遙感氣溶膠監(jiān)測(cè)技術(shù)

李潤(rùn)杰

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，許多地方的空氣質(zhì)量不斷下降，而有的地方則出現(xiàn)了霧霾。不良的空氣質(zhì)量會(huì)降低大氣能見度，影響交通出行安全，甚至對(duì)人們的身體健康有危害。運(yùn)用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)可獲得大面積區(qū)域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，完成氣溶膠的遙感監(jiān)測(cè)工作。

關(guān)鍵詞：MODIS;暗像元法;氣溶膠光學(xué)厚度

引言

隨著近些年來(lái)的快速發(fā)展，我國(guó)的工業(yè)化和城市化水平不斷提高，但環(huán)境質(zhì)量卻有了明顯的下降[1]。目前我國(guó)對(duì)于大氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)主要依靠地面監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)，但由于地面監(jiān)測(cè)站分布有限，且監(jiān)測(cè)范圍局限于監(jiān)測(cè)站附近的一定范圍，對(duì)于遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)站的地點(diǎn)無(wú)法獲得大氣質(zhì)量的相關(guān)數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)可靠性較低，不適應(yīng)于大面積監(jiān)測(cè)及動(dòng)態(tài)分析。而遙感數(shù)據(jù)具有持續(xù)、動(dòng)態(tài)、大面積觀測(cè)的特點(diǎn)，利用遙感數(shù)據(jù)對(duì)大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)能有效克服地面監(jiān)測(cè)站的不足，實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境的持續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為大氣環(huán)境的相關(guān)分析及城市霧霾的治理提供數(shù)據(jù)信息。

正文

大氣氣溶膠是懸浮在大氣中的固體和液體微粒與氣體載體共同組成的多相體系，廣泛地影響著地球的氣候和生態(tài)系統(tǒng)[2]。盡管氣溶膠在大氣中的含量相對(duì)較少，但它在大氣過(guò)程中所起的作用卻不容忽視，其突出的作用表現(xiàn)在氣溶膠不僅對(duì)大氣能見度、太陽(yáng)散射和輻射、大氣溫度等具有較多影響，而且由于其粒徑小、表面積大，為大氣環(huán)境化學(xué)提供了反應(yīng)床，從而影響大氣的各種化學(xué)作用，同時(shí)影響人類健康。目前有許多研究者對(duì)遙感氣溶膠監(jiān)測(cè)進(jìn)行了研究，蘇城林等（2015）利用NPP VIIRS數(shù)據(jù)反演氣溶膠光學(xué)厚度，得到的結(jié)果與AERONET的數(shù)據(jù)顯著相關(guān)[2]。楊麗娟等（2018）利用MODIS遙感數(shù)據(jù)對(duì)福州地區(qū)的PM2.5進(jìn)行遙感估計(jì)并利用十折交叉驗(yàn)證法對(duì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證[3]。張婕等（2016）對(duì)沈陽(yáng)地區(qū)的MODIS與MERSI氣溶膠產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比研究[4]。葛邦宇等（2018）運(yùn)用暗目標(biāo)法對(duì)Himawari-8靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行了氣溶膠反演[5]。田信鵬等（2018）利用Landsat8OLI高空間分辨率數(shù)據(jù)對(duì)北京市的氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行了反演[6]。孫林等（2016）利用地表反射率產(chǎn)品支持的GF-1 PMS數(shù)據(jù)進(jìn)行了大氣校正及氣溶膠光學(xué)厚度反演。這些研究均表明可以通過(guò)對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理等到氣溶膠數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了通過(guò)遙感手段獲取氣溶膠數(shù)據(jù)具有可行性。本文利用了重慶市的MODIS L1B數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)狀況，選擇暗像元法進(jìn)行了氣溶膠光學(xué)厚度的反演。

大氣氣溶膠對(duì)地球表層系統(tǒng)的輻射有重要影響，氣溶膠可以通過(guò)對(duì)太陽(yáng)短波輻射的散射，調(diào)節(jié)地-氣系統(tǒng)的反射率，導(dǎo)致地-氣系統(tǒng)的降溫過(guò)程。同時(shí)，由于氣溶膠的組成成分不同，對(duì)太陽(yáng)短波輻射的吸收、散射作用也不同，某些吸收作用較強(qiáng)的氣溶膠可以導(dǎo)致地-氣系統(tǒng)的增溫過(guò)程。另一方面，氣溶膠可以充當(dāng)云、霧生成的凝結(jié)核，因而對(duì)地-氣系統(tǒng)的輻射平衡產(chǎn)生間接影響。

在利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)氣溶膠進(jìn)行反演時(shí)，一般假設(shè)地球表面為均勻朗伯面，即當(dāng)入射能量在所有方向均勻反射，即入射能量以入射點(diǎn)為中心，在整個(gè)半球空間內(nèi)向四周各向的反射能量相同。同時(shí)假設(shè)氣溶膠在不同高度上均勻分布。則衛(wèi)星接收到的輻射L（）的表達(dá)式為：

式中：，，為太陽(yáng)天頂角，為傳感器天頂角，為觀測(cè)方向的路徑輻射量，r為視作朗伯體后的地表的反射率，S為大氣下界的半球反射率，T為大氣透過(guò)率，為大氣層頂部與太陽(yáng)光相垂直的方向上的輻射通量密度。

然后利用入射太陽(yáng)輻射項(xiàng)對(duì)式上進(jìn)行歸一化可得，大氣層頂部的反射率：

式中：是大氣路徑輻射的等效反射率，是地表二向反射率，將地表視作朗伯體時(shí)，其值取為r。通過(guò)使用6S模型來(lái)計(jì)算在不同的氣溶膠模式及角度數(shù)據(jù)時(shí)，氣溶膠光學(xué)厚度與S、、等3個(gè)參數(shù)間的關(guān)系，并由此來(lái)構(gòu)建查找表，然后在進(jìn)行氣溶膠反演時(shí)通過(guò)調(diào)用查找表來(lái)得到相應(yīng)的氣溶膠的值，從而實(shí)現(xiàn)氣溶膠的遙感監(jiān)測(cè)。

結(jié)論

根據(jù)研究目的選用了MODIS L1B進(jìn)行研究，在對(duì)氣溶膠反演原理及重慶市自然地理環(huán)境進(jìn)行了解的基礎(chǔ)上選擇了暗像元法來(lái)進(jìn)行氣溶膠光學(xué)厚度的反演。通過(guò)對(duì)MODIS L1B數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，并通過(guò)調(diào)用查找表來(lái)實(shí)現(xiàn)了氣溶膠光學(xué)厚度的反演，得到了重慶市的氣溶膠光學(xué)厚度的空間分布情況。從空間上分析，重慶市整體的氣溶膠光學(xué)厚度較小，大氣環(huán)境較好，氣溶膠光學(xué)厚度較小，基本都在0.5左右。

參考文獻(xiàn)：

[1]周濤，汝小龍.北京市霧霆天氣成因及治理措施研究[[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2012（2）：12-16.

[2]蘇城林，蘇林，陳良富， 等.NPP VIIRS數(shù)據(jù)反演氣溶膠光學(xué)厚度[J].遙感學(xué)報(bào)，2015，19（6）：977-982.

[3]楊立娟，徐涵秋，金致凡.MODIS衛(wèi)星遙感估計(jì)福州地區(qū)近地面PM2.5濃度[J].遙感學(xué)報(bào)， 2018，22（1）：64-75.

[4]張婕，劉昊野，辛金元等.沈陽(yáng)地區(qū)MODIS與MERSI氣溶膠產(chǎn)品對(duì)比研究[J].遙感學(xué)報(bào)，2016，20（4）：549-560.

[5]葛邦宇，楊磊庫(kù)，陳興峰， 等.暗目標(biāo)法的Himawari-8靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)氣溶膠反演[J].遙感學(xué)報(bào)，2018，22（1）：38-50.

[6]田信鵬，孫林，劉強(qiáng)， 等.北京地區(qū)Landsat8OLI高空間分辨率氣溶膠光學(xué)厚度反演[J].遙感學(xué)報(bào)，2018，22（1）：51-63.