基于6S模型成都平原氣溶膠光學厚度反演應用

董智慧，苗 放，葉成名，饒玫瑰，楊秋玲 （成都理工大學地球物理學院，四川成都610059）

成都平原位于四川盆地的西部，是西南地區文化和經濟中心，近年來成都平原經濟發展取得了令人矚目的成就。但是在經濟高速發展的同時也帶來了環境問題，大氣污染日趨嚴重，嚴重威脅人類健康，因而對大氣環境的治理刻不容緩。氣溶膠是懸浮在地球大氣中具有一定穩定性的沉降速度小的分子團，粒徑范圍約為10-3～10-2μm，是大氣環境的重要組成成分。氣溶膠污染作為大氣污染的重要組成部分，對其監測是有效治理大氣污染必須解決的問題。氣溶膠光學厚度是氣溶膠的光學屬性之一，是表征大氣渾濁度的重要物理量，也是確定氣溶膠氣候效應的關鍵因子。氣溶膠光學厚度反映了整層大氣中顆粒對太陽輻射的削弱程度，即空氣污染程度。筆者利用2009年8月到2010年5月MODIS（Moderateresolufion Imaging Spectroradiometer，中分辨率成像光譜儀）衛星遙感影像數據，借助6S輻射傳輸模型，采用暗像元法，對成都平原地區氣溶膠光學厚度進行反演，分析其時空分布，為成都平原地區大氣污染監控和治理提供依據。

1 反演方法與流程

1.1 反演原理

氣溶膠粒子對入射輻射的散射和吸收作用可以使入射輻射的性質和強度發生變化，通過測量入射輻射的變化來反演氣溶膠粒子特性，上述過程即遙感氣溶膠原理[1]。利用遙感方法可以直接得到氣溶膠輻射特性，并用于氣候研究過程。

衛星遙感反演大氣氣溶膠基于衛星傳感器觀測的大氣上界的表觀反射率（L為大氣上界輻射；F為大氣外界太陽輻射通量；μs為太陽天頂角的余弦），ρ＊與地表雙向反射率特性之間的關系如下[2]：

式中，θv、θs分別為衛星天頂角和太陽天頂角；φ為由太陽方位角和衛星方位角確定的相對方位角；ρm（θv，θs，φ）為分子散射造成的路徑輻射；ω0為單次散射反射率；τa為氣溶膠光學厚度；Pa（θv，θs，φ）為大氣分子和氣溶膠的散射造成路徑輻射；μv、μs分別為衛星天頂角和太陽天頂角的余弦；ρ′為地面反射率；Fd（θs，ω0，τa，Pa）為在地表反射率歸一化為零時總的向下輻射通量；T（θv，ω0，τa，Pa）是向上進入衛星傳感器視場方向的總透過率；S（ω0，τa，Pa）為大氣后向散射比。

由式（1）可知，若知道太陽和衛星的觀測角與方位角、氣溶膠光學厚度、觀測地點的氣溶膠模式和地表反射率，在理論上就能夠計算出大氣上界觀測輻射ρ＊。若θv、θs、φ、ω0、Pa、ρ′為固定值，對于一系列變化的τa，即可計算出一系列不同的ρ＊，如果計算得到的ρ＊與傳感器實際測量的大氣上界的陸地表觀反射率相等，則用于計算的τa可以被認為是所要反演求得的氣溶膠光學厚度[3]。

1.2 反演方法

1）6S輻射傳輸模型 6S輻射傳輸模型主要用來模擬無云 （晴空）天氣條件下，在太陽光波段內（0.25～4.0μm）衛星傳感器理論上應接收到的輻射值，不但能較合理地處理空氣分子和氣溶膠的散射和吸收，而且還能產生連續光譜，避免在光譜反演中產生較大的定量誤差。該模型充分利用了分析表達式和預選大氣模式，從而使計算時間大為縮短[4]。

2）反演方法 由反演原理可知，對于比較短的波長和比較低的地表反射率 （ρ≤0.06），路徑輻射對ρ＊貢獻比較大，反演氣溶膠光學厚度的誤差比較小[5]。MODIS影像的1波段 （0.66μm）、3波段（0.47μm）和7波段 （2.1μm）滿足短波長條件且通道寬度窄，能很好地訂正大氣氣體吸收不確定性對氣溶膠遙感的影響，具有遙感反演氣溶膠的能力。

Kaufman等[6]建立的暗像元算法是目前陸地上空氣溶膠遙感應用最為廣泛和較為有效的算法。Kaufman認為2.1μm波段在地表反射率較低的情況下，受大氣氣溶膠的影響很小，所以在暗地表區域可以將衛星觀測的2.1μm附近的波段表觀反射率值近似認為是地表反射率值。Kaufman根據經驗得到紅波段和藍波段的地表反射率和7波段 （2.1μm）表觀反射率具有如下數學關系可以利用7波段 （2.1μm）的反射率確定3波段 （0.47μm）和1波段 （0.66μm）通道的暗像元以及暗像元在這2個通道的地表反射率。

成都平原地區氣候濕潤，土壤濕度較大，植被覆蓋率高，暗目標比較容易選取，所以選用目前較為成熟的暗像元法借助6S輻射傳輸模型進行反演。

1.3 反演流程

借助6S輻射傳輸模型，采用暗像元方法反演的具體步驟如下：①通過ENVI軟件在對MODIS影像數據進行去蝴蝶結、幾何糾正、配準等一系列數據預處理；②從MOD02 1km影像數據上獲取用于反演的1波段 （0.66μm）、3波段 （0.47μm）、7波段 （2.1μm）的表觀反射率ρ＊，合成ENVI標準文件；從MOD03上獲取目標地區的經緯度、海拔高度、衛星天頂角和方位角、太陽天頂角和方位角幾何路徑參數合并成ENVI標準文件。對處理過的MOD02和MOD03數據文件分別選擇感興趣區域，并將所需要的元數據以ASCII碼的形式輸出；③利用7波段的表觀反射率，通過暗像元法選取暗像元ρ＊≤0.06，并用暗像元法計算出1波段和3波段的地表反射率；④根據成都平原的實際情況確定6S所需的大氣模式參數、氣溶膠模式參數；⑤對所選取的暗像元借助6S模型，分別利用1、3波段表觀反射率計算氣溶膠光學厚度；⑥取1、3波段計算出的光學厚度的平均值來確定最終的氣溶膠光學厚度，并成圖輸出。

2 反演結果與分析

2.1 成都平原地區氣溶膠分布

對成都平原2009年8月到2010年5月的氣溶膠光學厚度進行反演，得到1km光學厚度等值線圖，如圖1～圖4所示。

通過分析圖1～圖4，可以看出成都平原氣溶膠大致的分布規律如下：①空間分布。成都平原地區出現較大的光學厚度值的分布區域主要集中在成都、綿陽、樂山、自貢、資陽等這些人口集中、城市化水平較高的城市及其周邊地區，這表明氣溶膠與人類的活動密切相關。②時間分布。成都平原氣溶膠光學厚度較大值主要出現在春季、夏季和冬季，這與成都平原地區的氣候緊密關系。成都平原地區春季和冬季天氣較干，夏季高溫，特別是冬季和春季靜風時間長，空氣流動慢，容易出現大霧、浮沉等天氣，都不利于大氣中懸浮物和污染物的擴散。秋季雖然光學厚度值較低，但是秋季是收獲的季節，農民焚燒作物秸稈，農作物收割裸露土地增多，會大幅度增加大氣中氣溶膠的數量，所以秋季9月份城市周邊地區的氣溶膠光學厚度值要大于城市地區。

2.2 成都地區氣溶膠變化

圖1 2009年9月22號1km光學厚度等值線圖

圖2 2009年12月24號1km光學厚度等值線圖

圖3 2010年3月17號1km光學厚度等值線圖

圖4 2010年5月4號1km光學厚度等值線圖

成都地區反演的氣溶膠光學厚度值如表1所示。由表1可以看出，成都地區氣溶膠光學厚度值10月份較小，2月、3月最大，這和成都地理環境和氣候有一定關系，但整體變化不大，說明成都地區氣溶膠光學厚度主要受人為因素影響。成都地區經濟高速發展帶來的環境污染可能是導致成都地區氣溶膠光學厚度值偏大的原因。

表1 成都地區反演的氣溶膠光學厚度表

3 結 語

借助6S輻射傳輸模型，利用遙感技術與遙感數據能夠很好的反演出氣溶膠光學厚度，為成都平原環境治理與監控提供依據。由于成都平原地區地形復雜，很難對地面進行大面積和連續的動態監測，而利用遙感技術可以獲取大面積區域地表和大氣的綜合信息。因此，借助6S輻射傳輸模型，利用遙感技術與遙感數據能夠很好的反演出氣溶膠光學厚度，實時分析區域氣溶膠動態變化規律，更加精確地實現環境實時動態監測，為成都平原環境監控和治理提供參考依據。

[1]韓永.大氣氣溶膠物理光學特性研究進展[J].物理學報，2008，57（11）：33-35.

[2]劉玉潔，楊忠東.MODIS遙感信息處理原理與算法[M].北京：科學出版社，2001.

[3]王新強，楊世植，朱永豪，等.基于6S模型從MODIS圖像反演陸地上空大氣氣溶膠光學厚度[J].量子電子學報，2003，20（5）：629-634.

[4]唐杰.利用MODIS資料反演蘭州地區不同季節AOD的研究[D].蘭州：蘭州大學，2006.