基于MODIS数据的呼包地区气溶胶反演

杨洵，张振超，苟青松

内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院

基于MODIS数据的呼包地区气溶胶反演

杨洵，张振超，苟青松

内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院

气溶胶对地球环境具有重要影响，故而备受关注。为了研究呼包地区气溶胶特性，文章利用Aqua卫星MODIS数据作为数据源，基于6S模型，利用暗像元法反演呼包地区气溶胶光学厚度，并结合地面观测数据进行精度验证。反演结果表明，呼包地区整体空气质量良好，利用MODIS数据反演AOT从而监测呼包地区环境变化趋势较为可行，能在一定程度上为环保部门提供决策依据。

MODIS；气溶胶光学厚度；暗像元法

引言

气溶胶是液态或固态等多相微粒在空气中的悬浮体系，粒径大小范围在10-3～10μm，有自然成因和人为成因。因其对大气能见度[1]、空气质量乃至整个地气系统皆有重要影响，并且会间接地改变大气化学成分从而危害人体健康，因此，对气溶胶进行相关研究显得尤为重要，也备受人们重视。

虽然传统基站测量监测可溶胶数据准确、可信度较高，但不能从宏观角度大尺度地反映气溶胶空间分布及其运行规律，且成本较高，遥感卫星反演正好弥补了这些缺陷。目前主要通过反演气溶胶对光的削减作用的量度—气溶胶光学厚度（AOT）来研究其相关特性，用气溶胶光学厚度来描述气溶胶消光性及其结果可以作为评估大气污染程度指标之一。2017年内蒙古自治区在政府工作报告中关于对大气污染防治提出了实施工业污染源全面达标排放计划，因此，使用MODIS数据对呼包地区进行气溶胶反演对于监测AOT空间分布及其变化趋势具有相当重要的现实意义。

1 研究区概况及数据来源

本文选取呼和浩特和包头地区作为研究区域，区域经纬度为E：109°25′～112°17′，N：39°37′～41°30′。呼包地区属大陆性干旱气候，昼夜温差较大，年均降水量约400毫米，冬季漫长严寒，夏季短暂炎热，该区属典型侵蚀构造地形，地貌类型较复杂。

本文反演数据来源于美国LAADS DAAC的MODIS MYD021KM数据，由于采用采取的方法为暗像元法，因其比较适合夏季气溶胶反演，故下载的数据时间段为7—8月。

2 AOT反演理论

2.1 反演原理

陆地上气溶胶遥感反演发展于卫星传感器探测到的大气上界的表观反射率ρ∗，它的表达式如下所示：

上式中L是大气上界辐射,F0大气外界太阳辐射能量，μ0太阳天顶角的余弦[2]。

ρ∗与地表反射率ρ(θ,θ0,ϕ)之间具有以下关系：

θ为卫星天顶角,ϕ相对方位角；ρa(θ,θ0,ϕ)为路径辐射,θ0为太阳天顶角；Fd(θ0)为向下透过率,其值小于1.0；T(θ)是向上总透过率,S是大气后向散射比,ρ''是在观测角和入射角上平均的地表反射率。

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，以提供气溶胶散射相函数ρa(θ,θ0,ϕ)，在确定了上述参数的辐射传输模型后,理论上就可以反演得到其上空的气溶胶光学厚度τλ，这就是气溶胶光学厚度遥感反演的基础[3]。

2.2 DDV估算反射率

考虑到地表覆盖的多样性，拟合得到三个不同区域的波段与地表之间的关系，这三个波段分别为：蓝光波段（0.47 μm）、红光波段（0.66μm）和中红外波段（2.1μm）。又因气溶胶在2.1μm波段几乎是透明，故在2.1μm处的表观反射率相当于地表反射率，所以可以用2.1μm波段表示其他2个波段，关系式如下：

ρR=ρ∗

2.1/2，ρB=ρ∗2.1/4式中ρR是红波段地表反射率,ρB是蓝波段地表反射率,ρ∗2.1是波段等于2.1μm的表观反射率。

2.3 查找表生成

已知ρa(θ,θ0,ϕ)和表观反射率ρ∗2.1，地表反射率ρ，S，T时，利用IDL调用6S辐射模型得到气溶胶反演的查找表，查找表建立起来了θ，θ0，ϕ，ρa，S，T，气溶胶光学厚度（AOT）之间的对应关系。

2.4 反演流程

利用MODIS L1B数据结合角度数据对研究区气溶胶厚度进行反演，在对发射率、反射率等各项数据进行预处理的基础上，再利用IDL语言调用6s模型生成查找表，对反演结果进行地面观测数据验证，最后对反演结果进行时空变化规律分析。

2.5 反演结果及精度分析

在经过各项数据处理基础上，利用遥感技术对呼包地区7月2日、7月15日、8月1日、8月15日的MODIS数据进行AOT反演，反演结果如下图所示：

图1 2016年7月2日反演结果

图2 2016年8月15日反演结果

AOT遥感反演结果需结合地面观测数据进行验证，气溶胶光学厚度地面观测站在呼和浩特和包头地区设有AOE—Baotou站。通过上述影像，根据AOE—Baotou站的经纬度信息读取AOT的值与AOE—Baotou站同时间段数据对比，对比结果如表1。

表1 包头站数据对比及误差分析

前面通过IDL调用6S辐射模型得到气溶胶反演的查找表，查找表中所含的AOD值只有0.0001、0.25几个值，即当真实AOD值小于0.0001时反演结果为0，当AOD值小于0.25是反演结果为0.0001。故上述数据均在实际值内，这表明反演结果具有可靠性。

3 结语

本文采用暗像元法对呼包地区AOT进行了反演，通过反演结果结合地面观测数据可得出以下几点：

（1）通过地面观测数据验证遥感反演的AOT精度，结果表明MODIS数据反演所得AOT在呼包地区比较符合实际，并且产生的误差在允许范围内，故此可利用遥感反演AOT来分析其在呼包地区空间分布及变化规律。

（2）由图1—图2可以看出同时段大部分区域AOT值小于0.5，说明呼包地区大部分地方的AOT的值较小，城区AOT值明显高于郊区，由此说明气溶胶与人口密集程度、人类建设活动密切相关。

（3）如图2所示，7月15日AOT平均值明显低于其它时间AOT值，这说明夏季雨水对气溶胶具有一定的吸附作用。

本文验证了利用MODIS数据反演AOT来监测呼包地区环境变化趋势较为可行，反演结果可信度较高，能在一定程度上为环保部门提供决策依据。

[1]Aiimoto H.Global Air Quality and Poll-ution[J].Science，2003（302）：1716-1719.

[2]王耀庭,王桥,李炬,窦军霞.气溶胶光学厚度在大气污染研究中的应用[A].中国气象学会2007年年会,2007.

[3]刘兆亮,麻金继.基于MODIS数据反演高反射率地区气溶胶光学厚度的方法研究[J].大气与环境光学学报,2012.