北部湾MODIS气溶胶光学厚度的反演

金 健，卢 远，李嘉力，华 璀

（1.广西师范学院 遥感与GIS开放实验室，广西 南宁530001）

北部湾MODIS气溶胶光学厚度的反演

金 健1，卢 远1，李嘉力1，华 璀1

（1.广西师范学院 遥感与GIS开放实验室，广西 南宁530001）

通过IDL语言调用6S模型源码生成相应查找表，对北部湾及周边区域2008年MODIS高分辨率（1 km×1 km）影像进行气溶胶光学厚度反演。反演结果与AERONET公布的Bac_Giang、MuKdahan和Hongkong_poly站的气溶胶产品进行精度验证，得出北部湾地区的气溶胶光学厚度反演，春、秋、冬季选取大陆型气溶胶模式,夏季选取海洋型模式能更好地贴近实际情况。运用此方法对北部湾以及越南东北部地区2004年、2006年、2008年、2010年中晴空少云天进行气溶胶时空分布反演并分析结果。

MODIS;气溶胶光学厚度;暗像元法;反演

1 方法和实验

1.1 研究数据来源

以2004年、2006年、2008年和2010年为研究时段，研究范围103°43'E～115°24'E，22°35'N～ 18°20'N。气溶胶光学厚度反演的基础数据来源于国际科学数据服务平台下载的MOD021KM Terra卫星1B（1 km×1 km）对地观测数据，并利用ARONET地基气溶胶观测网站上公布的2008年Bac_Giang（北江）站、MuKdahan（穆达汉）站和Hong_kong_poly（香港）站L2.0级550 nm陆上气溶胶光学厚度监测值对反演结果进行精度验证[1-5],如表1所示。ARONET监测网以法国CEMEL公司的CE318太阳光度计为观测仪器，计算得出气溶胶光学厚度(AOT)。它的反演精度可以达到0.01～0.02，足以作为真值用于检验卫星反演的AOT值[6]。

表1 ARONET观测站点信息

1.2 研究原理

本次研究采用经典暗像元法对研究区的气溶胶光学厚度进行反演。暗像元反演方法是利用植被密集、具有较低反射率的地表（即暗像元）在近红外与红、蓝通道反射率具有很好的线性相关性，以及短波红外波段气溶胶的影响和可见光波段相比可以忽略不计这2个重要性质推算出红、蓝波段的表观反射率[7,8]。利用6S模型计算查找表，通过输入地表反射率、相应几何参数、波段表观反射率来查找气溶胶光学厚度。

首先假设陆地表面为均匀朗伯面，大气垂直均匀变化，卫星接收到的辐射值即表观反射率L（µv） 表达为：

式中，µs=cosθs，µv=cosθv,θs与 θv分别为太阳天顶角与观测天顶角；Lo（µv） 为观测方向的路径辐射项；r为朗伯体地表反射率；S为大气下界的半球反射率；T为大气透过率；µsFo为大气层顶与太阳光垂直方向的辐射通量密度。

利用入射太阳辐射项Foµs对式（1）进行归一化可得大气顶部反射率ρTOA的表达式为：

式中，ρo为大气路径辐射项等效反射率；ρs为地表二向反射率，当地表为朗伯体时为r；Φ为相对方位角。从式（2）可以明显看出， ρs、S、ρo和 T（µs）· T（µv）等参数是未知量。S、ρo和 T（µs）· T（µv） 参数本身是气溶胶函数，ρs的估算直接影响地表反射噪声的去除[9]。为了从表观反射率反演气溶胶光学厚度，需要合理假定气溶胶模型，以提供单次散射反照率值和气溶胶相函数。在确定了气溶胶模式和地表反射率后，根据上述公式，可以从表观反射率反演得到气溶胶光学厚度。

1.3 反演步骤

本次研究选用MODIS数据的蓝通道（0.47 μm），红通道（0.65 μm）和短波红外通道（2.13 ～3.8 μm），并利用Kaufman提出的红、蓝通道与短波红外通道的线性关系[5,6]，以及暗像元法、6S模型反演0.55 μm波长气溶胶光学厚度。

步骤1： 进行去云处理。本次研究采用改进后的云检测算法，从可见光反射率、红外波段亮温值以及亮温差等方面综合考虑，逐步建立一个云检测掩膜[10]。

根据云检测原理中不同波段对云的敏感特性，以及MODIS数据各通道的波谱特性，结合大气窗口和云的辐射传输特点，分别选择了B1、B6、B8、B26、B29、B31波段，从可见光到热红外6个通道数据进行云检测[10]。并利用所选择的6个波段及波段组合进行逐像元检查，完成云检测处理工作，从而达到云和晴空分离的目的。

步骤2： 进行暗像元的选取并确定地表反射率。已有研究表明，当波长2.1 μm处的像元表观反射率ρ*2.1满足大于0.01小于0.4时，该像元可以认为是暗像元，但浓密植被2.1 μm波长处的反射率和0.47 μm、0.66 μm波长处的反射率之间的关系不仅与散射角有关，而且与植被的茂密程度有关[10]。其中散射角可以由观测几何参数获得：

式中，θs为太阳天顶角；θv为观测天顶角；Φ为相对方位角。

步骤3：确定气溶胶模式。 由于一个地区的气溶胶类型取决于气溶胶源涉及的气溶胶类型，因此关键要考虑气团在运动到反演区域之前所在地区的地面状况。根据国际气象与大气物理学会定义的标准辐射大气中的气溶胶类型，在对流层是由水溶性、沙尘性、海洋性、煤烟性4种基本气溶胶组分组成，同时根据4种组分含量的不同，定义了大陆型、城市型及海洋型3种气溶胶类型[9]。标准辐射大气气溶胶模式及各组分粒子的含量如图1所示。

由于北部湾北连我国大陆，西邻越南，南与南海相连，为中越两国陆地与中国海南岛所环抱，这种特殊的地理位置使得四季气候变化以及大气活动极为频繁。为了考虑大气活动对气溶胶空间分布的影响，本次研究对北部湾地区四季分别采用城市型、大陆型、海洋型大气模式进行反演。

步骤4：生成6S查找表。首先确定所需的大气参数，然后根据不同的太阳入射角和卫星观测角以及其他参数建立查找表。本次研究通过IDL语言调用6S辐射模型循环输入参数，根据实际需要设置步长，读取每一个影像的角度信息后建立相应的查找表，从而提高反演精度[11]。分别设置参数为:

图1 气溶胶类型各组分所占百分比

气溶胶光学厚度：taer55=0.005～2.000,step=0.05

太阳天顶角：asol=0～60,step=12

卫星天顶角：avis=0～60,step=12

卫星和太阳相对方位角：phiv=0～180,step=24

大气模式：iastm=2,为中纬度夏季

光谱参数：iwave=45

在反演过程中，假定特定的大气条件，根据辐射的入射和接收角度以及卫星测得的辐射或反射率，由查找表查出对应的气溶胶光学厚度。即进行逐像元查找，当某一个像元的表观反射率值、卫星与太阳天顶角、方位角值与查找表一样的时候，就选取那一列的气溶胶光学厚度值，并对反演出的结果进行均值化处理，得到各个季节的气溶胶光学厚度时空分布结果。

2 数据结果处理

2.1 结果验证

将反演的结果与AERONET（aerosol robotic network）国际气溶胶监测网站Bac_Giang站、MuKdahan站和Hongkong_poly站的观测数据进行精度验证。选取0.55 μm处的光学厚度值进行比较，用卫星过境前后半小时地基观测结果的平均值作为标准值，并以地基站点为中心在该站点位置0.5°×0.5°范围内的卫星数据反演结果的空间平均值作为反演结果样本，如表2～表5将AERONET网站上3个站点的四季观测平均值与MODIS反演的四季平均值进行对比[12-14]。

表2 春季AERONET观测数据与反演结果平均值对比

由此可见，大陆型和海洋型气溶胶模式的反演结果与AERONET网站公布的观测结果有一定的相似性，主要是因为大陆型气溶胶由乡村气溶胶组成，而海洋型气溶胶由海盐粒子和乡村气溶胶组成，两者的组成成分中绝大部分相同，而城市型气溶胶反演的结果与前两者相差很大，这是因为城市型气溶胶中沙尘类占了很大一部分。

分别对四季反演的多天数据进行一元线性回归分析，反演结果与观测站值的相关系数与拟合优度值统计如表6。

表6 四季气溶胶光学厚度反演值与ARONET观测数据一元线性拟合统计结果

春、秋、冬季使用大陆型气溶胶模式反演结果与AERONET网站公布的数据拟合优度是3类气溶胶模式中最高的，说明北部湾地区受乡村类气溶胶影响较大，这是由于北部湾及周边地区的社会经济发展状况使得实际存在的大气污染物类型和含量多属于沙尘型，极少量的煤烟型，并且受到海水环流、气旋以及降水等因素的影响，使得水溶性粒子增加。

夏季海洋型气溶胶模式反演结果与观测数据相关性最高，说明北部湾夏季受海盐粒子等海风影响较大。这是由于夏季北部湾地区降水强，风从热带海上来，多西南风，并受热带气旋影响，进入北部湾后强度增加，同时还产生多次回旋的气流，使得海盐粒子扩散。

2.2 年际变化分析

运用上述的反演方法对2004年、2006年、2008年以及2010年北部湾地区气溶胶光学厚度反演的结果进行对比。选择一年中云量较少的天数合成的影像数据作为研究对象。春、秋、冬季气溶胶模式选择大陆型，夏季选择海洋型。反演结果如图2、图3。

3 结 语

从四季反演的结果来看，春、夏、秋季气溶胶厚度较大，而由于城市地表的复杂性和冬季无植被区地表噪声去除的误差使得冬季反演值较小[13,14]。综上所述，本研究所采用的大陆型气溶胶模式反演的北部湾春、秋、冬季气溶胶光学厚度与AERONET网站上公布的结果具有较好的相似性，而采用海洋型气溶胶模式反演的北部湾夏季气溶胶光学厚度与AERONET网站上公布的结果能更好地吻合，可用于区域内大气颗粒物污染评价等相关研究。

对比年际反演结果可看出，广西南部的气溶胶光学厚度高值区在2006年有南移的现象，并在2008年和2010年呈现向周边扩散的趋势。从反演结果可以看出防城港、钦州以及北海地区为较高值区，尤其与越南交界处的东兴、凭祥等地的气溶胶光学厚度值由2004～2012年不断增大。而百色南部、贵港南部均为低值区。广东湛江的气溶胶也呈现扩散趋势，而东部的广州、中山一带为高值区。海南省的海口、三亚地区的气溶胶光学厚度也有较明显增加。越南北部与我国接壤的部分地区，尤其是北江及周边区域在2006年明显呈现小范围的高值区，而在2010年高值范围明显扩散至高平、宣光等省。其沿海地区的清化、河静的气溶胶光学厚度值也增加非常迅速。这是由于近年北部湾经济区的飞速发展，与包括越南、老挝、泰国在内的周边国家进行大量进出口贸易从而推动了各国经济的迅速增长，促进城市化进程，加快了工业化，加大各种染料的消耗、废气排放等。

文中使用经典暗像元法对北部湾及周边区域进行气溶胶光学厚度的反演，该反演方法简单实用、适应性强，其精度也能满足一般遥感应用研究，对研究北部湾及周边区域的气溶胶时空分布有很大的意义。

图2 北部湾夏季气溶胶光学厚度反演结果

图3 北部湾春、秋、冬季气溶胶光学厚度反演结果

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P237.9

B

1672-4623（2015）01-0008-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.01.003

金健，硕士，研究方向为遥感定量反演。

2013-12-09。