6S模型在成都平原气溶胶光学厚度反演中的应用研究

饶玫瑰，苗 放，叶成名，董智慧

地球探测与信息技术教育部重点实验室(成都理工大学)，四川 成都 610059

6S模型在成都平原气溶胶光学厚度反演中的应用研究

饶玫瑰，苗 放，叶成名，董智慧

地球探测与信息技术教育部重点实验室(成都理工大学)，四川 成都 610059

针对成都平原特殊的地理环境和气候，使用6S模型，结合暗像元法，通过Java编程和折中查找法，对成都平原的MODIS影像进行气溶胶光学厚度的反演。将反演结果与NASA(美国国家航空航天局) 发布的MODIS气溶胶标准产品作对比检验，验证反演结果的准确性。研究表明，反演结果较NASA产品具有更细致的表现力。

6S模型； MODIS影像；气溶胶光学厚度 ；反演

成都平原位于四川盆地，且雨水丰富，多云天气较多，无云影像难以获取，反演难度较大。为此，笔者使用6S模型对成都平原的MODIS(中分辨率成像光谱仪)影像进行了气溶胶光学厚度的反演研究。研究选取区域为北到绵阳、南到乐山、东至龙泉、西至崇州，即地理位置为北纬29～36°，东经103～105°。选取分辨率为1km的MODIS影像数据。利用光学厚度与地表反射率的线性关系，使用6S模型，结合Java编程和折中法对选取好的暗像元进行逐个反演。该方法与建立查找表的方法相比，能更有利于提高反演速度和控制反演精度。

1 6S模型基本原理

6S模型全名为太阳光谱卫星信号的二次模拟，该模型能够预测无云大气条件下0.25～4.0μm 的卫星信号,MODIS的可见光与近红外通道(1～19、26) 的波长分布在该范围内。对于朗伯体表面而言,卫星传感器接收到的表面反射率为[1]:

(1)

式中,ρ′(θs,θv,φv)是传感器所接收的大气顶部反射率；ρα(θs,θv,φv)是瑞利散射和气溶胶散射引起的程辐射；θs、θv、φv分别是太阳天顶角、观测天顶角和方位角；S为大气球面反射率；T(θs)是下行辐射总透射率；td(θs)是上行散射辐射透射率因子；e-τ/ρv是直接透射到传感器的上行辐射,ρv=cos(θv)为卫星天顶角的余弦；τ是大气光学厚度；ρ(M)表示非均一目标反射率；ρc(M)表示邻近效应； 〈ρ(M)〉是平均环境反射率； tan(θs,θv)是大气分子和水汽吸收因子。

6S模型考虑了几何参数、大气、下垫面、气溶胶性质、目标物以及光谱等多方面的情况，所以定义了大量的输入参数。研究中使用的6S模式版本为Version 4.1，由FORTRAN77语言编写。6S大气辐射传输模式的输入参数有以下5部分[1]：①几何路径参数。主要包括卫星影像接收日期、卫星天顶角、卫星方位角、太阳天顶角、太阳方位角、传感器高度、目标海拔高度等。②大气模式。该模式包括热带大气、中纬度夏季大气、中纬度冬季大气、副极地夏季大气、副极地冬季大气和美国1962年标准大气，此外，用户还可以选择无气体吸收大气和自定义大气模式。③气溶胶模式。该模式包括气溶胶类

型和气溶胶浓度。气溶胶类型总共有13种可供用户选择，其中7种为标准模式类型，分别是无气溶胶、大陆型模式、海洋型模式、城市型模式、沙漠型模式、生物模式和平流层模式，另外有6种自定义类型。关于气溶胶浓度，6S模型可以根据用户输入的气象能见度值(km)计算出气溶胶在0.55μm处的光学厚度，也可以直接由用户给定0.55μm处的气溶胶光学厚度值。④光谱条件。模型给定了59个常用卫星传感器的光谱波段(包括NOAA、SPOT、LANDSAT和MODIS等)，使用时只需简单输入对应的序号数值即可，其中MODIS的前7个探测波段对应序号为42～48。⑤地表反射率类型。模型中将地表分为均一和非均一2类。在均一表面情况下，又分为无方向影响(朗伯体反射)和有方向的影响(二向性反射)2种情况。由于缺少必要的地表状态参数，可以把地表反射假设为朗伯体反射。

在以上参数确定的前提下，给定一个地表反射率和气溶胶光学厚度的值，就可根据式(1)计算得到一个表观反射率的值。通过逆向运算就可以反演出像元点处的光学厚度值。

2 反演方法及流程

2.1确定地面反射率

2.2确定气溶胶模式

确定气溶胶模式之前要先选择一个大气模式。6S模型提供了7种大气模式和3个用户自定义大气模式。研究中用到的主要有5种大气模式，即热带大气、中纬度夏季大气、中纬度冬季大气、亚北极区夏季大气和亚北极区冬季大气[3]。确定大气模式要考虑到观测点的地理位置纬度与观测时间。成都平原位于北纬29～32°，所以在4月到9月选择中纬度夏季大气模式，在10月到下年3月，选择中纬度冬季大气模式。

6S模型提供了8种气溶胶模式和4种用户自定义气溶胶模式。其中主要用到的是大陆型气溶胶、海洋型气溶胶、城市型气溶胶、沙漠型气溶胶和平流层模式，另外还有用户自己输入4种粒子(灰尘、水溶型、海洋型、烟灰)所占体积百分比(0～1)的自定义模式[3]。

一个地区的气溶胶类型取决于气溶胶源的气溶胶类型, 因此主要考虑气团在运动到反演区域之前所在地区的地面状况。此外，还要考虑气团的运动方向、风向、风速等因素。成都平原地处四川盆地，植被覆盖率高，位于工业城市附近的下风方向(即气团从城市方向过来)[3]，所以选取城市型气溶胶模式。

2.3反演流程

图1 反演流程图

3 反演结果与分析

3.1光学厚度结果对比

NASA 2009-8-30 10km AOD(光学厚度)等值线图如图2所示。通过反演得到的 2009-8-30 1km AOD等值线图如图3所示。对图2和图3进行对比分析发现，通过反演得到的AOD等值线与NASA公布的AOD等值线的大体走向和趋势很接近，在几个主要城市的区域有较为明确的反映。以成都地区为例，在2009年8月30日，NASA结果反映成都地区的光学厚度值范围为0.45～1.05，反演得到的成都地区的光学厚度值范围在0.5～1.1，两者的结果非常接近。

图2 NASA 10km AOD等值线图(2009-8-30) 图3 反演得到的1km AOD等值线图(2009-8-30)

城市NASAAOD反演AOD差值成都0.55300.55310.0001乐山0.36010.39060.0305资阳0.15060.17190.0213自贡0.44830.46870.0204

表1所示为2009年8月30日几个主要城市区域光学厚度平均值详细对比。从表1可以看出，几个主要城市区域的NASA AOD和反演 AOD的差值范围在0.02左右，属于误差允许范围，说明该反演结果具有很好的准确性。

3.2反演结果分析

NASA公布的反演产品的分辨率为10km，笔者反演结果的分辨率为1km，暗像元选取数量是NASA的100倍，反演结果更加精细，能更加细致的表现出成都平原地区的光学厚度分布。图4和图5分别为2009年12月24日NASA产品和通过反演的光学厚度等值线图。对比图4和图5可以看出， NASA的结果仅仅只能反映出光学厚度大致分布情况，而反演得到的结果则能细致地表现出各个小范围区域的光学厚度分布情况，具有很好的表现性和参考性。

图4 NASA 10km AOD等值线图(2009-12-24) 图5 反演得到的1km AOD等值线图(2009-12-24)

4 结 论

1)利用Java编程和6S模型的算法，采用折中法对光学厚度进行反演，相对于建立查找表的反演方式，反演流程和精度可以得到很好的控制，具有很灵活的操作性。

2)相对于NASA公布的反演产品，该反演结果能更细致表现出成都平原各个区域的光学厚度值。

3)气溶胶的光学厚度能反映了该大气层中颗粒物含量的多少或空气污染程度，是空气污染程度监控等实际应用的一项参考指标。反演得到的1km分辨率下的光学厚度能很好地反映出当地的光学厚度分布情况，在环境监测方面具有很好的参考价值。

[1]Kaufman Y J.Algorithm for automatic atmospheric corrections to visible and near-IR satellite imagery[J].Int J Rem Sens,1988,9:1357-1381.

[2]赵春江.基于6S模型的遥感影像逐像元大气纠正算法[J].光学技术,2007,33(1):13-14.

[3]王新强.基于6S模型从MODIS图像反演陆地上空大气气溶胶光学厚度[J].量子电子学报，2003,20(5)：630-631.

[4]童庆禧,张兵,郑兰芬.高光谱遥感[M].北京：高等教育出版社，2006.

[编辑] 李启栋

10.3969/j.issn.1673-1409.2011.08.011

P407.4

A

1673-1409(2011)08-0035-04