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PIE气溶胶光学厚度反演功能介绍

(2017-01-11 14:57:51)
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杂谈

1  引言

        气溶胶是指由悬浮在大气中的固体粒子和液体微粒与气体载体共同组成的多相体系,大气中悬浮着的各种固体粒子,如烟粒、粉尘、花粉、微生物,以及由水和冰组成的云滴、烟雾、雨雪和冰晶等液态小滴物资,都属于气溶胶。气溶胶是地球—大气—海洋系统的重要组成部分,气溶胶在全球气候变化、区域环境中起着举足轻重的作用。大气中的气溶胶粒子对入射太阳辐射具有吸收和散射作用,气溶胶的这种吸收和散射作用使得光束被衰减,这种衰减作用称为消光。对气溶胶的监测主要是监测其光学厚度(Aerosol Optical Depth, AOD),气溶胶光学厚度定义为沿辐射传输路径,气溶胶消光系数在垂直方向上的积分,用于描述气溶胶对光的衰减作用。气溶胶光学厚度是表征大气浑浊度的一个重要物理量,它对研究大气污染、气溶胶辐射效应具有重要意义,并在一定程度上能反映区域大气的污染程度。

        大气订正是遥感信息定量化过程中不可缺少的一个重要环节,这是由于空中遥感器在获取地表信息过程中不可避免地会受到气溶胶、水汽、臭氧等大气成分的吸收与散射影响。为了遥感地球表面的特征,必须首先对大气气溶胶含量、气体吸收和散射特性进行描述。气溶胶是卫星遥感图像大气订正中最为重要的内容,获取气溶胶信息对遥感研究本身具有重要影响。

        本文将以PIE遥感图像处理软件中的气溶胶光学厚度(AOD)反演功能为例,对其算法原理及反演流程进行一下介绍,并对部分试验成果进行展示。

2  算法原理

        AOD反演的基本原理是:对于绿色植被,假定红、蓝波段反射率比值关系为固定值k,利用植被指数NDVI判断浓密植被像元,由大气顶部表观反射率,结合假设的AOD值对应的大气校正参数,计算出地表反射率,得到浓密植被处红、蓝波段反射率的比值,使得该比值等于k的AOD即为真实的AOD值。

        AOD反演数学模型如下:

        假定地表是朗伯体,大气水平均一,垂直变化,忽略大气湍流、折射的影响,辐射传输方程可以表示成:

(1)

        式中:L为卫星接收到的辐亮度;L0为观测方向路径辐射;Td、Tu分别表示从太阳到地面、从地面到卫星大气层总的透过率;ρ为地表二向反射率;s为大气的半球反照率;系数1/(1-ρs)代表地面和大气层多次散射作用;E0为太阳常数;θ为太阳天顶角。

        对上式利用大气顶部辐照度E0 cosθ进行归一化,得到下式:

(2)

        式中:ρa为整层大气辐射路径反射率,包括大气分子和气溶胶散射的反射率。

        卫星观测的大气顶部表观反射率ρ*可以通过如下公式计算得到:

(3)

        从式(1-3)可知,卫星观测到得反射率ρ*,既与下垫面反射率有关,又与大气性质相关,而对于可见光波段,大气影响主要体现在气溶胶上。对于表现为亮地表的地球表面,卫星观测的表观反射率主要是地面反射率;当地面植被比较密集,即反射率比较小时,卫星观测的反射率主要是大气分子以及气溶胶产生的反射率。

        可将式(1-3)变化成如下形式:

(4)

          通过上面(1-4)、(1-5)两式,利用大气参数s、ρa、Td、Tu可从表观反射率ρ*计算得到地表反射率ρ。

        Kaufman等人研究发现,绿色植被在可见光红、蓝通道地表反射率之间存在一定的线性关系。利用这一依据开发出的反演气溶胶的方法适用于植被密集的暗背景地区,因此又称为DDV(Dense Dark Vegetation)算法。红、蓝波段(对应影像的第3和第1波段)的地表反射率之间存在的线性关系表达式如下:

(5)

        式中ρ_red^s和ρ_blue^s分别表示红光和蓝光波段浓密植被(暗像元)的地表反射率。为了确定k值的大小,我们选取了一些有代表性的植被,根据这些植被的光谱曲线,结合不同传感器的通道响应函数,进行积分运算,得到了红、蓝波段的反射率,拟合出的比例系数k值。

        对于同一大气模式和气溶胶类型,每一个给定的气溶胶光学厚度都有一组大气参数s、ρa、Td、Tu与之对应。若已知了卫星成像处的大气模式,则可以假设一组气溶胶光学厚度值,利用辐射传输模型模拟出大气参数s、ρa、Td、Tu,然后对每个波段都计算出一组地表反射率。再根据两个波段之间的地表反射率之间的固定的比值关系,使得计算出的红蓝波段反射率比值最接近该固定比值关系的气溶胶光学厚度即为此像元所对应的真实气溶胶光学厚度。

        在上式中,Td、Tu 总是以乘积形式出现,因此可将Td、Tu 作为一个参数考虑。实际反演过程中,是用6S辐射传输模型,通过输入不同大气模式和观测几何条件,计算出气溶胶光学厚度和s、ρa、TdTu 三个参数之间的对应关系,据此建立查找表。

3  技术流程

气溶胶光学厚度反演流程:

(1)查找表的构建

        为了避免在进行大气校正是分别对每个像元运行辐射传输软件,导致运行效率低下,需要实现建立大气校正参数查找表,在对输入影像进行大气校正时只需要根据大气状况和观测几何条件,在查找表中内插出对应的大气校正参数即可。使用 6S 辐射传输模型计算构建查找表的主要过程是,输入不同的大气模式、气溶胶模型、卫星观测几何参数、气溶胶光学厚度,并且考虑要观测数据所在的波段的响应函数,构建不同的s、ρa、TdTu 参数组合成查找表。生成大气校正查找表的输入参数包括:6种大气模式(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US62大气模式);6种气溶胶类型(大陆型、海洋型、城市型、沙漠型、生物质燃烧、平流层模式);15个太阳天顶角(0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°和70°);4个波段(蓝、绿、红、近红外);9个卫星天顶角(0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°和40°);14个气溶胶光学厚度,分布从0.05~2之间(0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.5、2.0);地表海拔高度设置为0米。这样就建立了由不同s、ρa、TdTu 参数组合而成的查找表,每个传感器对应一个查找表,以txt文本格式存储。为了减小单个查找表的大小,将每个传感器对应的查找表按大气模式分成了6个查找表,命名规则为“LUT_卫星名称_传感器名称_缩写大气模式.txt”。实际应用时,根据成像时的大气模式、太阳和传感器角度以及气溶胶光学厚度,在查找表中查找出参数,然后带入式(4)计算各像元的地表反射率。

(2)数据预处理

        针对影像数据的预处理主要分为两方面:一是数据分块,气溶胶的分布在一个较小的范围内是基本不变的,太高分辨率对气溶胶的监测来说没有必要,按照一定的大小进行数据分块后,认为一个块内的气溶胶含量一定;二是进行辐射定标,根据实验获得的定标系数对影像进行辐射定标,将影像的DN值转换为辐亮度,再从影像数据的元数据信息文件中读取太阳高度角、成像时间等参数,计算表观反射率。

(3)气溶胶光学厚度的计算与输出

        暗像元法的应用中,采用NDVI设定相应的阈值进行暗像元的选取,NDVI用表观反射率计算得到,NDVI大于0.4一般就可以认为是暗像元。根据大气模式、气溶胶类型、太阳天顶角等参数对照查找表进行插值,得到暗像元处1、3波段不同AOD下的大气参数s、ρa、TdTu ,将这3个参数和大气顶部表观反射率代入方程求解出不同AOD下对应的1、3波段地表反射率,再将计算的地表反射率之间的比值与“红蓝波段地表反射率比值k”对比,得到满足k值关系的AOD值。计算了暗像元的AOD值后,采用距离加权平均的方法内插出非暗像元处的AOD值,然后对结果进行平滑处理,最后加载投影信息后输出为AOD专题产品。

AOD反演流程图如下:

图1气溶胶光学厚度(AOD)反演流程 x 图

4  成果展示

        下面将对利用PIE气溶胶光学厚度反演功能反演的AOD部分成果进行展示,如下图所示。

图2基于MODIS数据反演的某研究区域AOD监测图


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