基于MODIS数据的城市地区气溶胶光学厚度遥感反演研究

基于MODIS数据的城市地区气溶胶 数据的城市地区气溶胶 基于 光学厚度遥感反演研究

结论 展望

研究目标 研究内容

研究方案 技术路线

研究背景 目的和意义

国内外研究现状

两个基本概念气溶胶大气气溶胶是指悬浮在地球大气中的具有一定稳定性的，沉 降速度小的，粒径范围在10- 3微米到102微米之间的分子团、 固态或液态微粒所组成的分散体系，大气中悬浮着的各种固 体和液体粒子，例如尘埃、烟粒、微生物、植物孢子和花粉， 以及由水和冰组成的云雾滴、冰晶和雨雪等粒子，都是气溶 胶；

气溶胶光学厚度(AOD)气溶胶光学厚度是指沿辐射路径传输过程中，单位面积上 所有吸收和散射气溶胶而产生的总削弱，是无量纲量。

研究背景、意义和目的气溶胶在地球辐射收支平衡和全球气候变化中扮演着重要的 角色。 精确探测AOD,对于研究气候变化具有重要意义； 基于太阳分光光度计的地基探测方法可以比较准确地测量气 溶胶信息, 但获取的只是空间点上的数据，不能反映大区域 气溶胶时空分布； 卫星遥感反演方法具有覆盖面积广、信息获取方便、快捷等 特点，相对于地面观测可以更高效地获取大气气溶胶信息， 为人们实时了解大区域范围内的气溶胶变化提供了可能，因 此具有广泛的研究前景； 随着对地观测技术的实施以及定量遥感技术的发展，卫星遥 感AOD具有良好的发展前景；

AOD遥感反演国外研究现状国外利用遥感反演AOD进展呈现以下特点： [1] 始于20世纪70年代中期； [2] 从研究内容角度：利用卫星资料反演AOD取得了大量的研 究成果： 1)采用TERRA(AQUA) MODIS/MISR、PARASOL POLDER POLDER、 ENVISAT MERIS/AATSR等各种传感器进行AOD MERIS/AATSR AOD 反演，并基于太阳分光光度计的地基实测数据或者国际气溶 胶网(AERONET)观测数据进行精度验证； 2)基于不同的卫星传感器，进行AOD反演算法的改进或者 创新，形成了各种算法 ； 3)进行不同传感器之间 AOD反演的比较研究 ； 4)将反演的AOD和其他的环境、气候影响因子进行各种统 计相关分析，探求他们之间的相互影响机制 。

AOD遥感反演国外研究现状[3] 从传感器的发展角度： AOD遥感反演呈现多样化，传感器向多光谱、多角度、多偏振方向发展。

MODIS

POLDER

MISR

多光谱(36个波段)

多角度(16个观测角) 多偏振

多角度 (9个观测角度)

AOD遥感反演国内研究现状国内利用遥感反演AOD进展呈现以下特点： [1] 始于20世纪80年代中期； [2] 从研究内容角度：利用卫星资料反演AOD取得了一些 研究成果： 1)采用MODIS传感器进行AOD反演，并基于太阳光度计 的地基实测数据进行精度验证；

2)进行遥感反演AOD算法的改进或者创新 ； 3)基于国际气溶胶观测网(AERONET)数据对MODIS AOD反演进行精度验证的还很少； 4)对中国区域进行不同传感器AOD产品反演结果进行比 较研究的目前还很少； [3] 从传感器角度： 大多采用MODIS传感器；

技 术 路 线

主要内容配合卫星的过境时间，在兰大本部科学馆楼顶，对2005年5 月到2006年4月的晴空天气进行了地面多波段光度计的连续 观测试验，得到了32天的有效数据，以方便验证卫星资料的 反演验证工作。 对基于Fortran语言的6S辐射传输模型进行了单像元和整幅影 像的反演试验，完成了MODIS数据的整幅影像的反演。 利用6S辐射传输模式，通过Kaufman的扩展的暗像元方法算 法，对兰州及周边地区四个不同季节的气溶胶光学厚度进行 了反演，并对结果做了简单的分析。

多波段太阳光度计数据获取2005/5/8—2006/4/18 32天兰州大学本部逸夫科学管楼顶

0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 05月 6月 7月 8月 7月 8月 8月 9月 9月 9月 3月 3月 月 3月 月 10 11 4月

气溶胶光学厚度

月份

遥感反演AOD基本原理气溶胶散射相函数

ρ* (θV , θS , φ) = ρm (θV , θS , φ) +表 观 反 射 率 路 径 辐 射

ω0 τa Pa (θV , θS , φ) ρ(θV , θS , φ)Fd (θS , ω0 , τa , Pa )T(θV , ω0 , τa , Pa ) + 4µ V µS 1 S(ω0 , τa , Pa )ρ*地 表 AOD 反 射 率 大 气 后 向 散 射 比

T Fd 反射

感 射

表1 部分气溶胶光学厚度反演算法传感器 MODIS 算 法 参 考 Kaufman et al(1997) Lee et al.(2005) Diner et al.(2005) Deuze et al.(2001) Samter et al.(1999) Von hoyningen-hunene et al.(2003) Grey et al.(2006) Thomas et al.(in preparation) Thomas et al.(in preparation) ……... NASA MBAER MISR POLDER MERIS JPL CNES ESA BAER

AATSRAATSR-1 AATSR

AATSRAATSR-2

AATSRAATSR-3

……….

………

暗像元(Dense Dark Vegetation, DDV)算法Dr.Kaufman(NASA Goddard Space Flight Center ,1988); 大量飞机飞行试验; 陆地上的稠密植被、湿土壤及水体覆盖区(暗像元); 确定7通道的表观反射率和1,3通道地表反射率之间的 关系； 确定了红、蓝通道的地表反照率，并且假定合理的气溶 胶模型，就可以由卫星观测表观反射率来获取气溶胶光 学厚度；

ρR = ρ

* 2.1

/2

ρB = ρ

* 2.1

/4

扩展的暗像元算法Dr.Kaufman(NASA Goddard Space Flight Center , 2002);

干旱、半干旱等高反射地区； 对于星下点，暗像元方法可以用于反演中红外 通道表观反射率小于0.4的区域； 对于非星下点，考虑了太阳和卫星几何参数， 暗像元法可以扩展到中红外通道表观反射率小 于下式的地区(其中 µ 为卫星天顶角的余弦， µ 0 为太阳天顶角的余弦);0.125(1/ µ + 1/ µ 0 )

6S辐射传输模式介绍6S(Second Simulation of Satellite Signal in the Solar Sp

ectrum),即第二代太阳短波辐射的卫星信号模拟。 它是由法国大气光学实验室和美国马里兰大学地理 系Veromote 在5S模型的基础上开发的辐射传输模型， 目前己成为世界上发展完善的大气辐射校正模型之 一。 该模式主要用来模拟星载或机载遥测仪器在0.25微 米-4.0微米光谱上无云情况下卫星传感器理论上应 接收到的辐射值，模式的光谱积分步长为2.5 nm。

6S辐射传输模式组成部分太阳、地物与传感器之间的几何关系； 太阳天顶角/方位角；卫星天顶角/方位角 大气模式 ； 6种大气模式：中纬度夏季或冬季 气溶胶模式 ； 13种气溶胶模式：大陆型 传感器的光谱特性 ； 42或44 地表反射率模型 ； 均一地表/无方向性