基于高分辨率影像的城市地區氣溶膠反演研究述評

曹永興， 薛志航

(國網四川省電力公司電力科學研究院，成都　610072)

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基于高分辨率影像的城市地區氣溶膠反演研究述評

曹永興， 薛志航

(國網四川省電力公司電力科學研究院，成都610072)

摘要：介紹了大氣氣溶膠對全球氣候變化和大氣污染狀況的影響，闡述了基于衛星遙感反演氣溶膠的國內外研究現狀； 簡要介紹了衛星遙感反演氣溶膠的原理以及當前應用較為廣泛的單通道和多通道法、基于對比度差異的空間結構法、基于多角度數據的反演方法、基于偏振數據的反演方法和基于星載激光雷達數據的反演方法等5類衛星遙感反演方法； 最后根據上述反演方法以及城市地區氣溶膠反演的難點，對城市地區氣溶膠反演研究進行了論述分析和總結，點明了利用衛星高分辨率遙感影像對城市地區氣溶膠反演研究的重要性，討論了當前基于高分辨率影像的城市地區反演方法的不足，并對其存在的問題的突破點和解決途徑進行了展望。

關鍵詞：氣溶膠； 高分辨率； 衛星遙感； 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定性，沉降速度小[1]，粒徑多介于0.001～100 μm之間，其來源分為人為源和自然源。氣溶膠粒子(尤其是人為源)與太陽輻射、地球、大氣氣體有劇烈的相互作用，可以對大氣的物理和化學性質產生強烈影響，從而影響地球表層系統的輻射平衡，進而對全球氣候變化造成影響。更重要的是氣溶膠中包含一些對人體健康有害的粒子，對人類的健康和生活造成嚴重影響，尤其是對于人口密集、工業集中的城市地區。例如，現在城市居民越來越關注的PM2.5和霧霾等，都屬于氣溶膠多相體系中的一部分。因此，關于氣溶膠的研究，對于解決其帶來或誘發的氣候變化和大氣污染等問題，具有重要意義。有效治理和研究由氣溶膠等帶來的大氣污染和氣候變化等問題的前提條件是對大氣氣溶膠進行調查和監測。傳統的地面實時觀測仍是研究氣溶膠的重要手段，目前已經在全球建立了多個氣溶膠觀測網絡，如全球氣溶膠監測網(aerosol robotic network，AERONET)在全球建立了超過五百多個站點，目前主要用于對衛星遙感結果進行校驗； 歐洲還建立了氣溶膠研究激光雷達監測網(European aerosol research LiDAR network，EARLINET)。但由于觀測站點數量有限，且分布比較離散，這些監測系統仍無法反映整個區域的氣溶膠空間分布情況，特別是城市等局部地區。衛星遙感技術連續、宏觀、動態、快速的特點，為不同尺度的氣溶膠觀測和研究提供了可能[2]。例如，利用較低分辨率衛星影像可以研究大區域的氣溶膠問題，不過對于人們目前所關心的氣溶膠帶來的大氣污染問題，較低分辨率影像還難以滿足這方面的需求，高分辨率影像能夠較好地反映局部地區的氣溶膠狀況。因此，利用高分辨率遙感影像監測氣溶膠，對于研究城市等氣溶膠空間變化劇烈的局部地區的大氣污染狀況可取得良好效果，同時對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價值和廣闊的應用前景。

1研究現狀

國外基于衛星遙感反演氣溶膠的研究始于20世紀70年代中期，利用最早的數據是AVHRR數據，最初氣溶膠遙感只能在海洋上空實現，算法為可見光單通道反射率方法。20世紀80年代，開始了陸地氣溶膠的遙感研究。這一時期反演算法主要有海洋-陸地對比法、雙-多通道反射率法、結構函數法、暗像元法等多種算法，其中，暗像元算法經過不斷改進，現已成為陸地上空應用最為廣泛的算法。進入20世紀90年代，氣溶膠對氣候和環境的影響得到世界各國政府和人民的高度重視，衛星遙感技術快速發展過程中，在設計傳感器時開始考慮氣溶膠遙感的需要，可用來研究氣溶膠的衛星傳感器逐年增加。進入21世紀后，多種搭載新型傳感器的衛星相繼成功發射，如新一代多光譜、多角度偏振探測衛星PARASOL、云-氣溶膠激光雷達和紅外探測者衛星CALIPSO等，為氣溶膠反演提供了豐富的數據源和新的反演思路。關于氣溶膠的反演方法研究也取得了巨大的進展，Diner第一次利用多視角成像分光輻射度計(multi-angle imaging spectrorad-iometer，MISR)多角度數據對氣溶膠光學厚度進行了反演[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特性[4]； Thomason等采用CALIPSO星載激光雷達數據，研究了大氣平流層氣溶膠含量及分布情況[5]； Hsu等提出了深藍算法，對解決亮地表地區的氣溶膠反演具有重要作用[6-7]。

我國的大氣環境遙感監測始于20世紀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數據，在渤海上空對氣溶膠進行了遙感反演試驗[8]。然后，隨著國內外多個衛星的相繼發射成功，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。基于這些信息，在大量學者的努力之下，國內的氣溶膠反演研究取得了迅猛的發展，如毛節泰等利用MODIS數據，在國內城市地區氣溶膠反演方面取得了很好的效果[9]； 黃建平等利用CALIPSO星載激光雷達觀測資料，對沙塵氣溶膠進行了大量的研究工作[10]； 王磊等利用改進的沿軌跡掃描輻射計(advanced along-track scanning radiometer，AATSR)雙角度觀測數據，對亮地表地區進行了氣溶膠反演研究[11]； 王中挺、李莘莘等分別利用PARASOL偏振數據、MODIS數據以及國產HJ-1數據，對我國陸地上空以及城市和冬季北方亮地表地區的氣溶膠反演進行了研究[12-13]，促進了國內氣溶膠研究領域的發展。

從20世紀70年代至今，通過國內外學者的共同努力，衛星在新型傳感器的設計中也越來越考慮到對氣溶膠監測的需求，衛星遙感氣溶膠反演算法也在經歷由海洋到陸地、由暗地表到亮地表的轉變過程中有了長足的發展，其適用性和實用性得到了顯著提升。目前利用衛星遙感手段和氣溶膠反演算法，研究城市地區的氣溶膠已成為一個研究熱點。但是目前針對城市等亮地表地區的反演算法大多是基于中低分辨率的影像，這對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氣溶膠反演研究則相對較少，仍具有很大的研究空間。

2氣溶膠反演方法

利用衛星遙感數據反演氣溶膠時明確的已知數據是表觀反射率，它是地表、氣溶膠和大氣分子與入射輻射共同作用的結果，因此，要想對氣溶膠進行反演就需要先將氣溶膠部分與地表及大氣分子部分區分開來。在實際應用中，大氣分子貢獻項通常可由選擇的大氣模式或依據其他某些參數得到，因此，只需將氣溶膠部分和地表部分區分開來即可。由于利用不同的數據和不同的區分方法，氣溶膠的反演方法有多種多樣，但大體上可分為5類： 單通道和多通道法、基于對比度差異的空間結構法、基于多角度數據的反演方法、基于偏振數據的反演方法和基于星載激光雷達數據的反演方法[11]。

2.1單通道和多通道法

根據上述反演原理可知，當地表反射率較大時，衛星觀測值即表觀反射率主要取決于地表的貢獻項； 當地表反射率較小時，則取決于大氣氣溶膠貢獻項。當地表反射率較小時進行氣溶膠反演，其結果相對比較準確。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相互作用的紅(0.6～0.68 μm)和藍(0.40～0.48 μm)通道和暗地表進行的。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。其中單通道算法是通過假定氣溶膠光學厚度與表觀反射率近似成線性關系，以實現對氣溶膠的反演； 雙通道算法則利用氣溶膠在不同通道的顯著差別，通過比較2個通道之間的比值(如0.630 μm與0.830 μm通道)來反演氣溶膠的。后來，由于反演方法和傳感器的發展，又涌現出了許多多通道反演方法，其中應用最為廣泛的是暗像元算法和深藍算法。

2.1.1暗像元算法

由上文可知，只要將地表貢獻項與氣溶膠貢獻項區分開來，即可求得氣溶膠光學厚度，同時地表反射率越低，得到的結果越準確。因此，Kaufman等人在大量實驗的基礎上提出了暗像元算法，其利用多種地物(如密集植被等)在紅藍波段反射率低的特性，最初以植被指數或2.1 μm通道的表觀反射率將密集植被等識別為暗像元，后來為了使算法的適用性更好，使用3.8 μm或2.1 μm通道的表觀反射率來尋找暗像元，并通過大量的資料，考慮多種地表覆蓋，擬合得到暗像元紅、藍通道的地表反射率與2.1 μm通道的表觀反射率之間的關系[14]，即

(1)

(2)

2.1.2深藍算法

相比于紅藍波段，在深藍(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)，深藍波段氣溶膠對輻射的吸收明顯小于紫外波段(氣溶膠對輻射的吸收將造成氣溶膠對表觀反射率的貢獻減小)，因此利用深藍波段反演氣溶膠光學厚度是一個行之有效的方法。深藍算法就是利用波長非常短的深藍波段，同時結合藍波段和紅波段，進行氣溶膠反演的。該算法與暗像元算法一樣，都是通過求得地表反射率的值，從而將地表和大氣氣溶膠的貢獻項區分開來的，不同的是地表反射率的獲得方法，深藍算法是利用最小反射率技術[7,15]，建立深藍波段、藍波段、紅波段的地表反射率庫，然后通過地表反射率庫獲得地表反射率的。后續步驟與暗像元算法相似。

2.2基于對比度差異的空間結構法

大多數單通道和多通道算法是基于暗地表上的反演理論。但是，對于亮地表地區，這些反演方法會產生很大的反演誤差。因此，在陸地亮地表上空，基于對比度差異的空間結構法被發展用于替代暗像元法。該方法主要利用同一地區不同時相影像的“模糊效應”反演相對氣溶膠光學厚度，代表方法是結構函數法[16]。

結構函數法通過探討“清潔日”(指氣溶膠光學厚度極小日)的數據在不同空間尺度上地表反射率的對比關系，弄清該地區的分布規律，假設該分布規律保持相對不變，待反演圖像上的表觀反射率的空間分布的變化則認為是由氣溶膠光學厚度的變化引起的，進而可以反演出氣溶膠光學厚度[16]。結構函數法的難點在于“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基于多角度數據的反演方法

該方法主要是根據大氣和地表對大氣層頂衛星信號貢獻的比率隨不同觀測角度而不同這一特性，從而將兩者剝離開來，提取出氣溶膠貢獻信號，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數據的雙角度算法和基于MISR數據的多角度算法[11]。

基于AATSR數據的雙角度算法首先假設地表反射率在前向和底向的比值k是一個與波長無關的量，即

(3)

式中ρf(λ)和ρn(λ)分別表示前向和底向的地表反射率。因為地表反射率隨角度的變化主要取決于地表覆蓋的宏觀結構，而非波長，其不同波長的二向反射函數在相同形狀上差不多是一致的，所以這是一個比較合理的假設[17]。基于這個假設，再結合衛星2個角度在大氣層頂的表觀反射率表達式并進行公式的比較變換，得到一個關于氣溶膠光學厚度的函數，再通過假設氣溶膠模型，就可以進行氣溶膠光學厚度的反演計算[11]。

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

2.4基于偏振數據的反演方法

在短波波段，大氣上層偏振輻射主要來自于大氣氣溶膠粒子和大氣分子的貢獻。大氣分子的貢獻基本不變，可以用一些模型計算獲得。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程的矢量輻射傳輸方程即可得到氣溶膠光學厚度，但該方程是一個復雜的非線性微分-積分方程，至今還沒有解析解，必須使用數值的方法求解。目前對矢量輻射傳輸方程求解的方法有很多，主要有離散坐標法、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雜，目前使用查找表法是一種既能保證計算精度又能加快計算速度的方法[18-19]。基于偏振數據的反演方法其優點是可以同時反演氣溶膠光學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用。

2.5基于星載激光雷達數據的反演方法

該方法可以獲得氣溶膠的垂直分布信息，可全天候探測氣溶膠的時空分布，已受到國內外的廣泛關注。在進行星載數據反演時，要充分考慮星載探測的特點，與地基反演方法區別對待。以星載激光雷達CALIPSO為例，其反演過程分為以下3個步驟： ①利用選擇性迭代邊界定位法，對回波信號廓線中包含的多種層次特征進行探測； ②利用場景分類算法對所探測到的層次分類，主要包括云和氣溶膠的區分、氣溶膠具體類型的分類以及冰云和水云的區分； ③利用混合消光系數反演算法，對云層和氣溶膠層進行消光特性反演，最終得到氣溶膠和云的空間分布信息、消光系數廓線等產品。其中，混合消光系數反演算法是在傳統的消光特性反演方法上發展而來的。目前傳統的消光特性反演方法主要有Fernald方法、Klett方法和斜率法等[20]。

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

3城市地區氣溶膠反演研究

對于城市地區的氣溶膠反演而言，主要有以下2個難點： ①城市地區地表類型復雜，包括建筑物、柏油馬路、植被等多種類型，地表反射率的精確確定非常困難； ②城市地區有些地表類型地表反射率較高，會顯著影響氣溶膠反演的精度。此外，對于城市地區，由于區域范圍相對較小，氣溶膠空間變化劇烈，低分辨率影像顯然不能滿足氣溶膠監測的需求。因此，對于城市地區的氣溶膠反演需要采用兼顧時間和空間的高分辨率影像，但是當前能符合這2方面要求的數據源過少，只能使用高空間分辨率影像來代替，如TM，OLI等影像。雖然其較低的時間分辨率影響了其實用性，但仍具有很好的研究價值，可為未來采用可能出現的兼顧時間和空間的高分辨率遙感影像反演氣溶膠奠定方法基礎。根據城市地區氣溶膠反演的難點和對上述氣溶膠反演方法的分析，發現當前的反演方法對于城市地區的氣溶膠反演還存在許多不足之處。例如，上述算法的后3類算法都需要特定的數據源，且這些數據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。但可以預見的是，隨著科技的發展，傳感器分辨率的提高，以及算法的改進，這些算法將會對城市尺度的氣溶膠反演注入新的活力。而前兩類算法對于高空間分辨率低時間分辨率的遙感影像來說，也都存在許多局限性，如暗像元算法對于暗地表反演結果比較理想，但不適用于亮地表； 對于結構函數法來說，其“清潔日”影像的獲得限制了其應用； 對于深藍算法，其地表反射率庫的建立是一個難點等。雖然這些方法在一定程度上都存在一些局限性，但它們為城市地區氣溶膠反演奠定了基礎，提供了研究思路，尤其是對地表反射率的確定。對于氣溶膠反演來說，地表反射率的確定是一個難點和重點，對于城市地區氣溶膠反演更是如此，因而是城市地區氣溶膠反演首先要解決的一個問題。相比于復雜的氣溶膠模型，它具有更大的改進空間。為此，筆者認為，在現有的大量研究資料的基礎之上，結合高分辨率影像，進行城市地區地表反射率確定方法的研究，是城市地區氣溶膠反演的一個重要突破口。

4結論

綜上所述，在氣溶膠反演方面，國內外研究人員已經進行了大量的研究工作，提出了很多有價值的研究方法，但是從目前的研究狀況來看，基于高分辨率遙感影像的城市地區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據源比較少。

對于城市尺度的氣溶膠反演方法來說，其重點研究方向應是對現有各種不同方法的深入研究，進而對其進行改進或尋找新的方法，解決在城市地區氣溶膠反演過程中所遇到的問題，如地表反射率的確定等。對于城市尺度氣溶膠反演所需的高分辨率數據來說，可操作的數據源過少，而且時間分辨率和空間分辨率不能兼顧，如TM，OLI等數據，其空間分辨率足夠，但時間分辨率過低； MODIS，MISR和POLDER等數據，則是時間分辨率足夠，但空間分辨率過低。若是能兩者兼顧，則將對城市尺度的氣溶膠反演帶來突破性的進展。尤其對于多角度數據、偏振數據和激光雷達數據等，由于它們對城市尺度的氣溶膠反演帶來了許多新的、可行的、有效的反演思路，希望今后在設計衛星傳感器時能兼顧時間分辨率和空間分辨率的設置問題。

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(責任編輯： 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

基金項目：國家電網公司總部科技項目(編號： 521997140007)資助。

中圖法分類號：X 513

文獻標志碼：A

文章編號：1001-070X(2016)03-0001-06

第一作者簡介：曹永興(1964-)，男，高級工程師，主要研究方向為輸電線安全防護和遙感應用。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氣溶膠反演研究述評[J].國土資源遙感,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.)