shù)據(jù)作為研究對象。春、秋、冬季氣溶膠模式選擇大陸型，夏季選擇海洋型。反演結(jié)果如圖2、圖3。

3 結(jié) 語

從四季反演的結(jié)果來看，春、夏、秋季氣溶膠厚度較大，而由于城市地表的復(fù)雜性和冬季無植被區(qū)地表噪聲去除的誤差使得冬季反演值較小[13,14]。綜上所述，本研究所采用的大陸型氣溶膠模式反演的北部灣春、秋、冬季氣溶膠光學(xué)厚度與AERONET網(wǎng)站上公布的結(jié)果具有較好的相似性，而采用海洋型氣溶膠模式反演的北部灣夏季氣溶膠光學(xué)厚度與AERONET網(wǎng)站上公布的結(jié)果能更好地吻合，可用于區(qū)域內(nèi)大氣顆粒物污染評價等相關(guān)研究。

對比年際反演結(jié)果可看出，廣西南部的氣溶膠光學(xué)厚度高值區(qū)在2006年有南移的現(xiàn)象，并在2008年和2010年呈現(xiàn)向周邊擴散的趨勢。從反演結(jié)果可以看出防城港、欽州以及北海地區(qū)為較高值區(qū)，尤其與越南交界處的東興、憑祥等地的氣溶膠光學(xué)厚度值由2004～2012年不斷增大。而百色南部、貴港南部均為低值區(qū)。廣東湛江的氣溶膠也呈現(xiàn)擴散趨勢，而東部的廣州、中山一帶為高值區(qū)。海南省的?？?、三亞地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度也有較明顯增加。越南北部與我國接壤的部分地區(qū)，尤其是北江及周邊區(qū)域在2006年明顯呈現(xiàn)小范圍的高值區(qū)，而在2010年高值范圍明顯擴散至高平、宣光等省。其沿海地區(qū)的清化、河靜的氣溶膠光學(xué)厚度值也增加非常迅速。這是由于近年北部灣經(jīng)濟區(qū)的飛速發(fā)展，與包括越南、老撾、泰國在內(nèi)的周邊國家進行大量進出口貿(mào)易從而推動了各國經(jīng)濟的迅速增長，促進城市化進程，加快了工業(yè)化，加大各種染料的消耗、廢氣排放等。

文中使用經(jīng)典暗像元法對北部灣及周邊區(qū)域進行氣溶膠光學(xué)厚度的反演，該反演方法簡單實用、適應(yīng)性強，其精度也能滿足一般遙感應(yīng)用研究，對研究北部灣及周邊區(qū)域的氣溶膠時空分布有很大的意義。

圖2 北部灣夏季氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果

圖3 北部灣春、秋、冬季氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果

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P237.9

B

1672-4623（2015）01-0008-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.01.003

金健，碩士，研究方向為遙感定量反演。

2013-12-09。