基于MODIS数据渭南市气溶胶反演

邹健++崔婉哲

摘要： 气溶胶是气候变化和大气污染的重要影响因素。为了研究渭南地区气溶胶光学厚度等性质，使用2010年7月16日MODIS-L1B数据，利用黑暗像元法，在ENVI5.0系列软件中进行反演操作，反演出渭南地區当日的气溶胶光学厚度空间分布。通过对反演结果做进一步的空间分析。研究结果表明：渭南的平均AOD为0.45；渭南中部临渭区的AOD高于四周；以108.7°为界限，东边的AOD值明显小于西边；渭南夏季AOD偏低。

Abstract： The aerosol is the important influence factor of climatic variation and atmospheric pollution. In order to study the optical thickness and other properties of aerosol in Weinan area， the MODIS-L1B data in July 16， 2010 and the Dark pixel method are used to carry out the inversion operation in ENVI5.0 series software. The spatial distribution of aerosol optical thickness in Weinan area was obtained. The inversion results are further analyzed. Research results show that the average AOD of WeiNan is 0.45， the AOD in Linwei District of central Weinan is higher than that of the surrounding area， and based on 108.7° line， the AOD value of east is evidently less than that in west and AOD value is low in summer.

关键词： 浓密植被法；气溶胶光学厚度；MODIS；ENVI；反演

Key words： dense vegetation method；aerosol optics thickness；MODIS；ENVI；inversion

中图分类号：X513 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）12-0175-03

0 引言

大气与悬浮在其中的固体和液态且小于10的微粒共同组成的多相体系称为气溶胶[1]。大气气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）的物理意义是沿辐射传射路径，单位截面上气溶胶吸收和散射对太阳辐射产生的总削弱，它和垂直方向上的总气溶胶浓度有关[2]。研究气溶胶的光学厚度可以间接反映反演地区大气质量，对于研究陕西关中地区人们健康、地区气候效应以及大气污染都有一定参考价值。首先，气溶胶通过对太阳短波辐射的散射，以调节地—气系统的反射率，致使地—气系统降温，因而对地—气系统的辐射平衡产生间接影响；其次，气溶胶是海—陆—气系统中一种重要的组成成分，是大气辐射传输过程中三大活跃要素之一。它通过三个主要机制来影响气候：①气溶胶通过对吸收和散射太阳辐射，来影响太阳到达地球的热量；②气溶胶能一定程度变云属性，进而影响到达地球的太阳辐射量；③气溶胶能对大气中各类化学组成产生间接影响，通过改变这些化学成分及其浓度来间接影响气候[3-5]。

传统的气溶胶测量主要是地面基站测量，这种测量方法对气溶胶的监测具有准确、数据可信度高等特点。缺点是不具有连续性、难以从大尺度的范围来对气溶胶空间分布、运动轨迹进行研究；其次就是成本高。目前也有大量针对气溶胶光学性质的研究，MODIS为全球提供了针对分辨率为10km的气溶胶产品，但对于研究城市范围来说，10km分辨率的气溶胶产品不能满足需要，所以1km分辨率的卫星遥感反演，可以更好地反映城市和小区域的气溶胶状况[2]。本研究使用MODIS数据对渭南地区的气溶胶光学厚度反演，可以客观反应渭南地区AOD空间变化，对改善生态、促进社会经济可持续发展具有重要意义[6]。

1 研究区概况及数据

渭南市，隶属于陕西省，位于东经108°50′-110°38′和北纬34°13′～35°52′之间，地处陕西关中渭河平原东部、关中地区，是陕西省的“东大门”。总面积约13134平方千米，人口约560万。渭南属暖温带半湿润半干旱季风气候，四季分明，光照充足，雨量适宜。渭南地势以渭河为轴线，形成南北两山、两塬和中部平川五大地貌类型区型。

本文选取MODIS TERRA卫星数据产品 MODIS L1B数据MOD021KM.A2010228.0310.005.hdf。利用经典的黑暗像元法，对渭南市进行1km空间分辨率气溶胶光学厚度反演，并分析渭南市的气溶胶空间变化特征。

2 气溶胶光学厚度反演算法

2.1 反演原理

卫星遥感反演气溶胶光学厚度基本原理见式（1）：

Rref（？滋，？兹，？滋0，？兹0）=？籽a（？滋，？兹，？滋0，？兹0）+T（？滋0）T（？滋）？籽b/（1-？籽bs）

（1）

其中Rref是卫星观测到的整层反射率，是关于气溶胶厚度的函数，？籽a为整层大气层反射率，？滋为观测天顶角的余弦，？兹为观测天顶角的方位角，？滋0为太阳天顶角的余弦，？兹0为太阳天顶角的方位角，T（？滋0）为太阳到地面的大气层总透射率，T（？滋）为从地面到卫星大气层总的透过率（直射+漫射），s为大气的下垫面反射率，系数1/（1-？籽bs）代表地面和大气层多次散射作用。在假定一定的大气气溶胶模型前提下，如果知道了下垫面的反射率？籽b，根据公式（1）即可反演得到气溶胶的光学厚度[7]。

2.2 DDV（暗像元法）地表反射率估算

Kaufman等最先提出DDV（暗像元法），Kaufman等通过大量观测实验研究指出，在清洁的大气条件下，由于绿色植被对太阳光的強烈吸收，植被的反射率在红波段通道、蓝波段通道和2.1～2.6？滋m通道呈现出线性关系。由于气溶胶主要影响可见光通道的图像，而2.1～2.6？滋m通道的图像几乎不受气溶胶的影响，反映的是地面的特征。根据地表植被覆盖区的红（0.66？滋m）、蓝（0.47？滋m）通道和2.1～2.6？滋m通道的线性关系，红、蓝通道的地表反射率可以从2.1？滋m通道的地表反射率估算出来[7]，即：

p0.47=p■■/4，p0.66=p■■/2（2）

2.3 LUT查找表

它是基于6S大气辐射传输模型计算的查找表（LUT），并利用地面的暗目标自动反演陆地大气气溶胶光学厚度。LUT查找表是利用IDL调用6S辐射模型得到的，采用的是通用的参数，3-9月期间都可以用这一个查找表进行气溶胶反演[8]。

3 数据处理

利用MODIS的L1B数据反演气溶胶的流程如图1所示。

首先是数据预处理：几何纠正，对MODIS数据进行几何纠正，具体包括发射率纠正、反射率纠正，并对发射率、反射率合成剪裁生成，以及对角度数据的的几何纠正；云监测，运用IDL语言编写的拓展工具，进行云监测，其基本原理是利用MODIS某对云检测有效果的波段设置阈值把云的分布给提取出来。

其次就是数据可视化：调用通过6S模型建立的通用LUT查找表，得到包括渭南市的气溶胶光学厚度图，利用矢量 “渭南市行政边界”裁出渭南地区，生成图2。

4 反演结果与分析

4.1 渭南市光学厚度空间分析

在渭南市利用MODIS L1B数据进行了1km空间分辨率气溶胶光学厚度的反演，提取渭南地区的平均光学厚度得出渭南2010年7月16日11时的气溶胶平均光学厚度为0.45。从图2提取北纬34.5度附近提取横向气溶胶的光学厚度，见图3。

从图2和图3我们得到：

①以109.1°为界限，东边的AOD值明显小于西边。其原因和关中地区特有的地形的位置因素有关，渭南处于关中渭河平原东部，关中地区的城市呈现一种横向带状分布状态，渭南距离宝鸡、西安等关中地区的工业发达城市有一定距离，本身化工、金属冶炼等相比之下较不发达，所以以108.7°边界为界限，东西两边AOD值具有明显的差异。

②渭南地区7月16日AOD平均值本身较低。这是因为此时渭南处于夏季本身降水较多，空气湿润，水汽对气溶胶粒子具有吸附作用；太阳直射能力强，植被茂盛，植被也对气溶胶粒子具有一定的吸附作用；而且周边区域环境都较好。综合以上几种原因，渭南地区夏季AOD值偏低。

③渭南市内AOD值分布不均衡，渭南中部地区的AOD值明显高于周边，其原因和渭南市的工业和城市分布有着极大的关系，渭南中部为临渭区，是渭南市人口工业集中区，所产生的污染物及热量比周边多，进而增大了渭南中部的AOD值。

4.2 反演优缺点

①本文介绍了利用卫星遥感图像在ENVI5.0下的反演一个区域气溶胶光学厚度的的方法，利用该方法，能较全面的反映渭南整个地区气溶胶光学厚度的分布，相较于地面实测数据来说，更能从全局以及跨区域分析渭南气溶胶光学厚度的分布、趋势。

②基于Kaufman等提出的浓密植被法，具有反演原理简单，流程较易等特点，但是由于该算法是基于一些列植被指数，而北方地区普遍植被情况总体较差，仅能在3-9月进行反演操作。

③反演结果与实际的AOD值存在一定的偏差。如，利用6S辐射模型建立的LUT查找表，由于气溶胶类型的不确定可能会带来很大的误差；在做反射率纠正时，气溶胶下方的植被覆盖区的地表的红（0.66？滋m）、蓝（0.47？滋m）通道的反射率是从2.1？滋m通道的反射率估算出来，由于是线性相关公式，本身与实际情况具有一定误差。

5 展望与建议

为了对小区域气溶胶时空分布、运动轨迹等问题进行研究，建议采用卫星遥感反演城市和小区域气溶胶状况，目前这种方法已经在我国广泛应用。另外，建议在全国气象、环保等部门加深这种方法的推广力度，也鼓励相关专业学习这种方法。

参考文献：

[1] 李成才，毛杰泰，刘启汉.用MODIS遥感资料分析四川盆地气溶胶光学厚度时空分布[J].应用气象学报，2003，14（1）：1-7.

[2]刘昆，倪长健.成都地区MODIS卫星AOD产品的适用性验证及应用[J].成都信息工程学院学报，2015，30（3）：298-302.

[3]王耀庭，王桥，王艳姣，等.大气气溶胶性质及其卫星遥感反演[J].环境科学研究，2005，18（6）：27-33.

[4]莫招育，陈志明，黄囧丽，等.南宁地区秋季一次连续灰霾过程的污染特征及成因分析[J].桂林理工大学学报，2015，35（3）：540-548.

[5]李成才，毛节泰，刘启汉，等.利用MODIS卫星和激光雷达遥感资料研究香港地区的一次大气气溶胶污染[J].应用气象学报，2004，15（6）：641-650.

[6]韩晨.基于SPOT-VGT的陕西黄河湿地保护区植被覆盖研究[J].湖南农业科学，2016（55）：859-862.

[7]仁佳，王振会，孙林，等.基于MODIS数据反演江浙皖地区气溶胶光学厚度[J].环境科学与技术，2010，33（8）：167-171.

[8]王玲，田庆久，李珊珊.利用MODIS资料反演杭州市500米分辨率气溶胶光学厚度[J].遥感应用，2010（3）：50-54.

[9]赵英时.遥感应用分析原理与方法[M].北京：科学出版社，2012：19-28.