基于暗像元法的南宁市气溶胶反演

吴海燕 卢 远 华 璀

(广西师范学院 地理科学与规划学院， 南宁 530001)

基于暗像元法的南宁市气溶胶反演

吴海燕 卢 远 华 璀

(广西师范学院 地理科学与规划学院， 南宁 530001)

近年来空气质量备受人们关注，气溶胶光学厚度作为空气污染的指标之一，可反映空气质量状况。文章利用Terra卫星MODIS数据作为数据源，基于6S模型、暗像元法反演南宁市气溶胶光学厚度，将卫星反演结果与地面观测CE-318气溶胶光学厚度反演结果进行精度验证，结果表明MODIS反演AOD在南宁市具有可行性。基于MODIS的AOD反演结果表明，南宁市整体空气质量良好，少数区域的气溶胶光学厚度较高，具有由西北区域向中部及南部转移的现象。

MODIS；暗像元法；气溶胶光学厚度

0 引言

在城市化的进程中，人类活动(如工业活动、交通运输、化石燃料燃烧等)和自然源(森林大火、沙尘)向空气排放微粒，悬浮在大气中直径小于100 μm的被称为大气气溶胶(atmosphere aerosol)。人类健康及大气气候受到大气气溶胶粒子的影响很大，为此许多国内外学者非常关注气溶胶。气溶胶以直接或间接的方式影响着地气系统的收支平衡和气候，主要体现在以下两方面[1]：(1)使得更多的太阳辐射向地球外辐射，减小了太阳对地球的加热作用；同时由于气溶胶的散射和吸收作用改变了对大气的辐射加热作用。(2)气溶胶粒子作为凝结核，通过增加微滴数量增加了云的光学厚度、寿命、云层反射率、平均云量。大气气溶胶的生命周期短、物理及化学特征时空可变性高，观测资料严重缺乏，因此，受气溶胶的影响，目前很难利用其作为因子来监测气候的变化及进行预测。

AOD(大气溶胶光学厚度)既被用来表示对光的衰减作用又能反映大气浑浊度，可以直接反映大气污染程度。卫星遥感方法及地基遥感监测方法是目前常用的气溶胶光学特性研究手段[2]，卫星监测遥感方法重访周期短，卫星数据的覆盖范围广，数据可由许多网站免费提供，数据空间分辨率多样化，人力及物力投入成本低，为此可以实时、有效地观测天空大气气溶胶的变化状况，进而全面、连续地监测大气质量情况。

广西南宁市近年来经济发展迅速，人类建设开发活动强度不断增大，在东盟博览会及北部湾经济开发区建立后表现尤为突出。经济快速发展的同时，环境也面临着挑战，出现如生态环境质量下降、污染排放超标、空气污染严重等问题，尤其是空气质量问题备受人们关注。气溶胶光学厚度是表征气溶胶对太阳辐射散射和吸收消光作用的定量指标，能在一定程度上反映区域大气的污染程度[3]。文章利用卫星遥感MODIS数据，反演南宁市世锦赛期间(2014年10月6日至14日)的气溶胶光学厚度，评价研究区域的空气污染程度，分析其时空变化特征，为环境保护部门提供决策依据。

1 数据源及研究原理方法

1.1 数据源

美国NASA的MODIS是EOS-AM1系列卫星的主要探测仪器和EOS平台上唯一直接进行广播的对地观测仪器，具有36个光谱通道，波谱范围为0.4～14 μm[4]。MODIS探测仪搭载在TERRA和AQUA两颗卫星上，扫描宽度为2 330 km，地面分辨分别为250 m、500 m、1 000 m，实现每天可获取一次全球观测数据[5]，具有多光谱、宽覆盖和分辨率高等特征，广泛应用于大气气溶胶监测。 研究采用TERRA卫星的L1B 1KM的数据，基于6S模型、暗像元法，反演南宁市的大气气溶胶光学厚度，分析空气污染程度及变化特征。

1.2 卫星数据反演AOD原理

采用卫星及地基遥感手段反演气溶胶光学厚度主要基于太阳辐射能量向地表传输的过程中，其入射强度和性质受到大气气溶胶粒子的散射和吸收而发生改变，气溶胶粒子的光学特性可以通过测算太阳入射辐射的变化程度进行反演计算[6]。如果把卫星遥感视场角接收来着地表目标物的表现反射率标记为ρ*，就有ρ*=πL/F0μ0，其中L表示传输到达大气层上层界线的辐射能量，F0表示单位时间内传送到达大气层外层截面的辐射能量即大气外界的太阳辐射通量，μ0表示太阳入射光线与天顶方向的夹角余弦值即太阳天顶角的余弦值，表现反射率ρ*和地面目标物的反射率ρ两者间的关联可以标记为：

ρ*(θv，θs，φ)=ρ∂(θv，θs，φ)+Fd(θs)ρ(θv，θs，φ)/(1-sρ)

(1)

θv表示天顶方向与所在地与卫星之间的夹角即卫星遥感传感器观测视场天顶角即卫星的天顶角，θs表示太阳入射光线与天顶方向的夹角即太阳天顶角，φ表示太阳入射辐射的光线与遥感传感器观测视场方向散射辐射之间的方位角，ρ∂(θv，θs，φ)表示路径辐射，Fd(θs)表示假设地面目标物的反射率为零时，单位时间内向下传输到达地表的太阳辐射能量总和即归一化后总的向下辐射通量，T(θv)表示辐射能量向上传输进入卫星传感器观测视场时总的透过率，s表示太阳辐射传输经过大气层时后向的散射截面与入射光截面的比值即大气后向散射比。在单次散射中，气溶胶光学厚度ζ∂、气溶胶散射相函数ρ∂(θv，θs，φ)、单次散射反照率ω0决定了路径辐射，它们之间的关系为：

ρ∂(θv，θs，φ)=ρm(θv，θs，φ)+ω0ζ∂P∂(θv，θs，φ)/(4μμ0)

(2)

ρm(θv，θs，φ)是由于分子散射造成的路径辐射，μ0为传感器天顶角余弦值，由于ω0、ζ∂、P∂最终决定着Fd、T、s，为了能够从传感器观测到的辐射值反演出气溶胶光学厚度ζ∂，需要充分考察当地的气候气象条件，获得更加符合实际的情况的ω0、P∂值的气溶胶模式，将(1)与(2)结合得到：

ρ*=ρm+ω0ζ∂P∂/(4μμ0)+

FdTρ/(1-sρ)

(3)

由式(3)可知，当已知3个几何角度、地面反射率和气溶胶模式时，如果给出不同的大气气溶胶光学厚度ζ∂，可以计算得到不同的ρ*，如果卫星传感器的观测视场所测量获得的大气层顶层的表现反射率和公式计算得到的ρ*一致时，则有实际的AOD等于用来计算ρ*的气溶胶光学厚度[7]。

1.3 卫星遥感反演方法

大气气溶胶的反演公式表明，如果地面目标物的反射率ρ值不大时，分子散射造成的路径辐射ρm决定卫星观测到的表现反射率即大气贡献是主要因素，计算获得的AOD值与实际值之间基本一致，相反，假设地面目标物的反射率所占卫星传感器接收观测获得的表现反射率的比重大即地表反射率较大，则计算反演的气溶胶光学厚度与实际情况值之间差异较大[8]。

暗像元法又称为浓密植被法DDV，Kaufman和Sendra在计算反演密集植被覆盖区域上空的AOD值时提出并建立了该方法，其是目前用来反演气溶胶光学厚度最常用的方法。暗像元法反演AOD值的原理是基于在绿色植被较密集的区域，卫星传感器观测得到的地表反射率比较低，在可见光的蓝(0.459～0.479μm)、红(0.620～0.670μm)波段范围内作用尤为明显，可将大面积森林或植被比较茂密的区域像元作为暗像元目标[9]。Kaufman觉得在植被覆盖茂密区域，大气气溶胶对中红外波谱区域的干扰很微小甚至没有，进而可以认为地面目标物的反射率与传感器观测得到的表现反射率基本一致，红、蓝与中红外波段的地表反射率之间的线性关联性由Kaufman等人经过不断试验研究证明，可以标记为：

ρR=ρ2.1/2

(4)

ρB=ρ2.1/4

(5)

从上述两个公式中可知，中红外波段的地表反射率与表现反射率基本一致，进而利用2.1μm处的表现反射率计算得到红、蓝波谱的地表反射率[10]。选择合适的气溶胶模式结合计算得到的红、蓝波段的地表反射率，利用气溶胶反演原理公式运算获得AOD值[11]。

利用MODIS卫星观测数据进行气溶胶光学厚度反演时受天气影响较大，为此进行AOD反演前需要进行云检测处理，其原理为云层的温度较低，在发射率数据(热红外波段)上主要呈现暗色调，而在反射率(可见光波段)上呈现亮色调，依据这两者剔除云层的影响后，基于暗像元法反演AOD。

2 气溶胶光学厚度反演

2.1 反演结果

6S模型是基于辐射传输理论基础建立的，该模型描述在不同遥感器、地面状况下太阳光在太阳-地面-传感器整个传输路径中所受到的大气影响，涵盖了大气点扩散函数效应及表面方向反射率的模拟，其应用范围广，不受研究区域特点及目标类型等的约束。为此研究基于6S模型，确定大气所需参数，太阳天顶角、卫星天顶角都设置为0、12、24、36、48、60，相对方位角为0、24、48、72、96、120、144、168、180，气溶胶模式为大陆型，生成查找表，具体反演过程见图1。

图1 大气气溶胶反演步骤

利用南宁市2014年10月6日、10日、14日MODIS数据反演气溶胶光学厚度结果见图2。

2.2 卫星反演结果精度验证

利用CE-318太阳光度计获取对应日期的地基遥感观测数据进行精度验证。研究所采用的太阳光度计数据具有9个滤光片，分别为340、380、440、500、670、870、936、1 020、1 640nm，仪器摆架在东经108.312 5°，北纬22.833 33°。气溶胶光学厚度与波长之间的关系可表征气溶胶粒子模式及粒子的物理和化学特性。Angstrom认为可以忽略水汽导致的吸收，且臭氧的影响作用也较小，因此气溶胶光学厚度可以用波长指数α和大气浑浊度参数β的函数表示[12],利用可见光的波长表示为:

ζ∂(λ)=βλ-α

(7)

式中ζ∂(λ)为不同波长的气溶胶光学厚度，α为波长指数，β为大气浑浊度。太阳光度计采用多个波谱通道测量得到的气溶胶光学厚度，进行AOD值拟合，依据上式计算得到系数α和β。太阳光度计CE-318中没有与MODIS相对应的550nm波长，为此利用公式(7)进行插值运算，得到550nm的气溶胶光学厚度。太阳光度计的AOD取Terra卫星过境前后0.5h(10:00～11:00)的9个值，卫星遥感反演得到的气溶胶光学厚度取与CE-318地面观测点对应的3×3像元窗口的AOD值进行回归分析，建立方程及图3。

a.10月6日

b.10月10日

c.10月14日图2 南宁市2014年10月6日、10日、14日气溶胶光学厚度

从图3可以看出6日至14日期间，MODIS反演气溶胶光学厚度结果与CE-318太阳光度计计算得到的AOD的相关性较强，且相关性指标R值均在0.5以上，这表明卫星遥感反演气溶胶光学厚度与CE-318反演AOD结果基本一致。Levy等[13]认为MODIS与AERONET的回归方程在550nm处近似于：ζMODIS=0.9ζAERONET+0.1，一些学者们(Ichokuetal,Chuetal,Remeretal,Levyetal)认为气溶胶较大时，MODIS反演结果往往会低估AOD，反之当气溶胶较小时，MODIS反演结果高估了AOD[14-17]。

a.10月6日

b.10月10日

c.10月14日图3 MODIS与CE-318气溶胶光学厚度线性回归分析

南宁市气溶胶光学厚度反演结果与学者们的观点基本一致，6日、10日气溶胶光学厚度较小时，MODIS反演结果高于地面观测数据所得到的AOD,而14日时气溶胶较大，MODIS反演结果低于CE-318计算的AOD，且6日至14日期间AOD(MODIS)与AOD(CE-318)的线性回归方程基本符合Levy的观点。综上所述，利用卫星遥感手段反演气溶胶光学厚度在南宁市范围内是可行的，反演精度符合要求，反演结果具有较高的可信度。

2.3 气溶胶光学厚度反演结果分析

利用地面观测手段验证卫星遥感手段反演的气溶胶光学厚度精度，结果表明MODIS数据反演AOD在南宁市符合要求，反演结果误差在允许范围内，为此可以利用卫星反演AOD结果来分析南宁市的气溶胶光学厚度变化过程及趋势。从南宁市MODIS气溶胶光学厚度反演结果可以看出：

(1) 南宁市大部分区域的气溶胶光学厚度值低于0.55，少数区域的值较高，这表明南宁市整体的空气质量良好。6日、10日的气溶胶光学厚度在0.55以上的只集中少数区域，但14日区域范围扩大，空气质量有所下降，气溶胶光学厚度增加。

(2) 6日至14日期间，气溶胶光学厚度较高的区域均集中在某部分地区，且由西北区域向中部和南部转移和扩散，这可能与南宁市的气象条件相关。气溶胶粒子多集中于大气的底层，云的凝结核、雨滴、冰晶等的形成受其影响，具有分布不均匀、变化尺度小和复杂性的特点。南宁市秋季受风向、风速的影响，气溶胶粒子在东、南部地区不稳定，因此该区域的气溶胶光学厚度比西部地区相对较低。当区域的风向或风速改变时，会出现AOD向某些地区转移的现象。

(3) 气溶胶的来源呈现多样性，可来自细灰、微尘、盐粒及森林燃烧的烟尘等天然源，也可来自化石和非化石的燃烧、交通运输及工业排放的烟尘等人为源。从反演结果可以看出，6日至14日期间，南宁市AOD高值区域主要集中在西乡塘区、江南区、良庆区，表明气溶胶与人类的经济建设活动及人口分布密切相关。西乡塘区人口较多，人类活动比较频繁，所产生的排放物也相对较多，同时江南区、良庆区的工业生产活动活跃，工业生产会向空气排放的污染物比其他地区相对较多，为此这些区域的AOD值比其他区域的高。

(4) 南宁市总体空气污染程度不高，首要污染物主要为PM2.5、PM10。在国庆前期，南宁市空气质量保持为良，10月6日后开始发生变化，可能受到京津地区大范围的雾霾天气影响，北方冷空气南下，大气污染团向南及西南迁移，使得南宁市的污染天气加剧。

3 结语

为及时有效地掌握了解、减轻南宁市城市污染状况，应从以下几个方面努力：(1)各个科研部门应该在政府的领导组织下，借鉴有关首要污染物之一PM2.5的研究模式及成果，加强分析PM2.5的源解析、形成机理及传输模拟等，同时还要加强监测监控网络建立，使得PM2.5的自动监测更加完善，进而可以预报雾霾指数。(2)抓住主要矛盾，减少污染排放。随着经济的快速发展，大气环境污染也日益严重，国内外研究成果表明，现阶段的大气污染已不是以燃煤型为主的污染，而是复合型污染，这大大地增加大气污染研究的难度。为此，要加快调整能源结构，使用清洁能源，减少污染排放；同时应实施清洁生产，加大力度控制重点行业的污染物排放强度，同时要极力宣传节能环保意识。另一方面，对于高耗能、高污染行业要执行严格控制手段。(3)由于大气气溶胶受气象因素影响较大，为此要加强城市周边农村的秸秆焚烧治理，同时需要每个人都付出努力，共同创造更美好的环境而努力。

[1]JacobsonMZ.Strongradiativeheatingduetothemixingstateofblackcarboninatmosphericaerosols[J].Nature,2001,409:695-697.

[2]IchokuC,LevyR,KaufmanYJ,etal.AnalysisoftheperformancecharacteristicsofthefivechannelMICROTOPSIISunphotometerformeasuringaerosolopticalthicknessandprecipitablewatervapor[J].GeophysRes,2002,107(D13):4179-4183.

[3]Kaufman.Satelliteremotesensingoflargescaleairpollutionmethod[J].GeophysicalResearch, 1990, 95:9895-9909.

[4] 赵秀娟,陈长和,张武,等.利用MODIS资料反演兰州地区气溶胶光学厚度[J].高原气象,2005,24(1):97-103.

[5] 谭亚平,程承旗,耿晓晖.遥感分景数据的剖分索引模型[J].地理研究,2012,31(6):1132-1142.

[6] 程承旗,任伏虎,濮国梁,等.空间信息剖分组织导论[M].北京:科学出版社,2012.

[7]FraserRS,KaufmanYJ.Therelativeimportanceofscatteringandabsorptioninremotesensing[J].IEEETransactiononGeoscienceandRemoteSensing,1985,23:625-633.

[8] 刘翔龙,杨再昕.大气气溶胶光学厚度反演软件系统设计和实现[J].电子设计工程,2013,21(6):43-46.

[9] Kaufman Y J, Holben B N. Will aerosol measurements from Terra and Aqua polar orbiting satellites represent the daily aerosol abundance and properties[J].Geophysics Research Letters,2000,27(23):3861-3864.

[10] Kaufman Y J, Wald A E, Remer L A. The MODIS 2.1μm Channel-Correlation with visible reflectance for use in remote sensing of aerosol[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,1997,35(5):1286-1297.

[11] 李晓静,刘玉洁,邱红,等.利用MODIS资料反演北京及其周围地区气溶胶光学厚度方法研究[J].气象学报,2003,61(5):580-591.

[12] Angstrom A.On the atmospheric transmission of sun radiation on dust in air [J].Geogr Annual, 1929,2:156-165.

[13] Levy R C, Remer L A, Mattoo S, et al.Second-generation operational algorithm: Retrieval of aerosol properties over land from inversion of moderate resolution imaging spectroradiometer spectral reflectance [J].Journal of Geophysical Research,2007,112(D13211):10-14.

[14] Ichoku C, Kaufman Y J, Remer L A, et al.Global aerosol remote sensing from MODIS[J].Advances in Space Research, 2004,34:820-827.

[15] Chu D A, Kaufman Y J, Ichoku C, et al.Validation of MODIS aerosol optical depth retrieval over land[J]. Geophysical Research,2002,29(12):391-394.

[16] Remer L A, Kaufman Y J, Tanre D, et al.The MODIS aerosol algorithm, products and validation[J].Atmosphere Science,2005,62(4):947-973.

[17] Levy R C, Remer L A, Martins J V, et al.Evaluation of the MODIS aerosol retrievals over ocean and land during CLAMS[J]. Atmosphere Science, 2005,62(4):974-992.

Aerosol optical thickness in Nanning City determined by inversion calculation based on Dark Target method

Wu Haiyan, Lu Yuan, Hua Cui

(College of Geographical Science and Planning, Guangxi Teachers Education University, Nanning 530001, China)

the issue of air quality has attracted much attention in recent years. As one of indicators of air pollution, aerosol optical thickness can reflect air quality. The research used MODIS data as source, and applied 6S model and dark target method to carry out inversion calculation of aerosol optical thickness of Nanning city. In order to verify the accuracy, we compared the result with that from the ground observation by CE-318 and found that MODIS inversion of aerosol optical thickness is a reliable method for Nanning city. The overall air quality in terms of aerosol optical thickness in Nanning is fine except that in few regions the aerosol optical thickness is higher and aerosol migrates from north-west to central and southern areas.

MODIS; Dark Target method; aerosol optical thickness

2015-03-31； 2015-04-27修回

吴海燕，女，1990年生，硕士研究生，研究方向：大气污染及其防治。E-mail：1258959714@qq.com

卢远，男，1971年生，博士，教授，硕士生导师，研究方向：遥感与地理信息系统应用、土地利用及生态安全。

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