基于MODIS影像的长株潭地区气溶胶光学厚度反演

曾 晶， 陈 浩， 樊奕茜, 刘 秀

(湖南科技大学 地理空间信息技术国家地方联合工程实验室，湖南 湘潭 411201)

1 引言

雾霾属于一种污染天气。它是由雾与霾两种物质混合所形成的悬浮在大气层下层的气溶胶系统。当气体分子和粉状粒子团聚凝集在近地面时，造成当地大气浑浊度上升，形成雾霾，这些分子微粒就是气溶胶粒子。形成大气气溶胶的人为原因多由工业生产、汽车尾气、以煤炭为主的燃料能源燃烧和自然生态系统中废弃物不恰当焚烧等人类活动所造成的废气排放，是部分地区污染天气的主要来源。

大气气溶胶的研究主要从以下四个方面展开：基于地面监测站的气象数据，分析其变化规律，实现气溶胶传输和扩散的研究，并根据研究结果给出决策性意见和建议；使用数学分析方法，结合现成气溶胶产品或者官方发布的监测网数据，以数学方法建立回归模型，对模型估算值与观测值进行相关性分析；对专业仪器采集到的污染物进行物理、化学成分分析，根据采样结果分析污染物来源、成因，并提出细颗粒物可降解方案；使用遥感、雷达数据，应用编程语言根据影像光谱特征构建不同算法，调用辐射传输模型获取参数，进行气溶胶光学厚度反演。

2 研究区概况

本文研究区域选择湖南省长沙-株洲-湘潭地区，位于湖南省中东部地区湘江中下游地带，是湖南省发展的重心。地理范围为112°48′～114°20′E，27°50′～28°22′N，地形东、西、南面有丘陵和山地，在湿润气候的影响下，空气不易扩散容易产生雾霾。

2014～2017年，长株潭地区可以检索到的严重污染天气为53次，其中2014年和2015年的6月均出现过一次严重雾霾天气，其余集中发生在每年10月至次年2月。为缓解、治理大气气溶胶带来的问题，湖南省政府及相关机构出台并实施措施，着手建立预警机制。因此，加强对大气气溶胶的监测与研究成为长株潭地区发展的一个重点。

3 研究内容

对长株潭地区2014～2016年三次雾霾污染天气展开研究，基于暗目标算法进行一种运行高效、精度较好的区域陆地气溶胶光学厚度反演方法。提取有效的暗目标像元，利用6S辐射传输方程生成查找表，利用查找表获取对应观测几何条件下的大气光学参数，将所得参数代入方程反演气溶胶光学厚度(AOD)。AOD 是通过积分计算出来的一个无量纲正值，该值可按反演地区和季节的不同设定范围，气溶胶厚度值越大代表大气透明度越低。

3.1 获取大气光学参数查找表

查找表是通过设定不同范围的观测几何条件及AOD，调用6S模型，模拟在上述条件下，通过循环遍历上述观测几何条件和AOD，获得每一个条件下对应的大气光学参数。通过影像辅助数据获取太阳天顶角、观测天顶角，根据获取的角度数据范围可设太阳天顶角和观测天顶角为0°～60°，步长为12°；相对方位角为0°～180°，步长为24°。AOD按0.05的步长，设置为0.001～1.95。

3.2 确定暗像元

对MODIS影像进行辐射定标和几何校正等预处理，得到的像元的值为表观辐亮度L。根据发射率经验阈值设定云像元判据为红波段表观反射率小于0.2且中红波段发射率小于0.02，建立掩膜设云像元为0值。利用NDVI指数确定暗目标像元，红波段受气溶胶影响吸收较强，短波红外通道影响较小，转化公式将短波红外波段代替红波段。经实验研究表明，0.01≤NDVI≤0.15选取的像元为暗目标。短波红外波段受大气影响较小，所以认为短波红外通道获取的表观反射率即为地表反射率，利用红蓝波段线性经验关系为0.5来估算出红波段地表反射率。

3.3 气溶胶反演

假设地表、大气水平与气溶胶均一，卫星传感器接收到的辐射LTOA为：

LTOA(μs,μv,φ)=L0(μs,μv,φ)+

rμsF0T(μs)T(μv)/1-rS

(1)

式中，μs和μv分别为太阳天顶角θs和观测天顶角θv的余弦；φ为相对方位角；L0为程辐射；r为郎伯体地表反射率；S为大气整层向下的半球反射率；T为大气透过率；F0为大气层顶太阳光的辐射通量密度。利用垂直入射的太阳辐射量 对式(1)进行归一化，可得表观反射率：

ρTOA(μs,μv,φ)=ρ0(μs,μv,φ)+

T(μs)T(μv)r/(1-rS)

(2)

式中，ρ0为程辐射等效反射率。

运用IDL编程语言，根据角度文件匹配影像对应像元筛选查找表中设定的观测几何条件，逐条循环求差值，最终输出差值最小的对应的光学参数P、T、S。将表观反射率和获取的P、T、S代入式(2)中，计算获得各像元地表反射率，输出与真实地表反射率差值最小时对应条件下查找表中设定的AOD。

4 反演结果与精度分析

数据选取原则，在地面数据有雾霾情况记载下选取少云或无云影像。基于暗目标反演算法得到三幅不同月份的反演结果图(见图1)。由于长株潭地区无公开发布的地基数据，采用NASA发布的MOD04产品验证(见图2)，其与AERONET站点的实测气溶胶数据相关性达到0.89，是目前较为精确的气溶胶产品。下载同时期MOD04 3K气溶胶产品，对原始数据进行几何校正、重投影和裁剪等预处理，获得该地区550 nm波长陆地气溶胶3 km分辨率校正产品。

图2 与MOD04产品结果散点对比图

由图1(a)可以看出，2014年4月4日长株潭地区AOD从0.25至1.95均有分布，反演结果中高值区集中在长沙城区范围，东部异常高值部分受云影响较大，由于当天部分薄云未去除干净，反演结果有部分异常值，集中在AOD=1.95处。将本文反演结果重采样为与产品同样大小，剔除空值像元后进行相关分析。如图2(a)所示，两者具有较好的一致性相关性达到0.75，均方根误差为0.15，表明数据离散程度小。

2014年6月15日图1(b)中雾霾情况严重，地面数据AQI表明属于中度污染。长沙、湘潭大部分区域AOD达到最高值1.95，仅有长沙东部和株洲南部的山区AOD值较小。反演结果与产品图空间分布较为一致，因反演结果空间分辨率高于产品空间分辨率，部分细节上反演结果更清晰仔细。如图2(b)所示，两者具有较好的一致性，相关性达到0.84，且均方根误差为0.16，表明离散程度小。AOD≥1.2时，气溶胶产品结果总体偏大。

由图1(c)显示，相较于图1(a)和图1(b)，2016年9月24日雾霾情况较轻，大部分AOD值小于1。长沙东部和株洲南部的山区AOD仅为0.25，空气质量良好。长株潭三市大部分地区AOD=0.5，长沙和湘潭接壤的城乡结合部地区AOD=1。如图2(c)所示反演结果与产品相关性为0.65，由于当天云量较少，反演的异常结果值少，均方根误差不足0.11。另从环境保护部卫星环境应用中心网站获取秸秆焚烧遥感监测日报，监测到2016年9月24日如图1(c)所示长株潭秸秆焚烧火点一个，火点位于113.042°E，28.083°N，属于省道禁烧区。由图可发现火点有局部雾霾区域，AOD反演值高达1.5。推测当天长沙中部地区轻霾来源为禁烧点非法燃烧秸秆，而MOD04产品中该薄烟覆盖部分视为云像元，被设置为空值。

研究数据对应春、夏、秋三个季节，在6S辐射传输模型中分别设置气溶胶类型为大陆型、城市型和生物质燃烧型，进行气溶胶数值模拟反演，将三种类型的反演结果与气溶胶产品进行对比，总体对比结果如表1中所示。采用大陆型和生物质燃烧型气溶胶模式的反演结果与气溶胶产品值最为接近，大陆型反演结果整体偏高，生物质燃烧型反演结果整体偏低，以气溶胶产品结果为设置的标准大陆型气溶胶的反演结果更准确。

表1 不同气溶胶类型反演结果统计

5 结论与展望

本文基于暗目标法调用6S辐射传输模型生成查找表，使用MODIS 1 km数据进行长株潭地区的AOD反演。算法反演结果与产品结果空间分布整体较为一致。有效值的高值区与低值区较为对应，且与地形和城市分布存在一定关系。AOD高值区主要集中在长株潭地区城市发展中心、经济发达地区，雾霾聚集不易扩散，南部等农村山区地区则空气质量良好，长株潭地区东北部的岗地地势较为平坦，低丘缓坡 AOD较小。与MOD04产品进相关性分析发现可以构成较好的线性拟合，回归方程相关指数R2较高，标准误差RMSE离散程度小，与同期气溶胶产品数据接近。算法反演结果良好，1 km空间分辨率影像与MOD04结果相比更为精细，满足AOD监测的精度，可用于实际研究，保持了较好的信噪比，又提高了反演结果的空间精度。不同气溶胶类型反演结果表明：大陆型气溶胶整体反演效果最好，生物质燃烧型气溶胶对部分薄云、薄雾地区效果相较大陆型更佳；城市型气溶胶主要针对城市等高反射率区域，长株潭地区整体反演效果差。从这些结果来看，气溶胶类型的选择具有一定区域针对性和适用性。

本文在利用遥感影像反演长株潭地区气溶胶光学厚度的过程中存在以下问题：(1)MODIS数据去除云像元后仍有部分薄云残留，一定程度上影响后续反演结果；(2)本文采用的反演算法暗目标法主要针对浓密植被覆盖区，对高反射率地区，如城市、沙土等反演效果不好，在区域和时间上该方法有一定的限制；(3)研究区缺少地基数据，之后研究应在有地基数据的地区使用更多的影像进行算法验证。