1、基于 MODIS数据的城市地区气溶胶光学厚度遥感反演算法研究摘要: 气溶胶在地球大气辐射收支平衡和全球气候变化中扮演着非常重要的角色，气溶胶光学厚度作为其最重要的参数之一，是表征大气混浊度的重要物理量，也是确定气溶胶气候效应的一个关键因子，因此精确探测气溶胶光学厚度对于研究气候变化具有重要意义。与传统 的地基探测方法不同， 卫星遥感反演方法具有面积覆盖广、信息 获取方便、快捷等特点，能更高效地获取大气气溶胶信息， 摆脱了地基探测方法只是获取空间点上的数据，不能反映大区域气溶胶时空分布的缺点， 为 人们实时了解大区域范围内的气溶胶变化提供了可能。本文总结了国内外遥感反演气溶胶光学厚度的算法，并且
2、在具体的实践中把各种方法进行了比较。关键词: 遥感 反演算法 MODIS 大气气溶胶光学厚度1 绪论1.1 研究背景大气气溶胶是指悬浮在地球大气中的具有一定稳定性的，沉降速度小的，粒径范围在10-3um 到 10-2um 之间的分子团、固态或液态微粒所组成的分散体系，大气中悬浮着的各种固体和液体粒子，例如尘埃、烟粒、微生物、植物抱子和花粉，以及由水和冰组成的云雾滴、冰晶和雨雪等粒子，都是气溶胶。由于其在大气层中广泛的分布、短暂的生命期、巨大的空间变化、复杂的化学成分，以及对区域和全球气候重要的影响作用，已经成为大气科学领域研究的热点问题。随着全球经济的发展、城市规模的不断扩大和人口增长，区域和
3、全球尺度的大气环境问题正引起人类广泛的关注，人为活动产生的前体污染物、二次污染物和氧化物正在影响着或破坏着长期建立的生态平衡系统和大气化学组成，地球生态环境和人类生存正面临着威胁。光化学烟雾、酸雨、对流层臭氧增加、对流层臭氧减少、全球气候变暖、大气化学系统改变及其对生态、气候的影响是当今全球面临的前沿性环境问题 1。进入 20 世纪以来，世界人口越来越向城市集中，城市发展引起光化学烟雾、酸雨、生态环境恶化、生物多样性损失。环境恶化的问题，已经引起国际社会的严重关注 2。城市人口急剧增长，城市工业过度发展，机动车大量增加，空气污染已成为一个日益严重的问题，而其中突出表现在气溶胶污染 3。因此，对
4、这些环境问题进行快速、大范围、低成本、周期性动态监测就显得很有必要 4。当前大气气溶胶监测主要以地面监测为主，全国环境保护系统已有 2229 个环境监测站，其中 103 个站组成大气监测网，己有 248 个城市共建设了空气自动监测系统，113 个环保重点城市中已有 109 个实现环境空气质量日报，能够监测总悬浮颗粒物、降尘等项目，该监测网为我国大气环境质量监测、评估提供了大量数据，但由于网点分散，我国面积辽阔，仍然不能全面、连续动态的监测我国的环境质量状况，而遥感监测是实现这一目的的有效方式。与传统的地基探测方法不同，卫星遥感反演方法具有面积覆盖广、信息获取方便、快捷等特点，能更高效地获取大气
5、气溶胶信息，摆脱了地基探测方法只是获取空间点上的数据，不能反映大区域气溶胶时空分布的缺点，为人们实时了解大区域范围内的气溶胶变化提供了可能。1.2 气溶胶光学厚度研究的重要性气溶胶在地球辐射收支平衡和全球气候变化中扮演着重要的角色 6。气溶胶通过两种机制对气候变化产生影响，一方面，通过对太阳短波辐射的散射，调节地-气系统的反射率，导致地气系统的降温过程，同时，由于气溶胶的组成成分不同，对太阳短波辐射的吸收、散射作用不同，对某些吸收作用强的气溶胶，它可以导致地-气系统增温过程的发生 7；另一方面，气溶胶粒子作为云凝结核，可以使单位体积的云粒子数量增加、云滴半径减少，增加云的短波反射率，同时增加云
6、的生命时间，对地-气系统的辐射平衡产生影响 8。气溶胶光学厚度 9（Aerosol Optical Depth，AOD） ，是表征大气混浊度的重要物理量，也是确定气溶胶气候效应的一个关键因子。当前，使用遥感技术监测最多的是气溶胶的光学厚度，气溶胶的光学厚度是由气溶胶对光的吸收和散射特性产生的，主要以散射为主。气溶胶的散射，与粒子半径 r 的大小有关，通常以尺度参数 （式中 r 为粒子半2pra径， 为波长）作为判断标准将散射过程分为三类：瑞利散射，米氏散射和光学散射。气溶胶光学厚度是指沿辐射路径传输，单位面积上所有吸收和散射气溶胶产生的总削弱，是无量纲量。以公式表示为：（1-dlkdlk10e
7、x10ex或1）式中 分别是气溶胶吸收和散射的质量削弱系数和体积削弱系数， 为气溶胶exk和 密度，l 为大气厚度。气溶胶光学厚度代表了大气的光学特性，是大气辐射和大气光学中很重要的物理量。它反映了整层大气中颗粒物对太阳辐射的削弱程度，也就是反映了该大气层中颗粒物含量多少或空气污染程度。因此精确的探测气溶胶光学厚度具有重要的意义。1.3 国内外研究状况卫星遥感全球和区域环境是一个重大的前沿问题，正在取得广泛的进展。近 30 年来气溶胶光学厚度卫星遥感反演呈现多样化，反演 10所用的传感器向着多光谱、多角度、多偏振方向发展，基于不同传感器的气溶胶光学厚度产品众多，反演算法层出不穷，尤其是近年来国
8、内外涌现出了大量优秀的研究成果，显示了良好的发展前景。1.4 研究目的和背景1.4.1 城市地区气溶胶光学厚度遥感反演研究目的1.利用 MODIS 影像反映大区域气溶胶光学厚度分布差异的优势，通过算法的研究和比较，选取适宜的算法较为准确地反演区域尺度上的气溶胶光学厚度，为大范围动态监测气溶胶光学厚度提供参考。2.针对城市地区气溶胶光学厚度反演面临的困难，探讨城市地区气溶胶光学厚度的反演方法。1.4.2 城市地区气溶胶光学厚度遥感反演研究的意义由于大气中得气溶胶具有生命周期短暂性（通常只有几天的时间期） 、强烈的时间分布变化性和强烈的空间分布变化性，在目前的检测中存在如下难点,常规的地面检测尽管
9、具有独特的优势（如较高精度） ，但受到目前的经济以及自然条件等的限制，很难适应业务化的需要。卫星遥感技术的发展，特别是最近几年地球观测系统（EOS）的发展，为这一难题的解决提供了一个可行的方法。在气溶胶遥感反演过程中，尤其是城市地区气溶胶光学厚度的反演过程中面临着两个问题：（1） 城市地区地表反射率确定困难城市地区地表类型复杂，包括水泥建筑物、柏油马路、植被、水体和裸体多种地表类型，地表反射率的精确确定非常困难；城市地区的地表结构复杂，地表的二向反射特性非常明显，尤其对于分辨率相对较低的宽幅覆盖图像，比如 MODIS、MISR 等，传感器天顶角、太阳高度等几何参数的变化，也会引起城市地表反射率
10、的强烈变化，这给地表反射率的确定带来了极大的困难。（2） 较高的地表反射率使得城市气溶胶对地表反射率的变化不敏感城市地区的反射率较高，对于高地表反射率像元，辐射值对气溶胶的变化不敏感，因此城市地区气溶胶光学厚度的反演非常困难。因此，利用卫星观测技术对城市地区开展定量反演研究就显得意义重大，不但监测费用低、范围广、时相较高，而且有利于空间分析。尽管 MODIS 的地面分辨率低，但是MODIS 卫星遥感器回访率高，同一地区每天至少可获得至少昼夜两幅图像，图像景宽达2230km。因此，在大尺度区域资源环境动态监测方面有极高的利用价值。2 气溶胶光学厚度遥感反演理论2.1 遥感反演 AOD 理论基础卫
11、星遥感气溶胶的理论研究始于 70 年代中期，目前利用 AVHRR 可见光通道遥感海洋上空气溶胶已作为 NOAA 的业务运行，每周提供一次全球海上 AOD 分布图，用来分析全球海上气溶胶的分布特征 11。近年来，随着对气溶胶特性认识的不断深入，利用卫星遥感 AOD 得到不断的发展，各种传感器包括多光谱、多角度、偏振、成像扫描等功能的应用将对遥感气溶胶光学特性提供更加全面的信息。2.2 遥感反演 AOD 基本原理卫星遥感反演大气气溶胶是基于卫星传感器探测到的大气上界的表现反射率 ，可以由下式 12表示：（2-sFL1）其中，L 为卫星传感器探测到的辐射亮度，F 为大气上界太阳辐射通量，s（ 为太阳
12、天顶角） 。 与地表二向反射率之间的关系为：ssco(2-2) S-1TFVdVSVaSV ）（）（），（），（），（其中, 是传感器天顶角, 是太阳天顶角, 为相对方位角(由太阳方位角 和卫星S S方位角 确定); 是路径辐射(与地表状况无关,是由大气分子和气溶胶的V），（ Va散射造成的); 是在地表反射率归一化为零时总的向下辐射通量,等价于总的向下透）（ SdF过率,由于气溶胶和分子对太阳的吸收和后向散射作用,它的值小于 1.0;T( )是向上进入V卫星传感器视场方向的总透过率,S 是大气后向散射比, 是在观测角和入射角上平均的地表反射率。在单次散射近似中，路径辐射与气溶胶光学厚度 、气
13、溶胶散射相函数a和单次散射反射率 成比例：）（ ,VaS 0（2-SVa0SVmSVa 4P ），（），（），（ 3） 式中， 是由于分子散射造成的路径辐射（取决于大气模式） ， 和），（ SVm V分别是传感器和太阳天顶角的余弦。式（2-2）中， ，T 和 S 也取决于 ，S ）（ SdF）（ V0和 。假设地表为朗伯体,式（2-3）代入式（2-2）得： a），（ SV+ ），（），（ SVmSVa04P），（2-),(1PTF0 a0adSV ），（），（），（4）式中， 为朗伯特性的地表反射率。由式（2-4）可以看出，卫星传感），（ SV器探测的表现反射率 既是气溶胶光学厚度 的函数，又
14、是地表反射率），（ a的函数 13。地表的表现反射率 ） ，太阳和传感器的几何参数），（ SV ，（ SV通过卫星遥感资料可以得到。若知道了地表反射率。并给定了一个能提供），（ 和 参数的相关气溶胶模式和大气模式，理论上就可以反演得到其上空0），（ SVaP得气溶胶光学厚度 ；反过来，若已知地面上空气气溶胶光学厚度 、气溶胶类型（气溶a a胶模式）和大气模式，也可以反演出地面的地表反射率 。），（ V根据式（2-2）,反演气溶胶光学厚度的的最佳条件：暗地表（即选择地表反射率较低的地区） ，短波长（即选择波长较短的光谱波段） 。对于地表反射率很低的情况，气溶胶散射引起的路径辐射（式 2-2 中右
15、边第一项）对），（ 06.SV起主要作用，反演气溶胶光学厚度的误差较小；对于地表反射率较大的情），（况，地表贡献（式 2-4 中右边第二项）对表现反射率 起作用，反演精度较），（ SV低。而用于气溶胶反演得 MODIS 光谱是分辨率为 250mm 的 1 波段（620-670mm） ，500m 的 3波段（459-479mm）和 7 波段（2105-2155mm） ，满足短波长的条件。利用 MODIS 资料反演 AOD 有两个难点：地表反射率和气溶胶模式的确定。解决这两个难点也是进行反演陆地气溶胶光学厚度的前提条件。3 遥感反演 AOD算法总结目前有很多方法利用卫星遥感来反演气溶胶光学厚度 1
16、415，概括卫星遥感气溶胶的方法，包括单通道反射比、多通道反射比、密集植被暗背景、陆地上空对比度降低、海陆对比及单次散射反射率的反演、多角度成像偏振和陆地粒子谱的反演、热辐射对比、用于TOMS 资料的紫外方法等。目前比较有代表性的气溶胶光学厚度反演算法主要有两种：通过路径辐射项求气溶胶光学厚度的暗像元 16（Dense Dark Vegetation，DDV）算法，和通过透过率求取气溶胶光学厚度的对比（Contrast Reduction，CR ）算法。下面介绍几种主要的气溶胶反演算法。3.1 暗像元算法陆地上的稠密植被、湿土壤及水体覆盖区在可见光波段反射率很低，在卫星图像上称为暗像元。模拟及
17、观测研究表明，在晴空无云的暗像元上空，卫星观测反射率随大气气溶胶光学厚度单调增加，利用这种关系反演大气气溶胶光学厚度的算法，成为暗像元方法，是由 Kaufman 和 Sendra 反演稠密植被上空气溶胶光学厚度建立的。暗像元方法利用大多数陆表在红（0.60-0.68um）和蓝（0.40-0.48um）波段反射率低的特性，根据归一化植被指数（NDVI ）或近红外通道（ 2.1um）反射率进行暗像元判识，并依据一定的关系假定这些暗像元在可见光红或蓝通道的地表反射率，用于反演气溶胶光学厚度 17。暗像元算法基于表现反射率的大气贡献项，即利用卫星观测的路径辐射反演气溶胶光学厚度。它是目前陆地上空气溶胶
18、遥感应用最为广泛的算法。3.2 大气透过率法大气透过率法是算出若干幅图像透过率的比值，然后以此为前提进而推求 AOT，此法的原理如下：一个特定像元周围一定距离内的所有的像元决定了透过率的变化，相邻像元的辐射亮度的变化值和地表实际的反射率的变化值具有如下关系：（3-2asdvajivsaji )(1FTL S），（），（），（1）（3-1）式中是相邻像元的平均反射率。如果在一组图像（这组图像当中必须包含了一张比较清晰的图像）上应用此方法，通过这幅较清晰的图像估计出 AOT 后进而计算实际 ，然后根据（3-1）式计算其余图像的jiAOT。3.3 反差法在早期研究陆地污染时就已经开始采用反差法来反演
19、气溶胶，反差法采用可见光、红、蓝波段遥感数据。此方法是基于以下假设的：一段时间内研究区地表反射率不发生变化，然后选用一个清洁日，并以清洁日为基础来反演污染日的 AOT。1990 年 Kaufman 提出一种几何平均质量粒径反演的方法 18，气溶胶的粒子谱信息包含于暗地表上行辐射波谱信息中，根据 Kaufman 的观点：当气溶胶浓度增大时，污染日的大气气溶胶光学厚度比清洁日的光学厚度要大得多，而当污染的产生主要由一种物理或化学机制引发的，清洁日和污染日气溶胶浓度的差值可以用一个单模态来描述。Kaufman 等提出了一种同步得到几何平均质量粒径、大气气溶胶光学厚度和单次散射反照率的方法。这种方法基
20、于清洁日和污染日向上辐射差值（传感器接受的）来反演气溶胶特性，基于这种方法他们对森林火灾烟尘的特性进行了反演研究。用近似的方法由清洁日和污染日的红通道、蓝通道和近红外通道的表现反射率的差值来同步反演几何平均质量粒径以及 AOT。3.4 结构函数法暗像元方法在反演下垫面为城市或裸地上空大气气溶胶时有一定的局限性,它不适用于暗目标不容易找到的地区,结构函数法就弥补了这一缺陷，对亮地表同样适用。结构函数法是由 Tanr 最先提出的,它的反演原理是基于表观反射率地表贡献项来反演气溶胶光学厚度。Tanr 等用这种方法利用 TM 数据对撒哈拉沙漠沙尘气溶胶的光学厚度进行了反演。Tanre 19和Holbe
21、n 在用对比方法对气溶胶进行反演时,成功引入结构函数并运用于气溶胶光学厚度反演,克服了确定地表反射率的困难。结构函数法弥补了暗像元法不适用于干旱、半干旱地区以及城市等亮地表区域的缺陷。另外，除了上述算法外还有双星数据协同反演算法、气溶胶光学特性偏振遥感反演算法等算法。a、双星数据协同反演算法地表反射在探测气溶胶特性过程中影响很大，如何去除地表反射的影响是必须考虑的问题。同时反演大气参数以及地表特性是未来发展趋势。唐家奎等便利用 NASA 双星数据(TERRA 星和 AQUA 星)，提出双星协同反演算法（SYNTAM-Synergy of Terra andAqua MODIS） 。该算法实现了
22、地表反射率与 AOT 的同步反演，对各种下垫面类型（包括城市下垫面等亮地表区域）都有一定的适用性 20。b、偏振特性遥感利用电磁波的偏振特性反演地表及大气参数的研究在国际上起步较晚，而我国这方面的研究还处于起步阶段。电磁波偏振特性用于遥感反演是对遥感反演研究的一个非常有意义的补充，在可见光波段，地表对电磁波偏振辐射的贡献一般很小，主要是大气分子和大气气溶胶粒子的贡献，因为大气分子的贡献不变，利用模型可以进行计算，所以可以利用偏振特性进行大气气溶胶的反演。3.5 遥感反演 AOD 算法的比较以上提到的各种算法各有优缺点。但无论那种算法都是基于某种假设或者需要提前获得先验知识来将模型简化，所以各个
23、算法有各自的适用性。暗像元法(DDV)适用于有暗地表存在的区域而且事先需要确定大气气溶胶的类型，对于城市等亮地表区域则不太适用。而且暗像元法的估算结果往往受到对地表反射率估计值的高低的影响，在大气表观反射率确定的情况下，低估地表反射率将导致气溶胶光学厚度值偏高，高估地表反射率导致气溶胶光学厚度值偏低。在利用此方法反演 AOT 时，大气吸收作用越强，误差就会越大。在采用结构函数法进行 AOT 的反演时同样要求对气溶胶类型做出合理假设，而且反演通道的选择也至关重要，相对于暗像元法结构函数法对气溶胶类型更具适应性。偏振特性遥感用于反演气溶胶的优点在于：极化辐射对地表反射率具有较小的敏感性,而对气溶胶
24、粒子的有效粒径和折射率具有极高的敏感性。缺点在于此方法假定气溶胶粒子是均一的球形，而实际气溶胶粒子是非均一球形的,其偏振特性与此方法假定的气溶胶特性不一致，加之地表偏振特性的影响,所以此方法在应用上存在局限性。总之，由于地表复杂的几何特性和物理化学特性，进行完全意义上的反演是非常困难的，很难找到一种万能的算法，适用于任何一种地表特性，这是由遥感反演是先天病态特点决定的参考文献1 Seinfeld，J.H. Atmospheric Chemistry and Physics：From Air Pollution to Climate Change.New York，1998,700-703.2
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