1、 南阳师范学院 20XX 届毕业生毕业论文（设计）题 目：基于 TM 资料估算丹江口水库及其周边的气溶胶参数完 成 人： 班 级： 学 制： 专 业： 地理信息系统 指导教师： 完成日期： 目 录摘要 （1）0 引言 （1）1 问题分析 （1）1.1 研究现状 （1）1.2 研究区概况 （2）2 数据准备 （2） 2.1 数据简介 （2）2.2 遥感数据资料 （3）3 算法描述与参数分析 （3）3.1 利用清洁水体像元法来估算气溶胶参数 （3）3.2 确定绿光波段的气溶胶参数 （7）4 结论分析与讨论 （7）4.1 创新之处 （7）4.2 存在的问题与展望 （7）参考文献 （9）Abstrac
2、t （10）第 1 页（ 共 15 页）基于 TM 资料估算丹江口水库及其周边的气溶胶参数摘要：利用 2007 年 9 月 15 日丹江口水库地区 Landsat5 的 TM 影像通过清洁水体像元法来估算气溶胶参数。结果表明通过该方法所得到的气溶胶参数可以很好的除去大气中的程辐射（path radiance）对遥感图像的影响，它将暗目标像元的地表辐射值赋了一个很低的值，但不是零，从而减少“零”假设带来的误差，有效的校正了大气的影响。关键词： 丹江口；遥感；TM 影像；大气气溶胶；气溶胶参数0 引言气溶胶（Aerosol）是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系，它们能作为水滴和冰晶的凝结核、太阳辐射
3、的吸收体和散射体，同时参与各种化学循环，是大气的重要组成部分。气溶胶按其来源可分为一次气溶胶（以微粒形式直接从发生源进入大气）和二次气溶胶（在大气中由一次污染物转化而生成）两种。它们可以来自被风扬起的细灰和微尘、海水溅沫蒸发而成的盐粒、火山爆发的散落物以及森林燃烧的烟尘等天然源，也可以来自化石和非化石燃料的燃烧、交通运输以及各种工业排放的烟尘等人为源。气溶胶对环境与气候有着重要的意义大气气溶胶能够影响地气系统辐射平衡,是大气污染和气候变化研究中的重要因子之一。在遥感方面，气溶胶较大的时空变化特性使它成为决定遥感精度的关键因子和空间遥感器发射前后定标的重要角色 1。气溶胶光学厚度（Aerosol
4、 Optical Depth，AOD）和气溶胶有效半径（effective radii of aerosol ，AER）是描述气溶胶特性的两个主要参数 2。1 问题分析1.1 研究现状第 2 页 （共 15 页）目前对气溶胶参数的研究大多集中在气溶胶的光学厚度、特征分析和产品应用。如：毛节泰等做的 MODIS 卫星遥感北京地区气溶胶光学厚度及与地面光度计遥感的对比 3；李成才等做的利用 EOS 卫星上 MODIS 传感器遥感大气气溶胶光学厚度（AOD） 的研究 4；肖钏湧等做的利用 MODIS 遥感数据反演广州气溶胶光学厚度 5；吴序鹏等做的塔克拉玛干沙漠地区气溶胶光学厚度卫星遥感产品验证 6
5、；邓学良等做的卫星遥感中国海域气溶胶特征分析 7。以上这些研究大都基于 MODIS 数据进行的，而使用 TM 数据进行气溶胶研究尤其是对气溶胶参数的研究情况较少。基于这种现状，本文以丹江口水库及其周边地区为研究区，以 TM 数据为基础，来估算气溶胶参数，以期为其他地区的水体开展遥感影像反演气溶胶参数研究提供参考。1.2 研究区概况丹江口水库，是亚洲第一大人工淡水湖、国家南水北调中线工程水源地、国家一级水源保护区、中国重要的湿地保护区、国家级生态文明示范区。丹江口水库位于汉江中上游，由 1973 年建成的丹江口大坝下闸蓄水后形成，横跨鄂、豫两省，由汉江库区和丹江库区组成。丹江口水库多年平均入库水
6、量为 3948 亿立方米，水源的98%来自于汉江上游的干支流，2%来自汉江的支流丹江。水库多年平均面积 700 多平方公里，2012 年丹江口大坝加高后，水域面积将达1022.75 平方公里，蓄水量达 290.5 亿立方米，被誉为“亚洲天池”。丹江口水库水质连续 25 年稳定在国家二类以上标准，水质保持优良。丹江口水库为南水北调中线工程的取水源头，研究其气溶胶参数有助于更好的监测丹江口水库及其周围地区的环境。2 数据准备2.1 数据简介TM 影像是指美国陆地卫星 45 号专题制图仪（thematic mapper）所获取的多波段扫描影像。有 7 个波段，其波谱范围：TM-第 3 页 （共 15
7、 页）1 为 0.450.52 微米，TM2 为 0.520.60 微米，TM3 为0.630.69 微米，第 4 页 （共 15 页）以上为可见光波段；TM-4 为 0.760.90 微米，为近红外波段；TM-5 为 1.551.75 微米，TM-7 为 2.082.35 微米，为中红外波段；TM-6 为 10.4012.50 微米，为热红外波段。影像空间分辨率除热红外波段为 120 米外，其余均为 30 米，像幅 185185 。每波段2km像元数达 61662 个（TM-6 为 15422 个）。一景 TM 影像总信息量为230 兆字节），约相当于 MSS 影像的 7 倍。因 TM 影像
8、具较高空间分辨率、波谱分辨率、极为丰富的信息量和较高定位精度，成为世界各国广泛应用的重要的地球资源与环境遥感数据源。本方所采用的清洁水体像元法就是基于图像信息来获取大气参数的方法之一。2.1 遥感数据资料在相关网站（http:/glovis.usgs.gov/）上下载了 2007 年 9月 15 日的丹江口水库及其周围地区的 TM 影像并下载了相关的头文件。3 算法描述与参数分析3.1 利用清洁水体像元法来估算气溶胶参数通过 TM 的中红外波段（Band7，2.215）来确定清洁水体像元。相对于可见光波段，中红外波段对气溶胶散射不敏感，但依然对地表特征敏感。因此，TM 中红外波段被用来确定清洁
9、水体像元。忽略中红外波段的气溶胶散射，利用式（2-1）来计算中红外波段的离水辐射率 Lw（ 1） 8。11t()L1tr（ ） =()-L()（2-1） 其中 为辐亮度，其值由公式（ 2-2）可以得到 t1L()（2-GainDNBisA2）第 5 页 （共 15 页）式中，Gain 为增益，Bias 为偏置，其值可从 Landsat TM 数据头文件获取，见（表 1）表 1 Landsat5 的增益和偏置取值 91984 年 3 月 1 日2003 年 5 月 4 日 2003 年 5 月 4 日后波段增益 偏置 增益 偏置1 0.6024 -1.52 0.7628 -1.522 1.175
10、1 -2.84 1.4425 -2.843 0.8058 -1.17 1.0399 -1.174 0.8145 -1.51 0.8726 -1.515 0.1081 -0.37 0.1199 -0.376 0.0551 1.2378 0.0551 1.23787 0.057 -0.15 0.0653 -0.15为瑞利散射其值可根据下式（2-3）计算 10：L（2-01()()()()()4rOZR RETPP3）式中，E O是波长为 的大气上界太阳辐照度，它随着日地距离的变化而变化，通过 EO（）=Eos/d 2计算，其中 d 为单位日地距离，Eos 为标准太阳辐照度。 和 Eos 可以从 L
11、andsat5 TM 参考手册中获取（见表 2） 。日地距离则需要根据 TM 影像获取的时间来从 USGS给出的日地距离参数表查到（见表 3） 。表 2 TM 图像辐射定参数及大气顶部太阳辐照度 11Band LmaxinGAINBISandwithESUNTM1 1.26880 -0.0100 0.71081 -1.42857 0.07 1957.00TM2 2.98126 0.0232 1.46140 -2.90000 0.08 1826.00TM3 1.76186 -0.0078 1.15154 -1.30000 0.06 1554.00TM4 2.81771 -0.0193 0.789
12、27 -1.37857 0.14 1036.00TM5 0.65277 -0.0080 0.12799 -0.40000 0.20 215.00TM7 0.44375 -0.0040 0.06445 -0.14815 0.27 80.67表 3 日地距离参数查找表 12日数 距离 日数 距离 日数 距离1 0.9832 121 1.0076 242 1.009215 0.9836 135 1.0109 258 1.005732 0.9853 152 1.014 274 1.0011第 6 页 （共 15 页）46 0.9878 166 1.0158 288 0.997260 0.9909 18
13、2 1.0167 305 0.992574 0.9945 196 1.0165 319 0.989291 0.9993 213 1.0149 335 0.9860106 1.0033 227 1.0128 349 0.9843365 0.9833注：日数是儒略日由于本次研究所用的 TM 影像获取日期为 2007 年 9 月 15 日，所以根据上表推算出当日的日地距离为 1.0110，无量纲。第 7 波段的标准太阳辐照度为 80.67 。据此可以算出 的值为2/WmA()OE78.92412 2/mATOZ是臭氧上行和下行总透射率，这个可以由公式（2-4）计算：TOZ（）=exp OZ（） （1
14、/+1/ O） （2-4）式中， O和 分别为太阳天顶角和卫星天顶角的余弦， OZ为臭氧的光学厚度，是波长和时相的函数， OZ（）=O O3。 O 是臭氧的吸收系数，O 3是臭氧浓度（atm-cm） 。第 7波段 的值为 013。()OZ R是瑞利光学厚度，可以写成波长和海拔的函数（2-5）：R（ ，h 0） =Hr（h 0）0.00859 -4（1+0.0113-2+0.00013 -4） （2-5）其中， 为波段的中心波长，单位为 m, ,h0 为海拔 ，单位为 km.丹江口大坝加200Hr(h)=exp(-.18h-.1)高以后，水库正常蓄水位将从 157 米提 高至 170 米 14,
15、基于此，本文将海拔高度定为 165m,也即 0.165km。所得到的 的值为0()Hrh0.98056km, 也即 的值为 0.0003507 。R0(,)h/mk和 分别为入射光和反射光的瑞利相位函数，计算公P（ ） （ ）式如下：（2-23()1cos)4RP6）第 7 页 （共 15 页）（2-203()1(2cos)4RP7）式中， 和 分别为入射光和反射光散射相位角，分别用式（2-8）和式（2-9）计算：（2-000coscosinsco()8）（2-000cscsisc()9）式中 ， 分别为太阳的天顶角和方位角， ， 分别为卫星的0天顶角和方位角，从 Landsat TM 数据头
16、文件中获取，= ， = ； = , 值不存在。所以036.415o0o14.6970o=0.80474。由cos第 8 页 （共 15 页）于对反射光的瑞利散射强度还受菲涅耳（Fresnel）反射率（2-10）的影响：()x（2-221()12()()xymxxy10）式中，x= ； ，m 为水的折射系数，本文取平静0,2(1)yx水面水的折射系数值为 1.331516。由前述数据可得出=0.02006， =0.02264。 为大气上行透射率，可以根据()0()t()式 （2-11）计算得到： （2-()exp()/2()/cosROZt11） 根据前述的数据可以很容易到出 的值为 0.999
17、83 ()t根据 TM 中红外波段的离水辐射率图像和表 3 给出的定义，把研究区分为清洁水体、一般水体和非水体像元。表 3 基于 TM 中红外波段的水体像元类型的定义1()L1.0水体像元类型 清洁水体像元 一般水体像元 非水体像元根据（2-1）和（2-11）公式可以得到 TM 中红外波段的离水辐射率图像，见图 1第 9 页 （共 15 页）图 1 TM 中红外波段的离水辐射率图像 图 2 丹江口 TM 图像的清洁水体像元分布第 10 页 （共 15 页）根据表 3 水体分类标准，从图 1 可以看出清洁水体主要分布在丹江口水库中心北部，西北部和东部。需要说明的是由于受到图像分辨率的影响，很多零
18、散的清洁水体在图 2 中没有显示出来。3.2 确定绿光波段的气溶胶参数清洁水体在绿光波段的离水辐射 相对稳定。清洁水体在绿0(56)L光波段的气溶胶散射 可以用公式（2-12 ）来计算 17：056aL（2-000()()()()atr12） 取第二波段的中心波长为 =0.56 ，GAIN=1.4425 ，BIAS=-2.84 并m由公式（2-1）到（2-11）可以得 =17.24873， ，由于受到周边0(56)rL城镇的影响，丹江口水库区域内的气溶胶分布并不是水平均匀分布的，因此在 TM 影像第二波段的丹江口水库研究区，选取四个点，DN值分别为 3、4、5、6，利用上述公式（2-12）计算
19、得到它们的绿光波段的气溶胶参数分别为 1.20092、1.09101、0.71342、0.87119，取其平均值为 0.969135。至此绿光波段的气溶胶参数就计算来了。4 结论分析与讨论4.1 创新之处与前人的研究相比较而言，本文的主要创新之处有两点：第一，是研究区的创新，根据南水北调中线工程的计划进度，2014 年秋后，丹江口水库将向河南、河北、北京、天津 4 省市沿线地区的 20 多座城市，提供生活和生产用水。将这一地区做为研究区既能为该地区的大气校正提供一定的参数依据又弥补了该地区缺乏具体的基于图像信息来获取的大气参数。第二，数据的创新，前人对气溶胶的研究大都以 MODIS 的影像为基
20、础对不同的地区进行研究，而使用 TM 影第 11 页 （共 15 页）像做为基础研究数据的较少，本方所做的基于 TM 影像的研究在数据方面也有一定的创新。4.2 存在的问题与展望由于大气中的气溶胶变化较快,在不同的时间段不同的时刻气溶胶光学厚度的变化也比较大，本方所采用的 TM 影像为 2007 年的，由此得到的参数对研究现在的丹江口水库及其周围地区的气溶胶状况有一定的偏差，只能做为参考值。随着近年来各种高分辨率和高定标精度探测器的出现, 气溶胶遥感已形成一个非常丰富的体系。由遥感图像信息所获得的气溶胶参数也越来越接近地面的实测值。卫星遥感产品也从反演气溶胶光学厚度, 发展到了反演气溶胶粒子谱
21、分布、折射率指数及气溶胶类型。这对全面、深入地研究气溶胶提供了丰富的信息。未来的目标是实现最大程度的地基遥感与空基遥感相结合, 探测更大范围的气溶胶光学特性。同时, 比较分析不同的气溶胶遥感方法和结果 , 配合地面同步观测, 为卫星反演提供评价和检验依据。随着更先进的传感器投入使用, 将会提供更多的地表和大气的信息 , 将有助于地表反射率和气溶胶光学厚度的联合反演。 进而能更加精确的估算大气参数，提高遥感图像的大气较正精度。参 考 文 献1 李正强 ,赵凤生,赵崴,等.黄海海域气溶胶光学厚度测量研究J. 量子电子学报,2003,20(5): 635 640.2 王峰,王世新,周艺, 等. 一种
22、基于 MOD IS 影像反演太湖类水体上空气溶胶参数的算法J. 环境科学学报 ,2009, 29 (11): 22592266.3 毛节泰 , 李成才, 张军华,等. MOD IS卫星遥感北京地区气溶胶光学厚度及与地面光度计的对比 J .应用气象学报, 2002, 13( Suppl): 127135.4 李成才 , 毛节泰, 刘启汉,等. 利用MODIS 研究中国东部地区气溶胶光学厚度的分布和季节变化特征.科学通报,2003,48: 20942100.5 肖钟湧，江洪，陈健，张秀英，彭少麟.用MODIS遥感数据反演广州市气溶胶光学厚度.中国环境科学 .2010，30（5）：577584.第
23、12 页 （共 15 页）6 吴序鹏，杨军，车慧正，等塔克拉玛干沙漠地区气溶胶光学厚度卫星遥感产品验证J 气候与环境研究， 17（2）：149159.溶胶特征分析, 遥感学报.2012，14（2） : 294312.7邓学良, 何冬燕, 潘德炉, 孙照渤. 卫星遥感中国海域气溶胶特征分析, 遥感学报.2010, 14(2): 294312.8冯学智,肖鹏峰,赵书河等.遥感数字图像处理与应用.北京：商务印书馆.2011：7887.9韦玉春，汤国安，杨昕等.遥感数字图像处理教程.北京：科学出版社,2007:101.10冯学智,肖鹏峰,赵书河等.遥感数字图像处理与应用.北京：商务印书馆.2011：7
24、887.11 徐春燕，冯学智 .TM图像大气校正及其对地物光谱响应特征的影响分析.南京大学学报（自然科学）.2007,43（3）:30931712 韦玉春，汤国安，杨昕等.遥感数字图像处理教程.北京：科学出版社,2007:101.13冯学智,肖鹏峰,赵书河等.遥感数字图像处理与应用.北京：商务印书馆.2011：7887.14百度百科：丹江口水库。http:/ algorithm of aerosol properties based on remote sensing by TM imagery in the Danjiangkuo Reservoir第 13 页 （共 15 页）Abstra
25、ct:Use on September 15, 2007 Landsat5 danjiangkou reservoir region through the TM images of clean water like the element method to estimate parameters of aerosol. Results show that through aerosol parameters can be obtained by this method is very good to remove atmospheric path radiation （path radia
26、nce） influence on remote sensing image, it will be dark target pixels, the surface radiation value on a very low value, but not zero, thus reducing the error brought by the “zero“ hypothesis, the effective correction for the effect of the atmosphere.Key words：Danjiangkou; Remote sensing; TM image; Atmospheric aerosol; Aerosol parameters
