探究AOD与PM2.5关系的一般性方法

石益+陶剑+王杰+翁强鹏+吴建东

摘要：指出了目前我国面临的环境问题日趋严重，而大气污染问题更是成为阻碍我国经济可持续发展、影响居民生产生活的关键性因素，探究大气污染区域分布状况，掌握其变化规律，制定相应的大气治理方案已成为当前刻不容缓的议题。针对大气中PM_2.5含量问题，结合时下热门的卫星遥感技术，探究了MODIS数据反演气溶胶光学厚度（AOD）与同时段同地区监测到的PM_2.5的含量值关系的一般性方法，以实现利用气溶胶光学厚度对PM_2.5的监测的效果，从而对当前的PM_2.5监测技术达到一个有效补充和拓展。

关键词：气溶胶光学厚度（AOD）； MODIS数据；6S模型； 暗像元法

中图分类号：X513

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）14-0016-03

1 引言

近年来，空气污染问题成为人们越来越关注的一个问题，PM_2.5作为衡量空气质量很重要的一个指标，成为人们日常生活中除天气之外的另一项需要关注的问题。卫星遥感技术凭借宽覆盖、连续、动态等特点，使得其在大气环境质量的监测中具有连续性、空间性及预报性。利用卫星所搭载传感器获取的MODIS数据，探究其反演结果气溶胶光学厚度与PM_2.5的一般性关系，实现对PM_2.5的快速监测与及时发布，成为当前的一个研究热点。

2 基础信息介绍

2.1 大气气溶胶

大气气溶胶是悬浮在大气中的固态和液态颗粒物的总称，粒子的空气动力学直径多在0.001～100 μm之间。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3个方面。

（1）通过将更太阳辐射辐射向地球外，减小太阳对地球的加热作用。

（2）利用自身的散射作用和吸收作用改变了对大气的辐射加热作用。

（3）气溶胶粒子是一种凝结核，可以作为微滴数量增加云的光学厚度、寿命、云层反射率、平均云量。

2.2 气溶胶光学厚度

气溶胶光学厚度（AOD）是气溶胶具有的最重要的参数之一，它是对大气浑浊程度进行表征的关键物理量，也是确定气溶胶气候效应重要因素。气溶胶光学厚度的定义为介质的消光系数在垂直方向上的积分，用以描述气溶胶对光的衰减作用。

2.3 MODIS数据

MODIS数据是搭载于Terra和Aqua卫星上的中分辨率成像光谱仪观测到的可以同时提供反映陆地表面状况、云边界、云特征、海洋水色、浮游植物、生物地理、化学、大气中水汽、气溶胶、地表温度、云顶温度、大气温度、臭氧和云顶高度等特征的信息。MODIS数据可通过反演获得气溶胶光学厚度。

2.4 PM_2.5

PM_2.5是细颗粒物的另一种叫法，它又称细粒、细颗粒，指的是环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5 μm颗粒物。PM_2.5的构成很复杂，其化学成分主要包括有机碳、元素碳、硝酸盐、硫酸盐、铵盐、钠盐等，其来源主要分为自然源和人为源两种。PM_2.5具有粒径小、面积大、活性强、易附带有毒、有害物质（例如重金属、微生物等）且在大气中的停留时间长、输送距离远的特点，因而对大气环境质量和人体健康都有着不可忽略的影响。

3 探究AOD与PM_2.5的关系的一般性方法介绍

3.1 数据的获得

3.1.1 MODIS数据获得

Modis数据可从NASA卫星数据中心 （https：//ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html）免费下载。一般研究AOD与PM_2.5关系所需要用到的卫星数据类型为MODIS L1B产品，进行数据下载时需要根据自己的研究内容选择相应的时间和区域。为尽量减少云检验误差可能对反演结果造成的影响，宜选择以晴空为主的研究时间和研究区域的影像。

3.1.2 PM_2.5数据的获得

PM_2.5可根据自己研究区域向当地的气象局申请获得，也可以通过网站PM25.in（ http：//www.pm25.in/）等网站获得。

3.2 MODIS数据处理

3.2.1 操作流程

应用ENVI 5.0对MODIS L1B产品进行气溶胶反演，具体操作流程见图1。

3.2.2 操作步骤

3.2.2.1 MODIS的辐射校正

辐射校正是指对由于外界因素，对数据获取和传输系统产生的系统的、随机的辐射失真或畸变进行的校正，消除或改正因辐射误差而引起影像畸变的过程。

ENVI 5.0中打开MODIS影像的HDF文件就已经做了辐射校正。

3.2.2.2 几何校正

遥感成像的时候，由于飞行器的姿态、高度、速度以及地球自转等因素的影响，造成图像相对于地面目标发生畸变，这种畸变表现为像元相对于地面目标的实际位置发生挤压、扭曲、拉伸和偏移等，针对几何畸变进行的误差校正就叫几何校正。

MODIS数据处理过程需要进行如下阶段的几何校正。

（1）MODIS数据几何校正。利用ENVI5.0下对特定传感器进行几何校正的Georeference MODIS工具对MODIS数据进行自动几何校正。在进行几何校正的过程中，应注意保持GCP控制点以及对MODIS影像做双眼皮去除。

（2）反射率文件几何校正。发射率文件几何校正之后，可以利用导出的GCP控制点来校正其他文件。利用Wrap from GCPs ：Image to Map Registration工具对反射率文件进行几何校正，同时应该注意更改几何校正方法为Triangulation和重采样方法Bilinear，使其與之前的发射率校正结果相匹配.

（3）角度数据集的几何校正。笔者采用的MODIS L1B产品自身包含了角度信息，但是角度数据集的行列号与科学数据集的行列号不同，因此如果想用校正发射率的GCP控制点来校正角度数据集必须在校正角度数据集之前进行重采样到行列号为1354 ，2030。角度数据的几何校正和发射率的几何校正是一样的，根据校正发射率产生的GCP控制点，利用Wrap from GCPs：Image to Map Registration工具分别对卫星天顶角、卫星方位角、太阳天顶角、太阳方位角进行校正。

3.2.2.3 波段合成和裁剪

由于从NASA获得的modis数据一般除了包含所要研究的试验区域之外还往往包含研究区域以外的数据信息，此时便需要将研究之外的区域去除. 常用的方法是按照行政区划边界或者自然区划边界进行头像裁剪；在基础数据生产中，还经常要进行标准分幅裁剪。

（1）反射率和发射率的合成。在 ENVI5.0 下打开之前校正好的反射率文件和发射率文件，利用 Layer Stacking 工具进行合成，然后导入成都市的矢量边界，利用成都市的行政范围来裁剪。值得注意的是，合成文件的顺序应该进行调整， 必须是反射率在上，发射率在下。

（2）角度数据的合成。角度数据的合成和反射率发射率的合成是一样的，只是要注意角度数据合成时的顺序是卫星天顶角、卫星方位角、太阳天顶角、太阳方位角。

（3）合成后处理。对于合成后的反射率和发射率数据以及角度数据，都需要进行进一步处理后才能进行气溶胶反演。

（4）云检测。利用modis_cloud 工具对反射率和发射率合成裁剪后的结果进行云处理。

（5）角度数据。HDF中的角度数据是扩大了100倍的，所以在进行气溶胶反演之前要将角度合成数据利用band math工具乘以0.01。

3.3 气溶胶反演

3.3.1 反演原理

利用遥感技术进行气溶胶光学厚度反演的基本原理是通过对入射辐射变化的测量进一步反演出气溶胶粒子的相关特性，这是因为入射辐射的强度等性质会受到气溶胶粒子的散射作用和吸收作用而发生变化。

3.3.2 反演方法

利用LDL语言调用6S模型建立查找表，再利用暗像元法进行气溶胶光学厚度反演。

6S模型建立在辐射传输理论基础之上，用以地气系统中太阳辐射的传输过程的模拟及描述卫星传感器所接收到的辐射亮度。6S模式考虑了水汽、二氧化碳、臭氧等对辐射的吸收、分子和气溶胶的散射、非均匀地面和双向反射率等因素，使得该模型对太阳辐射在太阳-地面-传感器路径中所受影响的描述更精确。

使用6S模型进行辐射传输计算时，需要设定不同的大气气溶胶参数和传感器观测参数；根据所研究的时间范围选择相应的纬度季节大气廓线；假定气溶胶的模型为大陆型气溶胶并设定相应的气溶胶光学厚度值；地表参数设置为：海拔-0、地表覆盖类型-植被。另外，各参数角度设置为：9 个太阳天顶角分别为 0°、6°、12°、24°、35.2°、48°、54°、60°和 66°；12 个卫星天顶角分别为 0°、6°、12°、18°、24°、30°、36°、42°、48°、54°、60°和 66°；16 个太阳方位角与卫星方位角分别为 0°、12°、24°、36°、48°、60°、72°、84°、96°、108°、120°、132°、144°、156°、168 °和 180°。利用辐射传输模型，通过以上各个系数的配置，即可生成反演使用的查找表。其他值则可利用插值法获得。

卫星接收到地面物体的表观反射率可用公式ρ*=πL/F0μ0计算。式中，L代表到达大气上界的辐射能量，F0表示大气外界的辐射通量，μ0表示的是大气天顶角余弦值。则表观反射率ρ*与地面物体的反射率ρ（θv，θs，）之间存在如下公式：

其中，θv表示卫星的天顶角；θs表示太阳天顶角，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，ρa（θv，θs，）表示路径辐射，Fd（θs）表示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，Sp表示大气后向散射比。单次散射近似中，气溶胶光学厚度ζa、气溶胶散射相函数ρa（θv，θs，）及单次散射反照率ω0对路径辐射的结果有着重要的影响，这3者之间的关系可用如下公式表示：

式中，ρm（θv，θs，）是由分子散射造成的路径辐射，μ0是传感器天顶角余弦值，由于ω0、ζa、ρa最终决定Fd、Fd、Sp，需要在更加符合实际的情况下和值的气溶胶模式，才能够从传感器观测得到的辐射值反演出结果，这就要求充分考察当地的气候气象条件并由6S辐射传输模型得到最终结果，将（2）式代入（1）式得到：

由（3）式可知，当已知3个几何角度、气溶胶模式和地面反射率模式时，如果给出一系列不同的ζa，就可以得到一系列不同的ρ*，当得到的ρ*与传感器测量得到的实际大气顶层表观反射率相等时，用于计算的ρ*可以认为与实际的气溶胶光学厚度相等。

根据获取PM_2.5数据的监测点的经纬度坐标生成矢量文件使用 ArcGIS 10.0的提取属性至点的工具，提取出监测点位的 AOD 属性值。

3.4 AOD及PM_2.5相关性研究

利用获得的AOD数值与同时段同区域的PM_2.5数值进行线性回归，离差的数据需要剔除。在进行线性回归方程的构建时，需要按不同地点、不同季节进行方程的构建，以满足其空间性、季节性等特征。将获得的线性回归方程跟现已有的其他区域的AOD与PM_2.5的线性回归方程进行对比，分析其置信程度。进一步利用所研究区域其他时段的AOD值及PM_2.5的值對所得方程进行验证，检验它在实际应用中的可行性。

4 结语

介绍了基于6S大气辐射传输模型，结合改进的暗像元法进行大气气溶胶光学厚度反演，将获得的气溶胶光学厚度（AOD）与同时段同地区监测到的PM_2.5的值进行分析处理，构建AOD-PM_2.5线性回归方程，结合实际情况和已有文献资料对所得方程进行进一步的修正之后，最终达到利用所构建方程結合气溶胶光学厚度实现对PM_2.5的监测的一般性方法。这一方法虽然在对当前仍存在精度不够高、实际应用效果不明显等问题，但其处理结果在PM_2.5的监测和预报上仍然有一定的参考价值，它在一定程度上可以对当前的PM_2.5监测技术进行有效补充和拓展。相信随着卫星遥感技术的飞速发展，利用遥感技术对PM_2.5值等的实时监测和精确预报将最终实现。

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