利用MODIS衛(wèi)星資料反演北京地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度

利用MODIS衛(wèi)星資料反演北京地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度

楊東旭;韋晶;鐘永德

【摘 要】大氣氣溶膠是影響城市環(huán)境空氣質(zhì)量的重要因素,同時對人類健康具有重

要影響.傳統(tǒng)的氣溶膠遙感反演方法多適用于海洋及植被等地表反射率較低的區(qū)域,

對于城市等高亮地表區(qū)域,地表反射率較高且難以確定,氣溶膠反演面臨巨大挑戰(zhàn).針

對該問題,提出一種新的地表反射率的確定方法,將下墊面劃分為暗地表和亮地表兩

種類型,分別使用可見光與短波紅外的線性關(guān)系和利用長時間序列MODIS表現(xiàn)反

射率數(shù)據(jù)使用最小值合成技術(shù)構(gòu)建先驗數(shù)據(jù)集的方法,確定其地表反射率,然后基于

輻射傳輸方程理論利用查找表方法,進行氣溶膠光學(xué)厚度反演.選擇下墊面復(fù)雜、空

氣污染問題嚴(yán)重的北京市作為研究區(qū),應(yīng)用MO-DIS數(shù)據(jù)進行氣溶膠反演實驗,最后

使用北京站、香河站、北京CAMS站和北京RADI站4個AERONET氣溶膠地基

觀測數(shù)據(jù)和MODIS氣溶膠產(chǎn)品對反演結(jié)果進行對比驗證.結(jié)果表明該算法氣溶膠

反演結(jié)果與地基觀測數(shù)據(jù)具有較高的一致性(R2 =0.902),能以較高精度實現(xiàn)城市等

高反射率地區(qū)的氣溶膠反演,反演精度與空間連續(xù)性上較MOD04有顯著提高.

【期刊名稱】《光譜學(xué)與光譜分析》

【年(卷),期】2018(038)011

【總頁數(shù)】6頁(P3464-3469)

【關(guān)鍵詞】氣溶膠光學(xué)厚度;高亮地表;城市地區(qū);MODIS;AERONET

【作 者】楊東旭;韋晶;鐘永德

【作者單位】中南林業(yè)科技大學(xué)旅游學(xué)院,湖南長沙410004;浙江旅游職業(yè)學(xué)院,浙

江杭州311231;北京師范大學(xué)全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院,北京100875;清華

大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系,北京 100084;中南林業(yè)科技大學(xué)旅游學(xué)院,湖南長沙410004

【正文語種】中 文

【中圖分類】P405

引 言

大氣氣溶膠是指懸浮在大氣中尺度范圍約為10-3～102 μm的固態(tài)、液態(tài)微粒與

氣態(tài)載體共同組成的多相體系。氣溶膠對太陽輻射的吸收和散射，直接影響大氣輻

射平衡，不僅對局部地區(qū)生態(tài)環(huán)境、全球氣候變化產(chǎn)生重要的影響，而且能夠直接

危害人體健康[1-2]。隨著遙感衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展，大面積、大范圍尺度的氣溶

膠動態(tài)實時監(jiān)測得以逐步實現(xiàn)，衛(wèi)星遙感大氣氣溶膠的反演研究不斷開展，氣溶膠

的精確反演不但能夠為當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門生態(tài)環(huán)境保護和空氣污染防治提供前期的數(shù)據(jù)

依據(jù)，而且對于維持生態(tài)系統(tǒng)平衡、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和全球氣候變化研究等方面具

有重要的意義。

目前，國內(nèi)外研究學(xué)者在氣溶膠光學(xué)厚度遙感反演方面已經(jīng)做了大量研究，并取得

了較大進展。當(dāng)前應(yīng)用最為普遍和成熟的算法為暗目標(biāo)法(dark target, DT)，也稱

為濃密植被法[3-4]。該方法利用濃密植被在紅光和藍光波段反射率值較低，容易

確定的特點，通過輻亮度值與氣溶膠較強的相關(guān)性去除地表貢獻，實現(xiàn)氣溶膠光學(xué)

厚度反演。濃密植被法的關(guān)鍵在于濃密植被像元地表反射率的確定，地表反射率最

初使用Kaufman在1997年提出中紅外波段地表反射率與紅光、藍光波段呈現(xiàn)較

為穩(wěn)定的經(jīng)驗關(guān)系進行確定，后來經(jīng)過不斷改進，目前該算法已被廣泛應(yīng)用到

AVHRR(advanced very high resolution radiometer), OMI(ozone monitoring

instrument), TOMS(total ozone mapping spectroradiometer), SeaWiFS

(a-viewing wide field of view nsor)和MODIS(MODerate resolution

imaging spectroradiometer)等多源傳感器氣溶膠反演研究中，具有較高的反演

精度[5-7]。

對于濃密植被法無能為力的亮地表地區(qū)，Tanre在1988年提出了結(jié)構(gòu)函數(shù)法，該

算法假定在一定范圍內(nèi)復(fù)雜地表的大氣透過率均相同，并在多種數(shù)據(jù)中取得了較好

效果[8]，但缺點是該算法需要以清晰影像為基礎(chǔ)，對幾何校正的精度要求較高，

算法不夠穩(wěn)定，難于業(yè)務(wù)化運行。針對高亮度、稀疏植被地區(qū)氣溶膠反演困難的問

題，Hsu等[9-10]發(fā)現(xiàn)藍光波段的地表反射率整體較低，如果能夠確定地表反射率，

氣溶膠仍然能夠以較高精度反演，在濃密植被法的基礎(chǔ)上提出了一種深藍算法

(deep blue，DB)，利用SeaWiFS數(shù)據(jù)建立地表反射率庫，在撒哈拉沙漠實現(xiàn)了

氣溶膠的高精度反演； 除此之外，又先后發(fā)展了其他氣溶膠反演算法，如MAIAC

(multi-angle implementation of atmospheric correction algorithm)[11],

SARA (simplified aerosol retrieval algorithm)[12]等，該些算法實現(xiàn)了高空間

分辨率的氣溶膠光學(xué)厚度反演，并取得了可觀的精度。

研究表明，與濃密植被地區(qū)相比，氣溶膠在陸地上大部分稀疏植被覆蓋區(qū)域的輻射

亮度信息中的標(biāo)識性，雖然有不同程度的降低，但仍具有較高的標(biāo)識性。針對傳統(tǒng)

的氣溶膠反演方法無能為力的稀疏植被及高亮地表區(qū)域，本文提出一種基于先驗地

表反射率支持的氣溶膠光學(xué)厚度遙感反演算法。該方法綜合不同氣溶膠反演算法的

優(yōu)勢，在濃密植被等暗像元區(qū)，采用濃密植被法確定地表反射率； 在亮地表地區(qū)，

利用MODIS長時間序列的表觀反射率數(shù)據(jù)，利用最小值合成方法構(gòu)建得到月合成

反射率數(shù)據(jù)庫，提供地表反射率數(shù)據(jù)，進行氣溶膠反演。這里選擇北京市為例，應(yīng)

用MODIS數(shù)據(jù)，進行氣溶膠反演實驗，最后使用AERONET站點的氣溶膠地基

觀測數(shù)據(jù)和當(dāng)前的MODIS氣溶膠產(chǎn)品對反演結(jié)果進行了精度驗證和對比。

1 實驗部分

1.1 數(shù)據(jù)源介紹

MODIS是搭載在Terra和Equa衛(wèi)星上的一個重要傳感器，具有36個離散光譜

通道，能夠?qū)崿F(xiàn)從可見光波段到熱紅外波段全光譜范圍覆蓋(0.4～14.4 μm)，刈幅

寬為2 330 km。基于上述優(yōu)勢和特點，MODIS被廣泛應(yīng)用到地表、大氣和海洋

等多個方面，并業(yè)務(wù)化地提供了地表反射率、氣溶膠、冰雪云和土地覆蓋等多種全

球長時間序列標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。MODIS 1B為MODIS二級產(chǎn)品中的對地觀測數(shù)據(jù)，該

數(shù)據(jù)僅經(jīng)過儀器標(biāo)定，未經(jīng)過大氣校正。本文選擇空間分辨率為1 km的MODIS

L1B數(shù)據(jù)進行氣溶膠反演實驗。

1.2 衛(wèi)星反演方法

陸地氣溶膠反演的基本原理是利用植被在紅光和藍光波段較低的反射率，波長較短

且受大氣散射的影響較強，衛(wèi)星接收到的輻射能量對氣溶膠光學(xué)厚度敏感性較強這

一特點，實現(xiàn)氣溶膠反演。在假設(shè)地表朗伯體和大氣均一的條件下，衛(wèi)星接收到的

輻亮度值L可以表示為

L(τa，μs，μv，φ)=L0(τa，μs，μv，φ)+

μsF0T(τa，μs)T(τa，μv)

(1)

式中，μs和μv分別為太陽天頂角和觀測天頂角的余弦值，L0表示大氣程輻射，

ρs表示地表反射率，S為大氣下界的半球反照率，F0為大氣頂層太陽光的輻射亮

度密度，φ為相對方位角，T(μs)和T(μv)分別表示大氣下行透過率和大氣上行透過

率。其中輻亮度值與表觀反射率ρ*之間存在如式(2)關(guān)系

ρ*

(2)

上述兩式結(jié)合可得氣溶膠反演公式

ρ*(τa，μs，μv，φ)=ρ0(τa，μs，μv，φ)+

τa，μs)T(τa，μv)

(3)

可以看出，衛(wèi)星氣溶膠遙感本質(zhì)上利用衛(wèi)星輻射信息進行地氣解耦的過程，進行氣

溶膠反演，首先需要確定地表反射率。針對傳統(tǒng)的氣溶膠反演方法在不同地表上地

表反射率確定的問題，本文提出一種新的地表反射率確定思路，即將陸地表劃分為

暗地表和亮地表兩種典型區(qū)域，然后使用不同的方法確定地表反射率，以此提高氣

溶膠反演精度。

暗地表區(qū)域主要包括濃密植被地區(qū)，植被存在明顯的季節(jié)變化規(guī)律，在生長季，地

表反射率能夠在較短時間發(fā)生明顯的變化，相反在非生長季或者冬季，其地表反射

率可以保持長時間不變。研究發(fā)現(xiàn)，在濃密植被地區(qū)，藍光和紅光波段的地表反射

率整體較低，且與短波紅外波段存在較為明顯和穩(wěn)定的線性關(guān)系，同時，短波紅外

受大氣影響較低，其表觀反射率可近似為地表反射率，因此，可見光波段的地表反

射率可以通過與短波紅外表觀反射率的擬合關(guān)系計算得到，即暗目標(biāo)法。實驗驗證

表明該方法在暗地表地區(qū)具有較高的穩(wěn)定性，氣溶膠反演精度整體較高，因此，這

.21+0.002Θ

0.000 25Θ+0.033

(7)

其中ρ0.47, ρ0.66分別表示0.47和0.66 μm的地表反射率,,分別表示1.56和

2.13 μm的表觀反射率，Θ為散射角。

亮地表區(qū)域主要包括沙漠、干旱或半干旱地區(qū)、稀疏植被地區(qū)及城市等地區(qū)，該些

地區(qū)的地表反射率較高，與短波紅外波段不存在穩(wěn)定的關(guān)系，難以準(zhǔn)確估計，但是

該些地區(qū)的地表反射率受時間變化的影響較小，基本保持不變，且地表雙向反射特

性明顯弱于植被地區(qū)。通過使用6S模型模擬MODIS藍光波段的表觀反射率在不

同地表反射率下，隨氣溶膠光學(xué)厚度變化的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，即使地表反射率達到0.1以

上，兩者仍存在較為明顯的變化關(guān)系，因此，只要能夠較為準(zhǔn)確的確定其地表反射

率，就能實現(xiàn)在該地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度反演。在本文，基于在一個月時間內(nèi)，大

多數(shù)高亮地表地物的地表反射率變化很小或保持不變[14-15]，利用長時間序列的

MODIS L1B表觀反射率數(shù)據(jù)，使用最小值合成技術(shù)，構(gòu)建得到每月一幅清晰、受

大氣影響最小的表觀反射率數(shù)據(jù)集，并近似看作地表反射率，支持高亮地表氣溶膠

光學(xué)厚度反演。在構(gòu)建數(shù)據(jù)庫過程中，為了減小云陰影、山體陰影以及云污染的影

響，同時移除影像中的負值和無效值，使用倒數(shù)第二小值合成的方法對一個月內(nèi)所

有MODIS L1B表觀反射率數(shù)據(jù)進行月合成，得到該月份的地表反射率數(shù)據(jù)集。

對于氣溶膠類型，選擇能夠較為準(zhǔn)確描述北京地區(qū)氣溶膠微粒狀況的大陸型氣溶膠

[16]，提供并確定所需的散射相函數(shù)、單次散射反照率和不對稱因子等關(guān)鍵參數(shù)，

觀測幾何條件由MODIS L1B數(shù)據(jù)提供，而后利用MODIS光譜響應(yīng)函數(shù)應(yīng)用6S

模型分別構(gòu)建藍光波段和紅光波段的查找表，利用上述方法確定暗地表和亮地表區(qū)

域的地表反射率，應(yīng)用于MODIS L1B表觀反射率數(shù)據(jù)，進行氣溶膠反演。

1.3 精度驗證方法

本文選擇Aerosol Robotic Network (AERONET)站點的氣溶膠地基觀測數(shù)據(jù)對本

文氣溶膠反演結(jié)果進行精度驗證。衛(wèi)星反演得到的是550 nm處的氣溶膠光學(xué)厚

度，然而AERONET數(shù)據(jù)沒有提供該波長處的AOD觀測值，因此，為了實現(xiàn)兩者

匹配，使用?ngstr?m算法[式(8)]將440, 500或675 nm的AOD地基觀測數(shù)據(jù)，

插值到550 nm處[17]

AOD550=AODλ(550/λ)-α

(8)

式中，α為440～675nm處的?ngstr?m指數(shù)，λ為波長。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)上述氣溶膠光學(xué)厚度反演算法流程，以北京市為例，分別選擇2014年6月

—9月MODIS 1B數(shù)據(jù)，首先利用最小值合成技術(shù)構(gòu)建得到藍光和紅光兩個波段

6月—9月4幅月合成的表觀發(fā)射率數(shù)據(jù)，提供高亮地表的真實反射率數(shù)據(jù)，而后

除去云、雪等大氣影響的數(shù)據(jù)，然后進行氣溶膠光學(xué)厚度反演實驗。選擇北京站、

香河站、北京CAMS站和北京RADI站4個AERONET站點進行氣溶膠精度驗證。

為降低或減小大氣不穩(wěn)定、圖像中云像元干擾等狀況，選擇與地基站點坐標(biāo)相同的

反演結(jié)果對應(yīng)3×3領(lǐng)域內(nèi)氣溶膠反演結(jié)果的平均值作為氣溶膠反演值； 同時，以

衛(wèi)星過境時間為基準(zhǔn)，選取衛(wèi)星過境前后30 min內(nèi)所有AERONET站點氣溶膠觀

測值的平均值作為真實AOD值，對氣溶膠反演結(jié)果進行精度驗證。圖1為不同

AERONET站點氣溶膠反演值與實際觀測值的時間序列對比曲線圖，表1為精度驗

證統(tǒng)計結(jié)果。

圖1 北京地區(qū)氣溶膠反演結(jié)果與AERONET地基觀測值的時間序列圖Fig.1 Time

ries of retrieved AOD with AERONET ground-measurements in Beijing

由圖1可以看出，氣溶膠光學(xué)厚度的反演范圍為0～2，能夠滿足不同氣溶膠濃度

下，反演結(jié)果驗證的基本要求。驗證結(jié)果表明本文的氣溶膠反演結(jié)果與AERONET

地基觀測數(shù)據(jù)具有整體較高的一致性，兩者時間變化趨勢較為一致。整體來看，氣

溶膠反演結(jié)果整體略高于地面觀測值，原因是在高亮地表上，特別是城市中心區(qū)，

由于其地表反射率整體較高，地表反射率估計的不準(zhǔn)確性能夠帶來一定的誤差。在

氣溶膠濃度值較低時(AOD<0.5)，氣溶膠反演結(jié)果與實測值整體較為接近，絕對

誤差相對較小； 相反，在氣溶膠濃度值較大時(AOD>1.0)，本文算法反演得到的

氣溶膠結(jié)果與地基觀測數(shù)據(jù)仍然具有較高的吻合度，說明在空氣污染較為嚴(yán)重的情

況下，該方法仍然能夠以較高精度實現(xiàn)城市地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度反演。同時我們

可以看出，在夏季，AOD值高于1.0的天數(shù)較多，整體超過了三分之一，說明北

京地區(qū)面臨較為嚴(yán)重的空氣污染問題，因此，該算法對于城市空氣質(zhì)量監(jiān)測具有重

要的意義。

表1 北京地區(qū)氣溶膠反演結(jié)果驗證Table 1 Validation of AOD retrievals in

Beijing觀測站點觀測數(shù)目擬合方程相關(guān)系數(shù)絕對誤差相對誤差誤差線內(nèi)比重/%北

京站34y=0.914x+0.0680.9030.11935.5273.53香河站

42y=0.930x+0.0720.8650.16236.8770.83RADI站

28y=1.051x+0.0420.9300.09946.1775.00CAMS站

41y=0.889x+0.0880.9400.10432.9170.73總計

145y=0.931x+0.0690.9020.12137.5372.52

圖2 北京地區(qū)氣溶膠反演結(jié)果和MOD04氣溶膠產(chǎn)品空間分布圖Fig.2 Spatial

distributions of retrieved AOD and MOD04 AOD products over Beijing

統(tǒng)計結(jié)果得到，在北京、香河、北京RADI站和北京CAMS站四個站點共獲得有

效觀測點對分別為34，42，28和41對，點數(shù)少的原因主要是云污染的影響及缺

少地基觀測數(shù)據(jù)。線性回歸分析表明，在不同站點，氣溶膠反演結(jié)果與地基觀測數(shù)

據(jù)存在較高的一致性，相關(guān)系數(shù)分別為0.903，0.865，0.930和0.940，絕對誤

差整體較小，分別為0.119，0.162，0.099和0.104，相對誤差整體低于50%，

分別有73.53%，70.83%，75.00%和70.73%的氣溶膠觀測點對滿足MODIS DB

氣溶膠產(chǎn)品(10 km)在陸地上的誤差[±(0.05+20%)]精度要求。整體看來，本文氣

溶膠反演算法具有整體較高的反演精度，兩者具有較高的一致性(R2=0.902)，絕

對相對誤差為0.121，相對誤差為37.53%，有72.52%的反演結(jié)果滿足MODIS

誤差精度要求。可以說明本文提出的算法穩(wěn)定性較高，能夠以較高精度實現(xiàn)城市等

高亮地表的氣溶膠光學(xué)厚度，特別是在空氣污染嚴(yán)重的情況下。

為了進一步驗證本文算法的精度，選擇時相一致的北京地區(qū)MOD04氣溶膠產(chǎn)品

與本文氣溶膠反演結(jié)果進行精度對比與分析。分別選擇3副MODIS數(shù)據(jù)進行氣

溶膠空間分布狀況對比，影像獲取時間分別為2014年6月23日、2014年8月

15日和2014年9月5日，三幅影像氣溶膠空間分布具有一定的差異。圖2為本

文氣溶膠反演結(jié)果與MOD04氣溶膠產(chǎn)品空間分布對比圖，第一排為MODIS原

始真彩色合成圖(波段：3-4-1)，第二排為MOD04氣溶膠產(chǎn)品，第三排為本文氣

溶膠反演結(jié)果。由圖中可以看出，兩種氣溶膠反演結(jié)果在空間分布上具有較好的一

致性，北京地區(qū)氣溶膠空間分布規(guī)律明顯，在北京地區(qū)東北部植被覆蓋度較高的地

區(qū)，氣溶膠光學(xué)厚度整體較低； 相反在北京市中部及東南部等城市地區(qū)，氣溶膠

濃度值整體較高。然而，可以明顯看到MOD04氣溶膠產(chǎn)品由于較低的空間分辨

率(10 km)，氣溶膠空間分布較為粗糙，尤其在植被和城市地區(qū)的過渡地帶； 同時，

由于暗目標(biāo)法在城市中心等高亮地區(qū)的限制性，導(dǎo)致較為嚴(yán)重的缺失值現(xiàn)象，空間

連續(xù)性整體較差。相反，本文氣溶膠反演算法有效解決了傳統(tǒng)氣溶膠反演方法在城

市地區(qū)反演困難的問題，同時，與MOD04氣溶膠產(chǎn)品相比，本文氣溶膠反演結(jié)

果的空間分辨率(1 km)較高，空間連續(xù)性較好，能夠更細致、準(zhǔn)確描述城市地區(qū)

氣溶膠空間變化情況。然而，由于本文沒有進行云檢測和濾除，導(dǎo)致在部分地區(qū)呈

現(xiàn)異常的極值現(xiàn)象。為了定量化比較兩種產(chǎn)品的精度，分別獲取對應(yīng)時間的

AERONET站點的本文氣溶膠反演結(jié)果和MOD04氣溶膠產(chǎn)品，共獲得56對有效

點對，驗證結(jié)果表明(圖3)，與MOD04氣溶膠產(chǎn)品相比(R2=0.856，

RMSE=0.142)，本文氣溶膠反演結(jié)果與AERONET地基觀測數(shù)據(jù)具有更高的相關(guān)

性(R2=0.916)，均方根誤差更小(RMSE=0.111)，說明在北京地區(qū)，本文氣溶膠反

演算法精度整體優(yōu)于MOD04氣溶膠產(chǎn)品。

圖3 本氣溶膠反演結(jié)果(1 km)與MOD04氣溶膠產(chǎn)品(10 km)和AERONET AOD

觀測值間的精度對比Fig.3 Comparisons of common retrievals between our

AOD (1 km) with MOD04 AOD (10 km)products against AERONET AOD

measurements over Beijing

3 結(jié) 論

目前，針對不同衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)展了多種氣溶膠遙感反演方法，這些方法僅能夠?qū)饷?/span>

植被覆蓋、海洋等低地表反射率地區(qū)具有較高的反演精度，然而對于城市、沙漠等

稀疏植被覆蓋的高亮地表區(qū)域，氣溶膠反演面臨巨大挑戰(zhàn)，成為當(dāng)前氣溶膠遙感反

演的熱點。針對該問題，提出一種新的適用于高亮地表區(qū)域的氣溶膠反演方法，該

方法利用MODIS表現(xiàn)反射率數(shù)據(jù)構(gòu)建先驗地表反射率數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用6S輻射傳輸

模型，構(gòu)建不同幾何觀測條件、大氣模式、氣溶膠模式等條件下的查找表，選擇北

京市為研究區(qū)，使用MODIS 1B數(shù)據(jù)進行氣溶膠反演實驗。最后使用AERONET

地基觀測數(shù)據(jù)和MODIS氣溶膠產(chǎn)品對反演結(jié)果進行對比和精度驗證。結(jié)果表明，

氣溶膠反演結(jié)果與AERONET地基觀測具有較好一致性(R2=0.902)，能以較高精

度實現(xiàn)暗地表和亮地表地區(qū)的氣溶膠反演精度，同時，在空間連續(xù)性和細致性明顯

優(yōu)于MODIS氣溶膠產(chǎn)品。

References

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