探究AOD與PM2.5關系的一般性方法

石益+陶劍+王杰+翁強鵬+吳建東

摘要：指出了目前我國面臨的環境問題日趨嚴重，而大氣污染問題更是成為阻礙我國經濟可持續發展、影響居民生產生活的關鍵性因素，探究大氣污染區域分布狀況，掌握其變化規律，制定相應的大氣治理方案已成為當前刻不容緩的議題。針對大氣中PM_2.5含量問題，結合時下熱門的衛星遙感技術，探究了MODIS數據反演氣溶膠光學厚度（AOD）與同時段同地區監測到的PM_2.5的含量值關系的一般性方法，以實現利用氣溶膠光學厚度對PM_2.5的監測的效果，從而對當前的PM_2.5監測技術達到一個有效補充和拓展。

關鍵詞：氣溶膠光學厚度（AOD）； MODIS數據；6S模型； 暗像元法

中圖分類號：X513

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）14-0016-03

1 引言

近年來，空氣污染問題成為人們越來越關注的一個問題，PM_2.5作為衡量空氣質量很重要的一個指標，成為人們日常生活中除天氣之外的另一項需要關注的問題。衛星遙感技術憑借寬覆蓋、連續、動態等特點，使得其在大氣環境質量的監測中具有連續性、空間性及預報性。利用衛星所搭載傳感器獲取的MODIS數據，探究其反演結果氣溶膠光學厚度與PM_2.5的一般性關系，實現對PM_2.5的快速監測與及時發布，成為當前的一個研究熱點。

2 基礎信息介紹

2.1 大氣氣溶膠

大氣氣溶膠是懸浮在大氣中的固態和液態顆粒物的總稱，粒子的空氣動力學直徑多在0.001～100 μm之間。氣溶膠以直接或間接的方式影響著地氣系統的收支平衡和氣候，主要體現在以下3個方面。

（1）通過將更太陽輻射輻射向地球外，減小太陽對地球的加熱作用。

（2）利用自身的散射作用和吸收作用改變了對大氣的輻射加熱作用。

（3）氣溶膠粒子是一種凝結核，可以作為微滴數量增加云的光學厚度、壽命、云層反射率、平均云量。

2.2 氣溶膠光學厚度

氣溶膠光學厚度（AOD）是氣溶膠具有的最重要的參數之一，它是對大氣渾濁程度進行表征的關鍵物理量，也是確定氣溶膠氣候效應重要因素。氣溶膠光學厚度的定義為介質的消光系數在垂直方向上的積分，用以描述氣溶膠對光的衰減作用。

2.3 MODIS數據

MODIS數據是搭載于Terra和Aqua衛星上的中分辨率成像光譜儀觀測到的可以同時提供反映陸地表面狀況、云邊界、云特征、海洋水色、浮游植物、生物地理、化學、大氣中水汽、氣溶膠、地表溫度、云頂溫度、大氣溫度、臭氧和云頂高度等特征的信息。MODIS數據可通過反演獲得氣溶膠光學厚度。

2.4 PM_2.5

PM_2.5是細顆粒物的另一種叫法，它又稱細粒、細顆粒，指的是環境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2.5 μm顆粒物。PM_2.5的構成很復雜，其化學成分主要包括有機碳、元素碳、硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽、鈉鹽等，其來源主要分為自然源和人為源兩種。PM_2.5具有粒徑小、面積大、活性強、易附帶有毒、有害物質（例如重金屬、微生物等）且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠的特點，因而對大氣環境質量和人體健康都有著不可忽略的影響。

3 探究AOD與PM_2.5的關系的一般性方法介紹

3.1 數據的獲得

3.1.1 MODIS數據獲得

Modis數據可從NASA衛星數據中心 （https：//ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html）免費下載。一般研究AOD與PM_2.5關系所需要用到的衛星數據類型為MODIS L1B產品，進行數據下載時需要根據自己的研究內容選擇相應的時間和區域。為盡量減少云檢驗誤差可能對反演結果造成的影響，宜選擇以晴空為主的研究時間和研究區域的影像。

3.1.2 PM_2.5數據的獲得

PM_2.5可根據自己研究區域向當地的氣象局申請獲得，也可以通過網站PM25.in（ http：//www.pm25.in/）等網站獲得。

3.2 MODIS數據處理

3.2.1 操作流程

應用ENVI 5.0對MODIS L1B產品進行氣溶膠反演，具體操作流程見圖1。

3.2.2 操作步驟

3.2.2.1 MODIS的輻射校正

輻射校正是指對由于外界因素，對數據獲取和傳輸系統產生的系統的、隨機的輻射失真或畸變進行的校正，消除或改正因輻射誤差而引起影像畸變的過程。

ENVI 5.0中打開MODIS影像的HDF文件就已經做了輻射校正。

3.2.2.2 幾何校正

遙感成像的時候，由于飛行器的姿態、高度、速度以及地球自轉等因素的影響，造成圖像相對于地面目標發生畸變，這種畸變表現為像元相對于地面目標的實際位置發生擠壓、扭曲、拉伸和偏移等，針對幾何畸變進行的誤差校正就叫幾何校正。

MODIS數據處理過程需要進行如下階段的幾何校正。

（1）MODIS數據幾何校正。利用ENVI5.0下對特定傳感器進行幾何校正的Georeference MODIS工具對MODIS數據進行自動幾何校正。在進行幾何校正的過程中，應注意保持GCP控制點以及對MODIS影像做雙眼皮去除。

（2）反射率文件幾何校正。發射率文件幾何校正之后，可以利用導出的GCP控制點來校正其他文件。利用Wrap from GCPs ：Image to Map Registration工具對反射率文件進行幾何校正，同時應該注意更改幾何校正方法為Triangulation和重采樣方法Bilinear，使其與之前的發射率校正結果相匹配.

（3）角度數據集的幾何校正。筆者采用的MODIS L1B產品自身包含了角度信息，但是角度數據集的行列號與科學數據集的行列號不同，因此如果想用校正發射率的GCP控制點來校正角度數據集必須在校正角度數據集之前進行重采樣到行列號為1354 ，2030。角度數據的幾何校正和發射率的幾何校正是一樣的，根據校正發射率產生的GCP控制點，利用Wrap from GCPs：Image to Map Registration工具分別對衛星天頂角、衛星方位角、太陽天頂角、太陽方位角進行校正。

3.2.2.3 波段合成和裁剪

由于從NASA獲得的modis數據一般除了包含所要研究的試驗區域之外還往往包含研究區域以外的數據信息，此時便需要將研究之外的區域去除. 常用的方法是按照行政區劃邊界或者自然區劃邊界進行頭像裁剪；在基礎數據生產中，還經常要進行標準分幅裁剪。

（1）反射率和發射率的合成。在 ENVI5.0 下打開之前校正好的反射率文件和發射率文件，利用 Layer Stacking 工具進行合成，然后導入成都市的矢量邊界，利用成都市的行政范圍來裁剪。值得注意的是，合成文件的順序應該進行調整， 必須是反射率在上，發射率在下。

（2）角度數據的合成。角度數據的合成和反射率發射率的合成是一樣的，只是要注意角度數據合成時的順序是衛星天頂角、衛星方位角、太陽天頂角、太陽方位角。

（3）合成后處理。對于合成后的反射率和發射率數據以及角度數據，都需要進行進一步處理后才能進行氣溶膠反演。

（4）云檢測。利用modis_cloud 工具對反射率和發射率合成裁剪后的結果進行云處理。

（5）角度數據。HDF中的角度數據是擴大了100倍的，所以在進行氣溶膠反演之前要將角度合成數據利用band math工具乘以0.01。

3.3 氣溶膠反演

3.3.1 反演原理

利用遙感技術進行氣溶膠光學厚度反演的基本原理是通過對入射輻射變化的測量進一步反演出氣溶膠粒子的相關特性，這是因為入射輻射的強度等性質會受到氣溶膠粒子的散射作用和吸收作用而發生變化。

3.3.2 反演方法

利用LDL語言調用6S模型建立查找表，再利用暗像元法進行氣溶膠光學厚度反演。

6S模型建立在輻射傳輸理論基礎之上，用以地氣系統中太陽輻射的傳輸過程的模擬及描述衛星傳感器所接收到的輻射亮度。6S模式考慮了水汽、二氧化碳、臭氧等對輻射的吸收、分子和氣溶膠的散射、非均勻地面和雙向反射率等因素，使得該模型對太陽輻射在太陽-地面-傳感器路徑中所受影響的描述更精確。

使用6S模型進行輻射傳輸計算時，需要設定不同的大氣氣溶膠參數和傳感器觀測參數；根據所研究的時間范圍選擇相應的緯度季節大氣廓線；假定氣溶膠的模型為大陸型氣溶膠并設定相應的氣溶膠光學厚度值；地表參數設置為：海拔-0、地表覆蓋類型-植被。另外，各參數角度設置為：9 個太陽天頂角分別為 0°、6°、12°、24°、35.2°、48°、54°、60°和 66°；12 個衛星天頂角分別為 0°、6°、12°、18°、24°、30°、36°、42°、48°、54°、60°和 66°；16 個太陽方位角與衛星方位角分別為 0°、12°、24°、36°、48°、60°、72°、84°、96°、108°、120°、132°、144°、156°、168 °和 180°。利用輻射傳輸模型，通過以上各個系數的配置，即可生成反演使用的查找表。其他值則可利用插值法獲得。

衛星接收到地面物體的表觀反射率可用公式ρ*=πL/F0μ0計算。式中，L代表到達大氣上界的輻射能量，F0表示大氣外界的輻射通量，μ0表示的是大氣天頂角余弦值。則表觀反射率ρ*與地面物體的反射率ρ（θv，θs，）之間存在如下公式：

其中，θv表示衛星的天頂角；θs表示太陽天頂角，表示太陽入射輻射的光線與遙感傳感器觀測視場方向散射輻射之間的方位角，ρa（θv，θs，）表示路徑輻射，Fd（θs）表示歸一化后總的向下輻射通量，T（θv）表示輻射能量向上傳輸進入衛星傳感器觀測視場時總的透過率，Sp表示大氣后向散射比。單次散射近似中，氣溶膠光學厚度ζa、氣溶膠散射相函數ρa（θv，θs，）及單次散射反照率ω0對路徑輻射的結果有著重要的影響，這3者之間的關系可用如下公式表示：

式中，ρm（θv，θs，）是由分子散射造成的路徑輻射，μ0是傳感器天頂角余弦值，由于ω0、ζa、ρa最終決定Fd、Fd、Sp，需要在更加符合實際的情況下和值的氣溶膠模式，才能夠從傳感器觀測得到的輻射值反演出結果，這就要求充分考察當地的氣候氣象條件并由6S輻射傳輸模型得到最終結果，將（2）式代入（1）式得到：

由（3）式可知，當已知3個幾何角度、氣溶膠模式和地面反射率模式時，如果給出一系列不同的ζa，就可以得到一系列不同的ρ*，當得到的ρ*與傳感器測量得到的實際大氣頂層表觀反射率相等時，用于計算的ρ*可以認為與實際的氣溶膠光學厚度相等。

根據獲取PM_2.5數據的監測點的經緯度坐標生成矢量文件使用 ArcGIS 10.0的提取屬性至點的工具，提取出監測點位的 AOD 屬性值。

3.4 AOD及PM_2.5相關性研究

利用獲得的AOD數值與同時段同區域的PM_2.5數值進行線性回歸，離差的數據需要剔除。在進行線性回歸方程的構建時，需要按不同地點、不同季節進行方程的構建，以滿足其空間性、季節性等特征。將獲得的線性回歸方程跟現已有的其他區域的AOD與PM_2.5的線性回歸方程進行對比，分析其置信程度。進一步利用所研究區域其他時段的AOD值及PM_2.5的值對所得方程進行驗證，檢驗它在實際應用中的可行性。

4 結語

介紹了基于6S大氣輻射傳輸模型，結合改進的暗像元法進行大氣氣溶膠光學厚度反演，將獲得的氣溶膠光學厚度（AOD）與同時段同地區監測到的PM_2.5的值進行分析處理，構建AOD-PM_2.5線性回歸方程，結合實際情況和已有文獻資料對所得方程進行進一步的修正之后，最終達到利用所構建方程結合氣溶膠光學厚度實現對PM_2.5的監測的一般性方法。這一方法雖然在對當前仍存在精度不夠高、實際應用效果不明顯等問題，但其處理結果在PM_2.5的監測和預報上仍然有一定的參考價值，它在一定程度上可以對當前的PM_2.5監測技術進行有效補充和拓展。相信隨著衛星遙感技術的飛速發展，利用遙感技術對PM_2.5值等的實時監測和精確預報將最終實現。

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