基于MODIS數據渭南市氣溶膠反演

鄒健++崔婉哲

摘要： 氣溶膠是氣候變化和大氣污染的重要影響因素。為了研究渭南地區氣溶膠光學厚度等性質，使用2010年7月16日MODIS-L1B數據，利用黑暗像元法，在ENVI5.0系列軟件中進行反演操作，反演出渭南地區當日的氣溶膠光學厚度空間分布。通過對反演結果做進一步的空間分析。研究結果表明：渭南的平均AOD為0.45；渭南中部臨渭區的AOD高于四周；以108.7°為界限，東邊的AOD值明顯小于西邊；渭南夏季AOD偏低。

Abstract： The aerosol is the important influence factor of climatic variation and atmospheric pollution. In order to study the optical thickness and other properties of aerosol in Weinan area， the MODIS-L1B data in July 16， 2010 and the Dark pixel method are used to carry out the inversion operation in ENVI5.0 series software. The spatial distribution of aerosol optical thickness in Weinan area was obtained. The inversion results are further analyzed. Research results show that the average AOD of WeiNan is 0.45， the AOD in Linwei District of central Weinan is higher than that of the surrounding area， and based on 108.7° line， the AOD value of east is evidently less than that in west and AOD value is low in summer.

關鍵詞： 濃密植被法；氣溶膠光學厚度；MODIS；ENVI；反演

Key words： dense vegetation method；aerosol optics thickness；MODIS；ENVI；inversion

中圖分類號：X513 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）12-0175-03

0 引言

大氣與懸浮在其中的固體和液態且小于10的微粒共同組成的多相體系稱為氣溶膠[1]。大氣氣溶膠光學厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）的物理意義是沿輻射傳射路徑，單位截面上氣溶膠吸收和散射對太陽輻射產生的總削弱，它和垂直方向上的總氣溶膠濃度有關[2]。研究氣溶膠的光學厚度可以間接反映反演地區大氣質量，對于研究陜西關中地區人們健康、地區氣候效應以及大氣污染都有一定參考價值。首先，氣溶膠通過對太陽短波輻射的散射，以調節地—氣系統的反射率，致使地—氣系統降溫，因而對地—氣系統的輻射平衡產生間接影響；其次，氣溶膠是海—陸—氣系統中一種重要的組成成分，是大氣輻射傳輸過程中三大活躍要素之一。它通過三個主要機制來影響氣候：①氣溶膠通過對吸收和散射太陽輻射，來影響太陽到達地球的熱量；②氣溶膠能一定程度變云屬性，進而影響到達地球的太陽輻射量；③氣溶膠能對大氣中各類化學組成產生間接影響，通過改變這些化學成分及其濃度來間接影響氣候[3-5]。

傳統的氣溶膠測量主要是地面基站測量，這種測量方法對氣溶膠的監測具有準確、數據可信度高等特點。缺點是不具有連續性、難以從大尺度的范圍來對氣溶膠空間分布、運動軌跡進行研究；其次就是成本高。目前也有大量針對氣溶膠光學性質的研究，MODIS為全球提供了針對分辨率為10km的氣溶膠產品，但對于研究城市范圍來說，10km分辨率的氣溶膠產品不能滿足需要，所以1km分辨率的衛星遙感反演，可以更好地反映城市和小區域的氣溶膠狀況[2]。本研究使用MODIS數據對渭南地區的氣溶膠光學厚度反演，可以客觀反應渭南地區AOD空間變化，對改善生態、促進社會經濟可持續發展具有重要意義[6]。

1 研究區概況及數據

渭南市，隸屬于陜西省，位于東經108°50′-110°38′和北緯34°13′～35°52′之間，地處陜西關中渭河平原東部、關中地區，是陜西省的“東大門”。總面積約13134平方千米，人口約560萬。渭南屬暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候，四季分明，光照充足，雨量適宜。渭南地勢以渭河為軸線，形成南北兩山、兩塬和中部平川五大地貌類型區型。

本文選取MODIS TERRA衛星數據產品 MODIS L1B數據MOD021KM.A2010228.0310.005.hdf。利用經典的黑暗像元法，對渭南市進行1km空間分辨率氣溶膠光學厚度反演，并分析渭南市的氣溶膠空間變化特征。

2 氣溶膠光學厚度反演算法

2.1 反演原理

衛星遙感反演氣溶膠光學厚度基本原理見式（1）：

Rref（？滋，？茲，？滋0，？茲0）=？籽a（？滋，？茲，？滋0，？茲0）+T（？滋0）T（？滋）？籽b/（1-？籽bs）

（1）

其中Rref是衛星觀測到的整層反射率，是關于氣溶膠厚度的函數，？籽a為整層大氣層反射率，？滋為觀測天頂角的余弦，？茲為觀測天頂角的方位角，？滋0為太陽天頂角的余弦，？茲0為太陽天頂角的方位角，T（？滋0）為太陽到地面的大氣層總透射率，T（？滋）為從地面到衛星大氣層總的透過率（直射+漫射），s為大氣的下墊面反射率，系數1/（1-？籽bs）代表地面和大氣層多次散射作用。在假定一定的大氣氣溶膠模型前提下，如果知道了下墊面的反射率？籽b，根據公式（1）即可反演得到氣溶膠的光學厚度[7]。

2.2 DDV（暗像元法）地表反射率估算

Kaufman等最先提出DDV（暗像元法），Kaufman等通過大量觀測實驗研究指出，在清潔的大氣條件下，由于綠色植被對太陽光的強烈吸收，植被的反射率在紅波段通道、藍波段通道和2.1～2.6？滋m通道呈現出線性關系。由于氣溶膠主要影響可見光通道的圖像，而2.1～2.6？滋m通道的圖像幾乎不受氣溶膠的影響，反映的是地面的特征。根據地表植被覆蓋區的紅（0.66？滋m）、藍（0.47？滋m）通道和2.1～2.6？滋m通道的線性關系，紅、藍通道的地表反射率可以從2.1？滋m通道的地表反射率估算出來[7]，即：

p0.47=p■■/4，p0.66=p■■/2（2）

2.3 LUT查找表

它是基于6S大氣輻射傳輸模型計算的查找表（LUT），并利用地面的暗目標自動反演陸地大氣氣溶膠光學厚度。LUT查找表是利用IDL調用6S輻射模型得到的，采用的是通用的參數，3-9月期間都可以用這一個查找表進行氣溶膠反演[8]。

3 數據處理

利用MODIS的L1B數據反演氣溶膠的流程如圖1所示。

首先是數據預處理：幾何糾正，對MODIS數據進行幾何糾正，具體包括發射率糾正、反射率糾正，并對發射率、反射率合成剪裁生成，以及對角度數據的的幾何糾正；云監測，運用IDL語言編寫的拓展工具，進行云監測，其基本原理是利用MODIS某對云檢測有效果的波段設置閾值把云的分布給提取出來。

其次就是數據可視化：調用通過6S模型建立的通用LUT查找表，得到包括渭南市的氣溶膠光學厚度圖，利用矢量 “渭南市行政邊界”裁出渭南地區，生成圖2。

4 反演結果與分析

4.1 渭南市光學厚度空間分析

在渭南市利用MODIS L1B數據進行了1km空間分辨率氣溶膠光學厚度的反演，提取渭南地區的平均光學厚度得出渭南2010年7月16日11時的氣溶膠平均光學厚度為0.45。從圖2提取北緯34.5度附近提取橫向氣溶膠的光學厚度，見圖3。

從圖2和圖3我們得到：

①以109.1°為界限，東邊的AOD值明顯小于西邊。其原因和關中地區特有的地形的位置因素有關，渭南處于關中渭河平原東部，關中地區的城市呈現一種橫向帶狀分布狀態，渭南距離寶雞、西安等關中地區的工業發達城市有一定距離，本身化工、金屬冶煉等相比之下較不發達，所以以108.7°邊界為界限，東西兩邊AOD值具有明顯的差異。

②渭南地區7月16日AOD平均值本身較低。這是因為此時渭南處于夏季本身降水較多，空氣濕潤，水汽對氣溶膠粒子具有吸附作用；太陽直射能力強，植被茂盛，植被也對氣溶膠粒子具有一定的吸附作用；而且周邊區域環境都較好。綜合以上幾種原因，渭南地區夏季AOD值偏低。

③渭南市內AOD值分布不均衡，渭南中部地區的AOD值明顯高于周邊，其原因和渭南市的工業和城市分布有著極大的關系，渭南中部為臨渭區，是渭南市人口工業集中區，所產生的污染物及熱量比周邊多，進而增大了渭南中部的AOD值。

4.2 反演優缺點

①本文介紹了利用衛星遙感圖像在ENVI5.0下的反演一個區域氣溶膠光學厚度的的方法，利用該方法，能較全面的反映渭南整個地區氣溶膠光學厚度的分布，相較于地面實測數據來說，更能從全局以及跨區域分析渭南氣溶膠光學厚度的分布、趨勢。

②基于Kaufman等提出的濃密植被法，具有反演原理簡單，流程較易等特點，但是由于該算法是基于一些列植被指數，而北方地區普遍植被情況總體較差，僅能在3-9月進行反演操作。

③反演結果與實際的AOD值存在一定的偏差。如，利用6S輻射模型建立的LUT查找表，由于氣溶膠類型的不確定可能會帶來很大的誤差；在做反射率糾正時，氣溶膠下方的植被覆蓋區的地表的紅（0.66？滋m）、藍（0.47？滋m）通道的反射率是從2.1？滋m通道的反射率估算出來，由于是線性相關公式，本身與實際情況具有一定誤差。

5 展望與建議

為了對小區域氣溶膠時空分布、運動軌跡等問題進行研究，建議采用衛星遙感反演城市和小區域氣溶膠狀況，目前這種方法已經在我國廣泛應用。另外，建議在全國氣象、環保等部門加深這種方法的推廣力度，也鼓勵相關專業學習這種方法。

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