曹永興， 薛志航

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，成都　610072)

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基于高分辨率影像的城市地區(qū)氣溶膠反演研究述評(píng)

曹永興， 薛志航

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，成都610072)

摘要：介紹了大氣氣溶膠對(duì)全球氣候變化和大氣污染狀況的影響，闡述了基于衛(wèi)星遙感反演氣溶膠的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀； 簡(jiǎn)要介紹了衛(wèi)星遙感反演氣溶膠的原理以及當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的單通道和多通道法、基于對(duì)比度差異的空間結(jié)構(gòu)法、基于多角度數(shù)據(jù)的反演方法、基于偏振數(shù)據(jù)的反演方法和基于星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的反演方法等5類(lèi)衛(wèi)星遙感反演方法； 最后根據(jù)上述反演方法以及城市地區(qū)氣溶膠反演的難點(diǎn)，對(duì)城市地區(qū)氣溶膠反演研究進(jìn)行了論述分析和總結(jié)，點(diǎn)明了利用衛(wèi)星高分辨率遙感影像對(duì)城市地區(qū)氣溶膠反演研究的重要性，討論了當(dāng)前基于高分辨率影像的城市地區(qū)反演方法的不足，并對(duì)其存在的問(wèn)題的突破點(diǎn)和解決途徑進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：氣溶膠； 高分辨率； 衛(wèi)星遙感； 反演方法

0引言

大氣氣溶膠是指固體和液體微粒懸浮物均勻地分散在地球大氣中形成的多相體系。這些微粒懸浮物具有一定的穩(wěn)定性，沉降速度小[1]，粒徑多介于0.001～100 μm之間，其來(lái)源分為人為源和自然源。氣溶膠粒子(尤其是人為源)與太陽(yáng)輻射、地球、大氣氣體有劇烈的相互作用，可以對(duì)大氣的物理和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，從而影響地球表層系統(tǒng)的輻射平衡，進(jìn)而對(duì)全球氣候變化造成影響。更重要的是氣溶膠中包含一些對(duì)人體健康有害的粒子，對(duì)人類(lèi)的健康和生活造成嚴(yán)重影響，尤其是對(duì)于人口密集、工業(yè)集中的城市地區(qū)。例如，現(xiàn)在城市居民越來(lái)越關(guān)注的PM2.5和霧霾等，都屬于氣溶膠多相體系中的一部分。因此，關(guān)于氣溶膠的研究，對(duì)于解決其帶來(lái)或誘發(fā)的氣候變化和大氣污染等問(wèn)題，具有重要意義。有效治理和研究由氣溶膠等帶來(lái)的大氣污染和氣候變化等問(wèn)題的前提條件是對(duì)大氣氣溶膠進(jìn)行調(diào)查和監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的地面實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)仍是研究氣溶膠的重要手段，目前已經(jīng)在全球建立了多個(gè)氣溶膠觀(guān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，如全球氣溶膠監(jiān)測(cè)網(wǎng)(aerosol robotic network，AERONET)在全球建立了超過(guò)五百多個(gè)站點(diǎn)，目前主要用于對(duì)衛(wèi)星遙感結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)； 歐洲還建立了氣溶膠研究激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)網(wǎng)(European aerosol research LiDAR network，EARLINET)。但由于觀(guān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)量有限，且分布比較離散，這些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍無(wú)法反映整個(gè)區(qū)域的氣溶膠空間分布情況，特別是城市等局部地區(qū)。衛(wèi)星遙感技術(shù)連續(xù)、宏觀(guān)、動(dòng)態(tài)、快速的特點(diǎn)，為不同尺度的氣溶膠觀(guān)測(cè)和研究提供了可能[2]。例如，利用較低分辨率衛(wèi)星影像可以研究大區(qū)域的氣溶膠問(wèn)題，不過(guò)對(duì)于人們目前所關(guān)心的氣溶膠帶來(lái)的大氣污染問(wèn)題，較低分辨率影像還難以滿(mǎn)足這方面的需求，高分辨率影像能夠較好地反映局部地區(qū)的氣溶膠狀況。因此，利用高分辨率遙感影像監(jiān)測(cè)氣溶膠，對(duì)于研究城市等氣溶膠空間變化劇烈的局部地區(qū)的大氣污染狀況可取得良好效果，同時(shí)對(duì)于大尺度的氣溶膠研究也有一定幫助，因而具有重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

1研究現(xiàn)狀

國(guó)外基于衛(wèi)星遙感反演氣溶膠的研究始于20世紀(jì)70年代中期，利用最早的數(shù)據(jù)是AVHRR數(shù)據(jù)，最初氣溶膠遙感只能在海洋上空實(shí)現(xiàn)，算法為可見(jiàn)光單通道反射率方法。20世紀(jì)80年代，開(kāi)始了陸地氣溶膠的遙感研究。這一時(shí)期反演算法主要有海洋-陸地對(duì)比法、雙-多通道反射率法、結(jié)構(gòu)函數(shù)法、暗像元法等多種算法，其中，暗像元算法經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，現(xiàn)已成為陸地上空應(yīng)用最為廣泛的算法。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，氣溶膠對(duì)氣候和環(huán)境的影響得到世界各國(guó)政府和人民的高度重視，衛(wèi)星遙感技術(shù)快速發(fā)展過(guò)程中，在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)開(kāi)始考慮氣溶膠遙感的需要，可用來(lái)研究氣溶膠的衛(wèi)星傳感器逐年增加。進(jìn)入21世紀(jì)后，多種搭載新型傳感器的衛(wèi)星相繼成功發(fā)射，如新一代多光譜、多角度偏振探測(cè)衛(wèi)星PARASOL、云-氣溶膠激光雷達(dá)和紅外探測(cè)者衛(wèi)星CALIPSO等，為氣溶膠反演提供了豐富的數(shù)據(jù)源和新的反演思路。關(guān)于氣溶膠的反演方法研究也取得了巨大的進(jìn)展，Diner第一次利用多視角成像分光輻射度計(jì)(multi-angle imaging spectrorad-iometer，MISR)多角度數(shù)據(jù)對(duì)氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行了反演[3]； Vachon等分別利用POLDER(polarization and directionality of earth reflectance)偏振資料和MODIS資料反演了氣溶膠的光學(xué)特性[4]； Thomason等采用CALIPSO星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，研究了大氣平流層氣溶膠含量及分布情況[5]； Hsu等提出了深藍(lán)算法，對(duì)解決亮地表地區(qū)的氣溶膠反演具有重要作用[6-7]。

我國(guó)的大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)始于20世紀(jì)80年代中期。最初也是在海洋上空的氣溶膠反演，如趙柏林利用AVHRR數(shù)據(jù)，在渤海上空對(duì)氣溶膠進(jìn)行了遙感反演試驗(yàn)[8]。然后，隨著國(guó)內(nèi)外多個(gè)衛(wèi)星的相繼發(fā)射成功，其上搭載的多種傳感器為氣溶膠的遙感反演研究提供了更加豐富的信息?；谶@些信息，在大量學(xué)者的努力之下，國(guó)內(nèi)的氣溶膠反演研究取得了迅猛的發(fā)展，如毛節(jié)泰等利用MODIS數(shù)據(jù)，在國(guó)內(nèi)城市地區(qū)氣溶膠反演方面取得了很好的效果[9]； 黃建平等利用CALIPSO星載激光雷達(dá)觀(guān)測(cè)資料，對(duì)沙塵氣溶膠進(jìn)行了大量的研究工作[10]； 王磊等利用改進(jìn)的沿軌跡掃描輻射計(jì)(advanced along-track scanning radiometer，AATSR)雙角度觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)亮地表地區(qū)進(jìn)行了氣溶膠反演研究[11]； 王中挺、李莘莘等分別利用PARASOL偏振數(shù)據(jù)、MODIS數(shù)據(jù)以及國(guó)產(chǎn)HJ-1數(shù)據(jù)，對(duì)我國(guó)陸地上空以及城市和冬季北方亮地表地區(qū)的氣溶膠反演進(jìn)行了研究[12-13]，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)氣溶膠研究領(lǐng)域的發(fā)展。

從20世紀(jì)70年代至今，通過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的共同努力，衛(wèi)星在新型傳感器的設(shè)計(jì)中也越來(lái)越考慮到對(duì)氣溶膠監(jiān)測(cè)的需求，衛(wèi)星遙感氣溶膠反演算法也在經(jīng)歷由海洋到陸地、由暗地表到亮地表的轉(zhuǎn)變過(guò)程中有了長(zhǎng)足的發(fā)展，其適用性和實(shí)用性得到了顯著提升。目前利用衛(wèi)星遙感手段和氣溶膠反演算法，研究城市地區(qū)的氣溶膠已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。但是目前針對(duì)城市等亮地表地區(qū)的反演算法大多是基于中低分辨率的影像，這對(duì)于城市尺度的氣溶膠反演是十分不合適的，而基于高分辨率影像的城市地區(qū)氣溶膠反演研究則相對(duì)較少，仍具有很大的研究空間。

2氣溶膠反演方法

利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演氣溶膠時(shí)明確的已知數(shù)據(jù)是表觀(guān)反射率，它是地表、氣溶膠和大氣分子與入射輻射共同作用的結(jié)果，因此，要想對(duì)氣溶膠進(jìn)行反演就需要先將氣溶膠部分與地表及大氣分子部分區(qū)分開(kāi)來(lái)。在實(shí)際應(yīng)用中，大氣分子貢獻(xiàn)項(xiàng)通常可由選擇的大氣模式或依據(jù)其他某些參數(shù)得到，因此，只需將氣溶膠部分和地表部分區(qū)分開(kāi)來(lái)即可。由于利用不同的數(shù)據(jù)和不同的區(qū)分方法，氣溶膠的反演方法有多種多樣，但大體上可分為5類(lèi)： 單通道和多通道法、基于對(duì)比度差異的空間結(jié)構(gòu)法、基于多角度數(shù)據(jù)的反演方法、基于偏振數(shù)據(jù)的反演方法和基于星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的反演方法[11]。

2.1單通道和多通道法

根據(jù)上述反演原理可知，當(dāng)?shù)乇矸瓷渎瘦^大時(shí)，衛(wèi)星觀(guān)測(cè)值即表觀(guān)反射率主要取決于地表的貢獻(xiàn)項(xiàng)； 當(dāng)?shù)乇矸瓷渎瘦^小時(shí)，則取決于大氣氣溶膠貢獻(xiàn)項(xiàng)。當(dāng)?shù)乇矸瓷渎瘦^小時(shí)進(jìn)行氣溶膠反演，其結(jié)果相對(duì)比較準(zhǔn)確。因此，單通道和多通道反演方法大部分都是選擇與大氣氣溶膠具有較強(qiáng)相互作用的紅(0.6～0.68 μm)和藍(lán)(0.40～0.48 μm)通道和暗地表進(jìn)行的。例如，最初在海洋上空采用的單通道算法和雙通道算法，它們主要利用了海洋表面反射率低的特點(diǎn)。其中單通道算法是通過(guò)假定氣溶膠光學(xué)厚度與表觀(guān)反射率近似成線(xiàn)性關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣溶膠的反演； 雙通道算法則利用氣溶膠在不同通道的顯著差別，通過(guò)比較2個(gè)通道之間的比值(如0.630 μm與0.830 μm通道)來(lái)反演氣溶膠的。后來(lái)，由于反演方法和傳感器的發(fā)展，又涌現(xiàn)出了許多多通道反演方法，其中應(yīng)用最為廣泛的是暗像元算法和深藍(lán)算法。

2.1.1暗像元算法

由上文可知，只要將地表貢獻(xiàn)項(xiàng)與氣溶膠貢獻(xiàn)項(xiàng)區(qū)分開(kāi)來(lái)，即可求得氣溶膠光學(xué)厚度，同時(shí)地表反射率越低，得到的結(jié)果越準(zhǔn)確。因此，Kaufman等人在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了暗像元算法，其利用多種地物(如密集植被等)在紅藍(lán)波段反射率低的特性，最初以植被指數(shù)或2.1 μm通道的表觀(guān)反射率將密集植被等識(shí)別為暗像元，后來(lái)為了使算法的適用性更好，使用3.8 μm或2.1 μm通道的表觀(guān)反射率來(lái)尋找暗像元，并通過(guò)大量的資料，考慮多種地表覆蓋，擬合得到暗像元紅、藍(lán)通道的地表反射率與2.1 μm通道的表觀(guān)反射率之間的關(guān)系[14]，即

(1)

(2)

2.1.2深藍(lán)算法

相比于紅藍(lán)波段，在深藍(lán)(412 nm)波段，大部分地物的地表反射率都在0～0.1之間，明顯低于其他波段； 相比于紫外波段(0.1～0.4 μm)，深藍(lán)波段氣溶膠對(duì)輻射的吸收明顯小于紫外波段(氣溶膠對(duì)輻射的吸收將造成氣溶膠對(duì)表觀(guān)反射率的貢獻(xiàn)減小)，因此利用深藍(lán)波段反演氣溶膠光學(xué)厚度是一個(gè)行之有效的方法。深藍(lán)算法就是利用波長(zhǎng)非常短的深藍(lán)波段，同時(shí)結(jié)合藍(lán)波段和紅波段，進(jìn)行氣溶膠反演的。該算法與暗像元算法一樣，都是通過(guò)求得地表反射率的值，從而將地表和大氣氣溶膠的貢獻(xiàn)項(xiàng)區(qū)分開(kāi)來(lái)的，不同的是地表反射率的獲得方法，深藍(lán)算法是利用最小反射率技術(shù)[7,15]，建立深藍(lán)波段、藍(lán)波段、紅波段的地表反射率庫(kù)，然后通過(guò)地表反射率庫(kù)獲得地表反射率的。后續(xù)步驟與暗像元算法相似。

2.2基于對(duì)比度差異的空間結(jié)構(gòu)法

大多數(shù)單通道和多通道算法是基于暗地表上的反演理論。但是，對(duì)于亮地表地區(qū)，這些反演方法會(huì)產(chǎn)生很大的反演誤差。因此，在陸地亮地表上空，基于對(duì)比度差異的空間結(jié)構(gòu)法被發(fā)展用于替代暗像元法。該方法主要利用同一地區(qū)不同時(shí)相影像的“模糊效應(yīng)”反演相對(duì)氣溶膠光學(xué)厚度，代表方法是結(jié)構(gòu)函數(shù)法[16]。

結(jié)構(gòu)函數(shù)法通過(guò)探討“清潔日”(指氣溶膠光學(xué)厚度極小日)的數(shù)據(jù)在不同空間尺度上地表反射率的對(duì)比關(guān)系，弄清該地區(qū)的分布規(guī)律，假設(shè)該分布規(guī)律保持相對(duì)不變，待反演圖像上的表觀(guān)反射率的空間分布的變化則認(rèn)為是由氣溶膠光學(xué)厚度的變化引起的，進(jìn)而可以反演出氣溶膠光學(xué)厚度[16]。結(jié)構(gòu)函數(shù)法的難點(diǎn)在于“清潔日”影像的獲取，以及要確保待反演影像和其地表特征差別不大。

2.3基于多角度數(shù)據(jù)的反演方法

該方法主要是根據(jù)大氣和地表對(duì)大氣層頂衛(wèi)星信號(hào)貢獻(xiàn)的比率隨不同觀(guān)測(cè)角度而不同這一特性，從而將兩者剝離開(kāi)來(lái)，提取出氣溶膠貢獻(xiàn)信號(hào)，此方法同樣適用于沙漠等亮地表，為氣溶膠的反演提供了一種新的思路。代表方法有基于AATSR數(shù)據(jù)的雙角度算法和基于MISR數(shù)據(jù)的多角度算法[11]。

基于AATSR數(shù)據(jù)的雙角度算法首先假設(shè)地表反射率在前向和底向的比值k是一個(gè)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的量，即

(3)

式中ρf(λ)和ρn(λ)分別表示前向和底向的地表反射率。因?yàn)榈乇矸瓷渎孰S角度的變化主要取決于地表覆蓋的宏觀(guān)結(jié)構(gòu)，而非波長(zhǎng)，其不同波長(zhǎng)的二向反射函數(shù)在相同形狀上差不多是一致的，所以這是一個(gè)比較合理的假設(shè)[17]?；谶@個(gè)假設(shè)，再結(jié)合衛(wèi)星2個(gè)角度在大氣層頂?shù)谋碛^(guān)反射率表達(dá)式并進(jìn)行公式的比較變換，得到一個(gè)關(guān)于氣溶膠光學(xué)厚度的函數(shù)，再通過(guò)假設(shè)氣溶膠模型，就可以進(jìn)行氣溶膠光學(xué)厚度的反演計(jì)算[11]。

多角度算法可以更好地區(qū)分地表和大氣的貢獻(xiàn)，從而更準(zhǔn)確地反演出氣溶膠光學(xué)厚度。其特點(diǎn)是對(duì)于均一地表無(wú)論是暗地表還是亮地表都有很好的適用性，缺點(diǎn)是對(duì)于非均一性地表還有局限性。

2.4基于偏振數(shù)據(jù)的反演方法

在短波波段，大氣上層偏振輻射主要來(lái)自于大氣氣溶膠粒子和大氣分子的貢獻(xiàn)。大氣分子的貢獻(xiàn)基本不變，可以用一些模型計(jì)算獲得。因此可以利用大氣上層偏振特性反演氣溶膠。理論上只要求解描述輻射傳輸和能量再分配過(guò)程的矢量輻射傳輸方程即可得到氣溶膠光學(xué)厚度，但該方程是一個(gè)復(fù)雜的非線(xiàn)性微分-積分方程，至今還沒(méi)有解析解，必須使用數(shù)值的方法求解。目前對(duì)矢量輻射傳輸方程求解的方法有很多，主要有離散坐標(biāo)法、倍加累加法RT3和逐次散射法等。但是由于求解矢量輻射傳輸方程非常復(fù)雜，目前使用查找表法是一種既能保證計(jì)算精度又能加快計(jì)算速度的方法[18-19]?；谄駭?shù)據(jù)的反演方法其優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)反演氣溶膠光學(xué)厚度和氣溶膠粒子的有效粒徑。但是這種方法需要假定氣溶膠粒子為均一球形粒子，而實(shí)際上氣溶膠粒子是非均一和非球形的，再加上地表偏振特性的影響，限制了這種方法的廣泛應(yīng)用。

2.5基于星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的反演方法

該方法可以獲得氣溶膠的垂直分布信息，可全天候探測(cè)氣溶膠的時(shí)空分布，已受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。在進(jìn)行星載數(shù)據(jù)反演時(shí)，要充分考慮星載探測(cè)的特點(diǎn)，與地基反演方法區(qū)別對(duì)待。以星載激光雷達(dá)CALIPSO為例，其反演過(guò)程分為以下3個(gè)步驟： ①利用選擇性迭代邊界定位法，對(duì)回波信號(hào)廓線(xiàn)中包含的多種層次特征進(jìn)行探測(cè)； ②利用場(chǎng)景分類(lèi)算法對(duì)所探測(cè)到的層次分類(lèi)，主要包括云和氣溶膠的區(qū)分、氣溶膠具體類(lèi)型的分類(lèi)以及冰云和水云的區(qū)分； ③利用混合消光系數(shù)反演算法，對(duì)云層和氣溶膠層進(jìn)行消光特性反演，最終得到氣溶膠和云的空間分布信息、消光系數(shù)廓線(xiàn)等產(chǎn)品。其中，混合消光系數(shù)反演算法是在傳統(tǒng)的消光特性反演方法上發(fā)展而來(lái)的。目前傳統(tǒng)的消光特性反演方法主要有Fernald方法、Klett方法和斜率法等[20]。

但是無(wú)論哪種方法，都是基于一定的假設(shè)去對(duì)激光雷達(dá)方程求解。這些假設(shè)主要依賴(lài)于大氣的分布狀況以及氣溶膠粒子的折射指數(shù)、尺度譜分布、形態(tài)及成分等性質(zhì)。由于這些特性的變化范圍比較大，因此假設(shè)都具有很大的不確定性，是影響反演精度的主要誤差源。

3城市地區(qū)氣溶膠反演研究

對(duì)于城市地區(qū)的氣溶膠反演而言，主要有以下2個(gè)難點(diǎn)： ①城市地區(qū)地表類(lèi)型復(fù)雜，包括建筑物、柏油馬路、植被等多種類(lèi)型，地表反射率的精確確定非常困難； ②城市地區(qū)有些地表類(lèi)型地表反射率較高，會(huì)顯著影響氣溶膠反演的精度。此外，對(duì)于城市地區(qū)，由于區(qū)域范圍相對(duì)較小，氣溶膠空間變化劇烈，低分辨率影像顯然不能滿(mǎn)足氣溶膠監(jiān)測(cè)的需求。因此，對(duì)于城市地區(qū)的氣溶膠反演需要采用兼顧時(shí)間和空間的高分辨率影像，但是當(dāng)前能符合這2方面要求的數(shù)據(jù)源過(guò)少，只能使用高空間分辨率影像來(lái)代替，如TM，OLI等影像。雖然其較低的時(shí)間分辨率影響了其實(shí)用性，但仍具有很好的研究?jī)r(jià)值，可為未來(lái)采用可能出現(xiàn)的兼顧時(shí)間和空間的高分辨率遙感影像反演氣溶膠奠定方法基礎(chǔ)。根據(jù)城市地區(qū)氣溶膠反演的難點(diǎn)和對(duì)上述氣溶膠反演方法的分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的反演方法對(duì)于城市地區(qū)的氣溶膠反演還存在許多不足之處。例如，上述算法的后3類(lèi)算法都需要特定的數(shù)據(jù)源，且這些數(shù)據(jù)源本身的分辨率比較低，再加上算法自身的局限性，它們并不適合城市尺度的氣溶膠反演。但可以預(yù)見(jiàn)的是，隨著科技的發(fā)展，傳感器分辨率的提高，以及算法的改進(jìn)，這些算法將會(huì)對(duì)城市尺度的氣溶膠反演注入新的活力。而前兩類(lèi)算法對(duì)于高空間分辨率低時(shí)間分辨率的遙感影像來(lái)說(shuō)，也都存在許多局限性，如暗像元算法對(duì)于暗地表反演結(jié)果比較理想，但不適用于亮地表； 對(duì)于結(jié)構(gòu)函數(shù)法來(lái)說(shuō)，其“清潔日”影像的獲得限制了其應(yīng)用； 對(duì)于深藍(lán)算法，其地表反射率庫(kù)的建立是一個(gè)難點(diǎn)等。雖然這些方法在一定程度上都存在一些局限性，但它們?yōu)槌鞘械貐^(qū)氣溶膠反演奠定了基礎(chǔ)，提供了研究思路，尤其是對(duì)地表反射率的確定。對(duì)于氣溶膠反演來(lái)說(shuō)，地表反射率的確定是一個(gè)難點(diǎn)和重點(diǎn)，對(duì)于城市地區(qū)氣溶膠反演更是如此，因而是城市地區(qū)氣溶膠反演首先要解決的一個(gè)問(wèn)題。相比于復(fù)雜的氣溶膠模型，它具有更大的改進(jìn)空間。為此，筆者認(rèn)為，在現(xiàn)有的大量研究資料的基礎(chǔ)之上，結(jié)合高分辨率影像，進(jìn)行城市地區(qū)地表反射率確定方法的研究，是城市地區(qū)氣溶膠反演的一個(gè)重要突破口。

4結(jié)論

綜上所述，在氣溶膠反演方面，國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作，提出了很多有價(jià)值的研究方法，但是從目前的研究狀況來(lái)看，基于高分辨率遙感影像的城市地區(qū)氣溶膠反演方面還存在較大不足和研究空間。首先是算法都有很多局限性，再者是可用的高分辨率數(shù)據(jù)源比較少。

對(duì)于城市尺度的氣溶膠反演方法來(lái)說(shuō)，其重點(diǎn)研究方向應(yīng)是對(duì)現(xiàn)有各種不同方法的深入研究，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)或?qū)ふ倚碌姆椒?，解決在城市地區(qū)氣溶膠反演過(guò)程中所遇到的問(wèn)題，如地表反射率的確定等。對(duì)于城市尺度氣溶膠反演所需的高分辨率數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，可操作的數(shù)據(jù)源過(guò)少，而且時(shí)間分辨率和空間分辨率不能兼顧，如TM，OLI等數(shù)據(jù)，其空間分辨率足夠，但時(shí)間分辨率過(guò)低； MODIS，MISR和POLDER等數(shù)據(jù)，則是時(shí)間分辨率足夠，但空間分辨率過(guò)低。若是能兩者兼顧，則將對(duì)城市尺度的氣溶膠反演帶來(lái)突破性的進(jìn)展。尤其對(duì)于多角度數(shù)據(jù)、偏振數(shù)據(jù)和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)等，由于它們對(duì)城市尺度的氣溶膠反演帶來(lái)了許多新的、可行的、有效的反演思路，希望今后在設(shè)計(jì)衛(wèi)星傳感器時(shí)能兼顧時(shí)間分辨率和空間分辨率的設(shè)置問(wèn)題。

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(責(zé)任編輯： 李瑜)

Review of the urban aerosol retrieval research based on high-resolution images

CAO Yongxing, XUE Zhihang

(State Grid Sichuan Electric Power Research Institute, Chengdu 610072, China)

Abstract:This paper describes the influence of aerosols on global climate change and air pollution situation, points out the importance of using high-resolution satellite images for urban aerosols inversion, elaborates the research status of the satellite remote sensing retrieval of aerosol, and briefly introduces the principle of satellite remote sensing retrieval of aerosol, and the single channel and multi -channel method, the contrast method based on differences in the spatial structure, the inversion method based on multi-angle data, the inversion method based on polarization data and the inversion method based on laser radar satellite data, which constitute five kinds of satellite remote sensing inversion method widely used nowadays. According to the inversion method and the difficulties of the urban aerosol inversion, the inversion of aerosol in urban areas is analyzed and summarized, with a detailed discussion on the shortcomings of current inversion methods based on high-resolution images of urban areas and a forecast of breakthrough points and the solutions of the existing problems.

Keywords:aerosol; high resolution; satellite remote sensing; inversion method

doi:10.6046/gtzyyg.2016.03.01

收稿日期：2015-03-31；

修訂日期：2015-07-25

基金項(xiàng)目：國(guó)家電網(wǎng)公司總部科技項(xiàng)目(編號(hào)： 521997140007)資助。

中圖法分類(lèi)號(hào)：X 513

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-070X(2016)03-0001-06

第一作者簡(jiǎn)介：曹永興(1964-)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檩旊娋€(xiàn)安全防護(hù)和遙感應(yīng)用。Email: xyj0943@163.com。

引用格式： 曹永興,薛志航.基于高分辨率影像的城市地區(qū)氣溶膠反演研究述評(píng)[J].國(guó)土資源遙感,2016,28(3):1-6.(Cao Y X,Xue Z H,et al.Review of the urban aerosol retrieval research based on high-resolution images[J].Remote Sensing for Land and Resources,2016,28(3):1-6.)