基于改進算法的HJ-1氣溶膠厚度反演研究

金 健

（1.廣西自然資源調查監測院，廣西 南寧 530023）

“城市霧霾”逐漸成為人們關注的熱點，而其中微小、頑固的主要成分氣溶膠也一再引起各界學者的探究。大氣氣溶膠不僅嚴重威脅著人類的身體健康，還在一定程度上制約了社會經濟的發展。經過半個世紀的探索，氣溶膠反演工作的探測平臺逐漸成熟，主要可分為衛星遙感監測和地面觀測兩種方式，其中衛星遙感反演氣溶膠技術以其大范圍、低成本的優點發展較為迅速。現階段，發展迅速的衛星遙感反演方式主要包括4種：①采用中紅外波段與紅、藍光波段之間較好線性關系的暗目標算法；②利用衛星多方位觀測的復雜算法；③在地表反射率的基礎上建立相關函數的計算方法；④根據儀器探測偏振信息的偏振反演算法等[1]。基于上述算法，各界學者利用MODIS、TM等數據對我國珠三角、長三角等發達地區進行了一系列氣溶膠反演研究[2-6]。

本文采用的環境一號（HJ-1）遙感衛星傳統上是環境與災害的監測預報衛星，可同時對地表水域、地表覆蓋和大氣等多種對象進行綜合監測，且具有高時間（2 d）、高空間分辨率（可見光波段30 m）。本文利用HJ-1號衛星自帶解算參數生成連續像元幾何角度數據的改進算法，結合暗目標算法進行了南寧市中心城區氣溶膠光學厚度反演，使得高覆蓋度、高精度的氣溶膠動態監測研究成為可能。

1 反演原理與方法

1.1 改進算法原理

本文采用通過連續像元觀測的天頂角、方位角數據以及衛星拍攝時的經緯度、太陽高度角、赤緯角、拍攝時間等相關解算參數來推算連續像元太陽天頂角、方位角的貼合CCD數據的改進算法，生成與其觀測天頂角、方位角，太陽天頂角、方位角一一對應的四波段幾何數據。

衛星太陽高度相關公式為：

式中，h為太陽高度角；φ為緯度；δ為太陽赤緯角；t為時角；n為時間[7-8]。

衛星太陽赤緯角的近似公式為：

式中，N為所在一年的累計總天數。

太陽天頂角的近似公式為：

太陽方位角的計算公式為：

本文根據上述公式，求取影像連續像元的幾何角度數據，并進行合成。

1.2 反演方法

1）選取暗目標。根據Kanfman提出的理論，密集植被地表（即暗目標）對紅、藍光波段有較小的反射率[9-10]，可從紅、藍光波段的表觀反射率中去除地表貢獻，獲得大氣參數，進而得到氣溶膠光學厚度[11]。結合CCD數據的特點，本文利用歸一化植被指數（NDVI）提取暗目標[12]。

2）調用6S模型。收集相關大氣參數，根據改進算法合成的幾何數據和原始解算參數建立查找表。在反演過程中，根據每個像元的輻射入射、接收角度以及衛星觀測的輻射或反射率，從查找表中找出對應的氣溶膠光學厚度，即進行連續像元查找[3-5]。

3）結果處理。研究表明，在可見紅光波段衛星觀測到的云反射率一般大于0.2，因此可利用0.2這個閾值來去除云[13]；再對反演結果進行平滑、裁剪處理，得到氣溶膠光學厚度值。

2 反演結果與分析

2.1 數據選取與處理

由于南寧市城區春季多雨、冬季多云，本文選取2018年8月、9月、10月高空能見度較高條件下的HJ-1 CCD數據進行研究；再利用相應時間的MODIS影像進行氣溶膠反演，并將CCD數據反演結果、MODIS數據反演結果與ARONET地基氣溶膠觀測網站上公布的氣溶膠光學厚度探測值進行對比驗證[5]。

2.2 反演結果

HJ-1CCD數據反演的2018年8月、9月、10月南寧市中心城區氣溶膠光學厚度結果如圖1所示，可以看出，8月南寧市城區灰霾較多氣溶膠反演厚度在0.5以上的面積達到83%，氣溶膠光學厚度達到0.7以上的面積達到20%，而南部氣溶膠分布較少，氣溶膠光學厚度在0.1～0.3之間；9月整個市區的氣溶膠擴散情況均較嚴重，由東南部延伸至中西部，氣溶膠光學厚度大部分在0.5以上，氣溶膠光學厚度達到0.7以上的面積達到30%；10月市區東北部、西部部分地區氣溶膠蔓延情況有所減緩，約為0.1，但氣溶膠光學厚度在0.9以上的面積仍達到24%，說明市內局部氣溶膠光學厚度較高，且擴散緩慢。

圖1 2018年8月、9月、10月HJ-1 CCD數據的氣溶膠光學厚度反演結果

2.3 結果驗證

本文將上述反演結果與AERONET國際氣溶膠監測網站MuKdahan站、Hongkong_poly站以及Bac_Giang站發布的觀測數據進行對比驗證，結果如圖2所示，可以看出，HJ-1 CCD數據的反演結果與AERONET觀測結果的擬合性較高，相關系數為0.779，線性擬合斜率為0.904；MODIS數據的反演結果與觀測結果的相關系數為0.625，線性擬合斜率為0.930，說明基于連續像元幾何角度數據算法的HJ-1CCD氣溶膠光學厚度反演結果的精度高于MODIS數據的反演結果，且與AERONET網站公布結果具有更好的一致性。

圖2 HJ-1CCD AOD、MODIS AOD與AERONET觀測值對比驗證結果

2.4 與PM2.5觀測值進行相關性分析

大氣氣溶膠是PM2.5的重要組成部分，然而目前對于PM2.5的監測仍限于地基儀器的瞬時觀測方法，難以實現多維度的動態監測[14-15]。研究氣溶膠光學厚度與PM2.5之間的相關性，對于PM2.5的實時大范圍監測具有重要意義。南寧市環境監測站共設立仙葫街道、振寧花園、北湖市場、市環境監測總站、農業科學技術職業學院、英華嘉園、大自然花園7個站點，對南寧市進行全年全天PM2.5監測。本文選用2018年8月、9月、10月的監測數據，如表1所示。

表1 PM2.5監測數據平均值統計/(mg/m3)

本文利用常用的線性模型、多項式模型對MODIS、CCD反演結果與PM2.5觀測值進行相關性分析，結果如圖3、4所示，可以看出，改進角度算法后的CCD數據反演結果與PM2.5觀測值的擬合性高于MODIS數據的反演結果；在基于線性模型的回歸分析中，改進角度算法后的CCD反演結果與觀測結果的相關系數為0.937，線性擬合斜率為0.967，截距為0.195，MODIS反演結果與觀測結果的相關系數為0.647，線性擬合斜率為0.886，截距為0.496；在基于多項式模型的回歸分析中，MODIS反演結果與觀測結果的相關系數有所提高，達到0.675，而CCD反演結果與觀測結果的相關系數保持不變，仍為0.937，說明基于逐像元角度數據算法的HJ-1CCD氣溶膠光學厚度反演與PM2.5觀測值的相關性更強，MODIS反演結果更適用于基于多項式模型的回歸分析方法，而CCD反演結果既可用于線性模型的回歸分析，也可用于多項式模型的分析。綜上所述，CCD反演結果可用于今后氣溶膠光學厚度與PM2.5的相關性研究。

圖3 HJ-1CCD AOD、MODIS AOD與PM2.5觀測值基于線性模型的相關性分析

圖4 HJ-1CCD AOD、MODIS AOD與PM2.5觀測值基于多項式模型的相關性分析

3 結語

本文針對HJ-1CCD角度數據的特點，提出了利用改進算法的HJ-1 CCD數據連續像元推算幾何角度，并生成合成數據的方法，最終反演得到南寧市中心城區的大氣氣溶膠光學厚度。結果表明，經過改進算法的CCD數據具有較高的反演精度，精度高于MODIS數據的反演結果；通過與PM2.5觀測值的相關性分析可知，HJ-1CCD數據的反演結果比MODIS數據具有更高的相關性。

下一步研究還應針對各類傳感器進行角度數據、參數記錄的改進計算，生成更加貼合下墊面類型的6S反演模型，不斷提高氣溶膠光學厚度反演精度；同時建立更加精細化的氣溶膠光學厚度與PM2.5的相關性模型，使PM2.5的時空分布研究更加多元化。