基于Landsat 8卫星OLI影像遥感反演盐城市区域大气能见度状况

李旭文，牛志春，姜晟，丁铭，蔡琨

(江苏省环境监测中心，江苏 南京 210036)



·前沿评述·

基于Landsat 8卫星OLI影像遥感反演盐城市区域大气能见度状况

李旭文，牛志春，姜晟，丁铭，蔡琨

(江苏省环境监测中心，江苏 南京 210036)

利用遥感软件ENVI 5.2的FLAASH大气校正模块,对盐城市2013—2014年共22景Landsat 8卫星OLI影像进行了区域大气能见度遥感反演，并与盐城市环境监测中心站的空气自动监测子站的PM10、PM2.5以及当地气象部门的能见度观测数据进行了对比。结果表明，OLI遥感影像可以对区域尺度大气能见度进行有效的观测，反演的区域性大气能见度水平与地面空气质量自动监测结果存在消长关系，与地面能见度数据有近70%的一致性。

Landsat 8 OLI；区域大气能见度；遥感反演；空气质量；盐城市

空气质量的下降常表现为空气浑浊，导致能见度降低的“雾霾”天气，人群对空气质量优劣最直接的感受为是否因雾霾导致的能见度显著降低[1-2]。在气象观测中，大气能见度一般通过气象视距(Meterological range)来衡量，是表征大气透明程度的一个重要的物理量[3-5]，也是开展污染天气预报预警的重要指标参数。盐城市虽然地处苏北沿海，大气扩散条件相对较好，但由于紧邻长三角地区，近年来工业、交通、生活排放以及外源输送等多种因素，区域大气污染防治问题也面临新的挑战。

大气能见度主要通过地基仪器进行观测[6]，反映的是观测基站附近一定半径范围的空气质量状况，如果要监测区域性大气能见度的空间分布，则需要设置大量的地面监测台站，往往受到能力建设投入的限制。近年来，随着卫星遥感信息的愈加丰富和获取的及时性，基于卫星遥感影像自身信息反演区域的大气能见度水平、得到气溶胶光学厚度(AOT)的空间分布，进而使得对区域空气质量和灰霾进行评价的研究得到发展[7-10]，正在成为地面监测的有效补充，且具有低成本、可有效监测区域面上分布等独特的优势。侯东等[11]对北京地区Landsat TM影像表观反射率用FLAASH大气校正软件处理，反演影像获取时的气象视距，与根据AERONET北京站气溶胶光学厚度观测数据计算的气象视距十分接近。文献[12]等利用主流遥感软件ENVI的FLAASH大气校正模块，对Landsat 7 ETM+数据遥感反演了太湖地区的区域大气能见度信息，显示与地面能见度观测结果有很好的一致性，表明有很好的可行性和业务化价值。

2013年2月17日，新的对地观测卫星Landsat 8成功发射，当年4月正式投入业务化运行，Landsat 8的新型传感器OLI(Operational Land Imager)继承了早期传感器TM/ETM+成功的光谱技术特性，在技术性能上进一步增强和优化[13]。随着老的Landsat卫星的退役，Landsat 8确保了时间连续性最好的Landast系列长达40多年的对地观测能力，成为近年来全球环境问题研究最新、最主要的公益性遥感数据源。由于Landsat 8 OLI继承了先前TM/ETM+的光谱遥感能力且性能得以优化改善，和TM/ETM+类似，可以探索利用OLI影像自身的光谱信息来有效反演区域大气能见度水平。现利用2013年以来的盐城市OLI影像，对该区域大气能见度信息进行遥感反演提取，并与地面空气自动站、气象观测站获得的涵盖卫星过境时间的11:00的地面空气污染物和能见度测量数据进行了比较分析。

1 研究方法

1.1 Landsat 8 OLI传感器技术特性

Landsat 8 星载OLI有9个光谱波段，各波段的波段范围、中心波长、辐射探测响应能力等均根据卫星遥感对地观测的应用需求进行了调整和优化，分辨率为15 m(全色波段)和30 m(多光谱波段)，与Landsat 7 ETM+相比(表1)，新增深蓝波段1，主要用于海岸带及陆域大型水面的水色及气溶胶监测，可用于近岸海域水质、赤潮、浒苔、悬浮物的监测和反演；新增卷云(Cirrus)检测波段9，位于水分子强烈吸收谱段，可有效剔除强烈反射太阳辐射的卷云对遥感带来的干扰[14]。

表1 Landsat 8 星载OLI的技术特性及与Landsat 7 ETM+的比较

①全色。

1.2 区域大气能见度遥感反演计算

大气能见度代表了一定区域的大气浑浊状况，与空气中PM10、PM2.5的质量浓度以及水平和垂直方向空间分布有直接的关系[15]，是反映大气气溶胶特性、评价区域灰霾问题的最重要的参数，昼间人眼能见度是指视力正常的人能从背景(天空或地面)中识别出具有一定大小的目标物的最大距离，取决于正常人眼的视觉感阈(Contrast Threshold)。但是气象观测以及遥感应用中表征区域大气能见度使用的是具有客观比较意义的气象视距。在国际上最常用的MODTRAN辐射传输计算软件中，大气能见度(Visibility，VIS)定义为0.55 μm中心波长的与水平方向大气光学厚度有关的数值，采用以下公式来计算[16-17]：

(1)

E550为0.55 μm波长处的气溶胶消光系数，0.011 59为0.55 μm波长处分子瑞利散射带来的消光贡献。由于大气中的消光系数随波长的增长而减小，所以波长增长时，能见度将增大，一般采用0.55 μm波长的消光系数近似表示可见光波段平均消光系数。除了沙尘暴、火山爆发等自然灾害天气现象导致大气中颗粒物粒径谱显著变化外，一般情形下在2.1～2.2 μm波长处受到气溶胶等导致的消光影响很小，也就是说2.1(2.2) μm波长对气溶胶是“透明”的，受其影响甚微。

遥感影像反演区域能见度、也就是气溶胶光学厚度的原理是基于“暗”目标像元法[18]。Kaufman等[18]在全球大量光谱观测数据基础上，经统计研究发现，在航空和卫星遥感影像中存在一些光谱上相对较“暗”的地物像元，其在一定的波段之间存在较为确定的反射率比值关系。例如，陆地稠密植被在短波红外(中心波长2.1～2.2 μm，对应Landsat 8 OLI波段7)的反射率ρ2.1很低，通常<0.1，且与可见光的红光波段的反射率ρ0.66(对应中心波长为0.654 6 μm 的OLI波段4)、蓝光波段的反射率ρ0.48(对应中心波长为0.483 6 μm的OLI波段2)存在较稳定的比率关系，见式(2)。符合式(2)约束关系的像元即为植被型“暗”像元。

ρ2.1≤0.1

ρ0.66=ρ2.1/2或ρ0.48=ρ2.1/4

(2)

在MODTRAN辐射传输模型中，选择大气模式和气溶胶模式后，通过假设气溶胶在边界层的垂直方向浓度分布特征，可以将水平方向能见度和垂直方向的光学厚度进行关联，从而得到气溶胶光学厚度(AOT)[16]。因此，气象视距概念的能见度VIS在MODTRAN中是确定大气浑浊状况的主要输入参数。一旦确定了遥感影像景内的能见度值，在假设的气溶胶模式下，就可以得到气溶胶光学厚度、大气消光系数等遥感影像大气校正所需的参数。

盐城市地处亚热带北缘沿海湿润地区，茂密植被地物很多，对盐城市OLI影像，以波段4和波段7的组合进行“暗”像元搜索较适宜。根据多年来全球各地大量的遥感大气校正应用经验，ENVI 5.2版的FLAASH推荐取ρ2.1上限为0.08，0.66和2.1 μm通道反射率比率关系取0.5，可更精准地找到符合式(2)约束关系的“暗”像元集合。

2 数据资料

以WRS轨道号为119/37 的Landsat 8 OLI影像覆盖的盐城市为研究区域，该区域为近十几年来经济发展迅速的江苏沿海地区。收集了USGS正式提供Landsat 8数据互联网下载服务以来，即自2013年4月—2014年底过境盐城市的OLI影像数据共22景，部分影像有一定的云量，但是对遥感反演区域能见度不会带来实质性的影响，因为被云层挡住全部或部分太阳辐射的阴影区像元，只要在卫星观测的垂直方向的光程未受到云层的阻挡，又属于较茂密的植被类型，其ρ0.66和ρ2.1关系也能符合“暗”像元寻找的条件，即在可见光的0.66 μm中心波长的波段陆面光谱反射特性对卫星接收到的总辐亮度的贡献占比越小越好，可以认为卫星传感器接收到的阴影区的植被像元的辐亮度主体部分都是代表了大气本身带来的程辐射贡献。

对TM、ETM+以及OLI影像反演大气区域能见度的大量大气校正处理经验表明，只要有可供搜索的以茂密植被为组成的陆面“窗口”净空区域，云量在50%以上甚至70%的Landsat影像均可以有效反演得到区域能见度数值。

2.1 空气自动监测数据

Landsat 8过境盐城市时间为北京时间10:30前后，选取了区域内盐城市环境监测中心站所设的环境空气自动监测子站作为本研究参考的地方环保部门监测的PM10、PM2.5数据源，查询得到涵盖了卫星过境时刻的代表10：00—11：00测量结果的11:00空气自动监测均值数据。

2.2 能见度地面观测数据

选取了盐城市当地气象部门、市环境监测中心站所设的环境空气自动监测子站安装的芬兰Vaisala公司PWD22能见度仪记录的数据。由于盐城市环境监测中心站该仪器安装、调试等原因，缺少部分时相的地面能见度观测数据，且部分数据还缺少系统、严密的仪器校订，主要以当地气象部门PWD22能见度仪记录的数据作为对比。

盐城市区域大气能见度遥感反演结果、地面空气质量及能见度监测数据见表2 。

表2 盐城市区域大气能见度遥感反演结果、地面空气质量及能见度监测数据①

①T为热带大气模式，MLS为中纬度夏季大气模式，MLW为中纬度冬季大气模式；由于一景Landsat影像覆盖区域面积约185 km×185 km，故气溶胶模式统一设置为rural(乡村)模式。

3 能见度遥感反演结果与地面监测数据对比分析

在ENVI 5.2遥感软件中，对上述22景影像完成辐射校正等预处理工作，得到辐亮度影像。在ENVI的FLAASH大气校正工具中，对辐亮度影像进行区域能见度遥感反演计算，需要在FLAASH中设置大气模式、气溶胶模式、气溶胶反演方法、传感器成像时间、影像中心的经纬度等参数。传感器成像时间、影像中心的经纬度等从遥感影像的元数据文件中获得。根据盐城市所处地理位置和气候特点，每年3—6月中旬、9月下旬—11月底大气模式采用MLS(中纬度夏季)模式，6月下旬—9月中旬采用Tropical模式，12月—次年2月采用MLW中纬度冬季)模式。气溶胶模式依赖的主要参数—能见度的反演采用多年来应用实践证明在全球范围很有效的Kaufman-Tanre陆地像元法，利用Landsat 8 OLI传感器的(4，7)波段对、即(0.654 6 μm，2.201 μm)暗像元法反演，统一取OLI 波段4与波段7的反射率比值关系为0.50，波段7的反射率上限阈值为不超过0.08，气溶胶标高取缺省值(1.5 km)，其余参数采用FLAASH软件设置的缺省值，计算得到这22景影像的区域大气能见度。与当地气象部门观测能见度数据的比较见图1。

由图1可见，22景数据中，有8次遥感反演区域大气能见度约10 km或更小，占36.4%，12次处于11～23 km范围内，占54.5%；2次超过23 km，占9.1%。表明2013年4月—2014年12月，Landsat 8观测反演的区域大气能见度总体上处于中低水平，代表洁净大气的高能见度(VIS>23 km)出现频率并不高。为与地面气象部门观测值比较，考虑到PWD22能见度仪测量值精度在10 km量程内为±10%，在20 km量程内为±15%，故以数值差接近或<6 km作为星地反演(测量)结果较为接近的判断。22景OLI影像反演区域大气能见度数值有15次与地面数据相差<6 km，平均相差3.17 km，占68.2%；2次介于6～10 km之间，占9.1%；5次超过10 km，占22.7%。2014年1月27日、3月16日、9月24日、12月13日、12月29日共5次遥感反演和地面监测值相差>10 km，剔除这5次卫星数据反演结果，以其余时相的数据分别绘制PM10-VIS(遥感反演)、PM2.5-VIS(遥感反演)散点关系图，见图2(a)(b)。

图1 盐城市区域大气能见度遥感反演结果(VIS)与气象部门地面观测数据的比较

图2 盐城市区域大气能见度遥感反演结果与当地环保部门PM10、PM2.5监测数据的散点关系

遥感反演区域大气能见度VIS与PM10、PM2.5总体趋势呈消长关系。分别以线性、指数、对数、幂次关系分析相关性，以幂次或对数拟合的相关性较高，VIS与PM10幂次拟合y=107.97x-0.466(y表示VIS，x表示PM10，下同)、R2=0.632 1，对数拟合y=-6.067 lnx+41.191、R2=0.640 9；VIS与PM2.5的幂次拟合y=54.357x-0.359、R2=0.599 9，对数拟合y=-4.533 lnx+31.7、R2=0.573。PM10质量浓度>100 μg/m3、PM2.5质量浓度>75 μg/m3时，多数情况下遥感反演值<10 km，很好地反映了大气的消光特性。

文献[10]分析Landsat 7 ETM+数据遥感反演太湖流域区域能见度与PM10的关系表明，PM10质量浓度为0.05～0.10 mg/m3，遥感反演能见度下降剧烈，当>0.09 mg/m3时，能见度普遍不高，发生灰霾天气现象的几率很大，对Landsat 8 OLI的数据也基本上验证了这一结论。此外，《环境空气质量标准》(GB 3095-2015)中PM2.5质量浓度的二级上限值设为75 μg/m3，与卫星遥感反演区域大气能见度水平有较好的对应，即反演值如果在10 km左右甚至更低，则区域的PM2.5质量浓度为75 μg/m3甚至更高，空气质量处于霾污染状态。

部分时相星地结果相差较大，可能与遥感反演原理、地面仪器测量原理有关。在卫星遥感反演方面，“暗”像元茂密植被主要分布在广泛的乡野地区，故结果偏重于反映区域性的整体状况，且Landsat 8 OLI属于宽波段传感器，缺少对大气柱水分含量精确定量反演的特征波段，因此在能见度反演时只能假设与选定的季节大致匹配的大气水分柱含量，不一定准确代表卫星成像时刻的空气相对湿度信息；在某些静稳、污染扩散不畅的天气条件下，城区和乡村地区不一定是水平均匀大气，空气污染物的城区-乡村分布可能有较大的差别；在边界层内气溶胶粒子数密度的垂向分布廓线也可能不满足指数衰减假设，重污染天气下气溶胶浓度高、粒径谱构成比较复杂，AOT值大，FLAASH中“暗”目标像元反演能见度、亦即气溶胶光学厚度的算法可能未考虑到对这种较为极端的情况的处理。在地面仪器方面，PWD20 型等地基能见度仪安装在城市建成区，利用前向散射测量原理测量中～低能见度天气条件下的气象视距，通过测量一小空气气团体积(约0.1 L的小采样值)中悬浮粒子对红外光的前向散射强度来推算能见度。5次遥感反演和地面监测值相差>10 km的原因为：

(1)2014年1月27日，遥感反演值反映盐城市区域能见度为25 km，地面测量能见度约13 km，虽然与遥感反演值有较大的差距，对本地区近年来空气污染形势而言，这还是一个不错的反映空气质量较优良的值，地面同步的PM2.5质量浓度为30 μg/m3,表明当时盐城城区细颗粒物浓度低、空气质量处于优的状态；

(2)2014年3月16日，反演结果显示盐城市区域的能见度约为23 km，FLAASH搜索到的“暗”像元分布较广，主要分布在盐城市南部及沿海地区。地面测量能见度约6.5 km，PM10质量浓度为177 μg/m3，PM2.5质量浓度为117 μg/m3，表明盐城市区处于中度污染状态。星地监测结果差异可能与PM10、PM2.5城乡分布差异有关，见图3。

图3 2014年3月16日暗像元的空间分布(红色显示)

(3)2014年9月24日，反演结果显示盐城市区域的能见度约为32 km，地面同步的PM2.5质量浓度为26 μg/m3，表明细颗粒物浓度低、处于优的状态，地面测量能见度为气象部门15.5 km,环保部门接近20 km，均为本区域相对较高的、代表城市建成区的大气能见度值，而且地面数据均来自于量程为0～20 km的PWD22能见度仪，超过量程上限均记录为20 km。考虑到仪器观测原理、局地代表性与区域面上平均值既有较强关联、也可能存在城-乡空间分异等因素，可认为遥感反演得到的高值是有意义的，反映了盐城市区域气溶胶光学厚度较小、大气较为洁净；

(4)2014年12月13日，大气能见度遥感反演值为19 km、地面监测值为9.3 km，PM10质量浓度为144 μg/m3，PM2.5质量浓度为70 μg/m3，空气质量接近二级上限，对照《霾的观测和预报等级》(QX/T 113-2010)属于轻微霾天气。卫星遥感反演数值偏高，具体原因不明，可能与气溶胶的城-乡空间分异有关；

(5)2014年12月29日，大气能见度遥感反演值为13.5 km，地面监测值为2.1 km，PM10质量浓度为326 μg/m3，PM2.5质量浓度为126 μg/m3，对照《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633-2012)，空气质量分指数(IAQI)属于中度污染级别。卫星遥感反演数值偏高，具体原因不明，可能与冬季静稳天气、污染物不易扩散和气溶胶的城-乡空间分布差别较大等有关。

4 结语

2013—2014年Landsat 8 OLI数据遥感反演区域大气能见度的初步实验表明，近70%的星地监测结果一致性较好，反映局地尺度的地面能见度测量值与面上的遥感反演值有较好的对应。有约23%的星地监测结果存在较大的差距(>10 km)，尤其是冬春季、空气中度污染程度时，遥感反演的区域大气能见度数值偏高，其原因尚不明确，初步推测大致缘于：星、地反演(测量)原理的不同，某些静稳天气条件下，城市建成区内工业源、机动车排放等多种来源污染相互叠加，区域空气水平和垂直对流扩散不畅，可能导致城市与乡村空气中颗粒物浓度存在较大的空间分布差异。总体而言，Landsat 8 OLI和早期的TM、ETM+传感器一样，均能够有效地监测区域大气浑浊情况，卫星遥感反演值能够较好地反映区域尺度的大气能见度水平，是空气质量评价信息的有益补充和重要参考。随着我国今后大力发展大气污染监测专用卫星应用体系，对省、市级区域尺度大气颗粒物、能见度等参数的遥感卫星在轨在线监测和实时反演能力的形成势在必然，可大大提高空气污染预报预警水平，保障区域空气质量安全。

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栏目编辑 李文峻

Remote Sensing Retrieval of Regional Atmospheric Visibility in Yancheng from the Landsat 8 OLI Satellite Images

LI Xu-wen,NIU Zhi-chun,JIANG Sheng,DING Ming，CAI Kun

(JiangsuEnvironmentalMonitoringCenter,Nanjing,Jiangsu210036,China)

22 OLI (Operational Land Imager) images of Yancheng acquired by Landsat 8 from 2013 to 2014 were retrieved with ENVI 5.2 atmospheric correction module-FLAASH.They were compared with the data of PM10and PM2.5collected from air automatic monitoring sub-station of Yancheng Environmental Monitoring Center and the visibility data observed by local meteorological department.The results showed that the remote sensing image of OLI could efficiently monitor atmospheric visibility on regional scale,and the retrieval of regional atmospheric visibilities showed negative correlation with the monitoring results of ground automatic air quality measurements,which matched with ground visibility data at approximately 70%.

Landsat 8 OLI; Regional atmospheric visibility; Remote sensing retrieval; Air quality；Yancheng

2015-04-23

环保公益性行业科研专项基金资助项目(201309008)；江苏省环境监测科研基金资助项目(1217)；高分辨率对地观测系统重大专项基金资助项目(05-Y30B02-9001-13/15-WX2)

李旭文(1966—)，男，研究员级高工，硕士，从事环境信息系统、环境遥感应用、生态监测等领域的研究工作。

X832

A

1674-6732(2015)05-0001-06