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关键词：
MODIS,气溶胶,表观反射率,香港
发表时间：
2013-02-04 16:08:35
摘要: 为了有效解决地区性和城市范围内的气溶胶分布并反演陆地上气溶胶的性质, 一种针对中分辨率成像光谱辐射计(MODIS )的气溶胶反演新算法应运而生. 本文首先通过改良的最小反射率技术(MRT )来确定季节性的地表反射率和利用瑞利通道辐射率中解析出大气上气溶胶的反射率来估计气溶胶的反射系数. 结果表明, MRT 地表反射率的图像和MOD IS 地表反射系数的产品(MOD09) 有很好的契合度, 两者的相关系数高达0. 9. 此外, 考虑到不同气溶胶的光学性质和太阳观测组合对计算辐射传输的影响, 本研究还制定了全面广泛的差算表( LUT) . 由此产生的卫星500m 分辨率的气溶胶光学厚度( AOT) 和香港太阳光度计(AERONET) 及M icrotopsII观测资料的相关系数r 分别为0. 96 和01 87 (相伴概率值p < 0. 0001) . 该研究证明了城区高分辨率气溶胶反演的可行性, 还能帮助研究气溶胶的分布和城区大气瞬态污染的影响. 此外, MOD IS 500m 分辨率的气溶胶光学厚度图像还可用于研究跨境气溶胶, 使定位珠江三角洲区域污染源变得可行.
气溶胶反演就是将气溶胶信号从表面反射中区别出来. 通过卫星平台来实现气溶胶探测和监视, 这项技术已经在过去的20年里得到了充分的发展. 尽管一些现有的气溶胶反演方法提供气溶胶在全球范围内的性质, 而由于大多数卫星传感器分辨率的限制, 气溶胶的更多空间细节特征仍处于未知状况. 此外, 在地表反射率较难辨别的区域里(如:沙漠、干旱及半干旱地区和城市区域)用卫星遥感来反演气溶胶是比较复杂的. 因此, 表面反射率的估计就成为气溶胶反演的一个关键因素.
K aufm an等( 1998) 最先提出暗背景密集植被( DDV )法, 并使用长波长通道算法来处理中分辨率成像光谱仪(MODIS) 卫星图像, 但DDV 算法只能适用于植被覆盖面积达到60% 以上的地表反射率
很低的区域, 该算法不能普遍适用于如沙漠、城区等明亮表面区域的气溶胶估算. Chu等( 2003) 的
研究显示, MODIS co llect ion 4 算法得出的数据与气溶胶遥测网络( AERONET ) 的太阳光度计数据存在一些正偏差( H o lben et al. , 2002 ). Remer 等( 2005) 和Levy等( 2004) 指出, 使用DDV 算法决定表面反射率时存在着某些固有的问题, 这意味着不准确的表面性质会导致气溶胶反演中出现误差.最近, Levy等( 2007) 改良了MODIS气溶胶反演算法中确定表面反射率的方法, 该算法( 称为
co llect ion 5)考虑了基于植被覆盖率和散射角度结合的相互关系. 尽管MOD IS collection 5 算法在气溶胶反演时的精确性和连贯性上有了重大进步(M iet al. , 2007; Li et al. , 2007) , 然而, 在中国南部地区特别是香港和珠江三角洲区域反演气溶胶光学厚度还是被证实存在很大的误差.
由于光亮表面的高反射率使地表和气溶胶的构成成分不易辨别, 这使得在这些区域进行气溶胶反演非常具有挑战性. Hsu等( 2004; 2007)最近提出了利用MOD IS图像针对沙漠、干旱及半干旱地区和
城市区域的深蓝算法. 同时, 为了推断气溶胶的信息, 还搭建了基于最小反射率技术(MRT)的表面反
射数据库( H erman et al. , 1997; Koeleme ijer,et al. , 2003). 实验结果得出的气溶胶光学厚度证实了其与AERONET 地面测量数据有很好的一致性( 30% 以内) . Lee等( 2006) 在韩国也利用类似的技术估计表面反射率并应用于气溶胶反演, 这项技术在光亮表面区域的气溶胶观测方面显示出一定
的优越性.
由于粗糙空间分辨率的MODIS产品( 10km )只对宽阔区域范围内的描述有意义, 而气溶胶监测经
常要涉及到一些复杂区域. 例如, 对香港城区( 1095km2 )的研究中(图1) , 就要求更多空间和光谱细节信息. 李成才等提出了基于改良的MODIS collection4算法的1km AOT, 并将其应用于对香港气溶胶反演的研究( Li et al. , 2005a; 李成才等, 2005b) , 但该算法在光亮表面区域受到限制, 而且算法的验证是通过手持式太阳光度计于受限时期内测定, 在精确性方面存在一定的误差. 为了能在一个比较详尽的层面上反演原本固有的气溶胶和绘制正在登陆的气溶胶的分布情况, 本文研究了一种结合改进MRT技术的气溶胶反演算法.图1 香港和AERONET地面观测站的地图Fig. 1 M ap ofH ong Kong and AERONET station1373
K aufm an等( 1998) 最先提出暗背景密集植被( DDV )法, 并使用长波长通道算法来处理中分辨率成像光谱仪(MODIS) 卫星图像, 但DDV 算法只能适用于植被覆盖面积达到60% 以上的地表反射率
很低的区域, 该算法不能普遍适用于如沙漠、城区等明亮表面区域的气溶胶估算. Chu等( 2003) 的
研究显示, MODIS co llect ion 4 算法得出的数据与气溶胶遥测网络( AERONET ) 的太阳光度计数据存在一些正偏差( H o lben et al. , 2002 ). Remer 等( 2005) 和Levy等( 2004) 指出, 使用DDV 算法决定表面反射率时存在着某些固有的问题, 这意味着不准确的表面性质会导致气溶胶反演中出现误差.最近, Levy等( 2007) 改良了MODIS气溶胶反演算法中确定表面反射率的方法, 该算法( 称为
co llect ion 5)考虑了基于植被覆盖率和散射角度结合的相互关系. 尽管MOD IS collection 5 算法在气溶胶反演时的精确性和连贯性上有了重大进步(M iet al. , 2007; Li et al. , 2007) , 然而, 在中国南部地区特别是香港和珠江三角洲区域反演气溶胶光学厚度还是被证实存在很大的误差.
由于光亮表面的高反射率使地表和气溶胶的构成成分不易辨别, 这使得在这些区域进行气溶胶反演非常具有挑战性. Hsu等( 2004; 2007)最近提出了利用MOD IS图像针对沙漠、干旱及半干旱地区和
城市区域的深蓝算法. 同时, 为了推断气溶胶的信息, 还搭建了基于最小反射率技术(MRT)的表面反
射数据库( H erman et al. , 1997; Koeleme ijer,et al. , 2003). 实验结果得出的气溶胶光学厚度证实了其与AERONET 地面测量数据有很好的一致性( 30% 以内) . Lee等( 2006) 在韩国也利用类似的技术估计表面反射率并应用于气溶胶反演, 这项技术在光亮表面区域的气溶胶观测方面显示出一定
的优越性.
由于粗糙空间分辨率的MODIS产品( 10km )只对宽阔区域范围内的描述有意义, 而气溶胶监测经
常要涉及到一些复杂区域. 例如, 对香港城区( 1095km2 )的研究中(图1) , 就要求更多空间和光谱细节信息. 李成才等提出了基于改良的MODIS collection4算法的1km AOT, 并将其应用于对香港气溶胶反演的研究( Li et al. , 2005a; 李成才等, 2005b) , 但该算法在光亮表面区域受到限制, 而且算法的验证是通过手持式太阳光度计于受限时期内测定, 在精确性方面存在一定的误差. 为了能在一个比较详尽的层面上反演原本固有的气溶胶和绘制正在登陆的气溶胶的分布情况, 本文研究了一种结合改进MRT技术的气溶胶反演算法.图1 香港和AERONET地面观测站的地图Fig. 1 M ap ofH ong Kong and AERONET station1373
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