基于MODIS的气溶胶遥感监测实验研究

论文总字数：16932字

目 录

摘要.........................................................................................................Ⅰ

Abstract....................................................................................................Ⅱ

1. 引言.....................................................................................................1

1.1 背景……………………………………………………………………………………………………………………………1

1.2 国内外研究进展.............................................................................................................2

1.2.1 国外研究进展………………………………………………………………………………………………2

1.2.2 国内研究进展...................................................................................................3

1.3 论文结构...…………………………………………………………………………………………………………………3

2 方法和数据….………………………………………………………………………………… 3

2.1 原理................................................................................................................................3

2.2 关键技术……………………………………………………………………………………………………………………4

2.3 本文用到的数据………………………………………………………………………………………………………..5

3 气溶胶光学厚度反演………………………………………………………………………6

3.1 技术流程……………………………………………………………………………………………………………………6

3.2 试验步骤……………………………………………………………………………………………………………………6

4 结果和分析………………………..…………………………………………...……………11

4.1 结果………………………………………………………………………………………………………………………….11

4.2 分析..............................................................................................................................13

5 结论……………………………………………………………………………….………….….14

参考文献………………………………………………………………………………...………….15

致谢…………………………………………………………………………………………………….17

基于MODIS数据的气溶胶遥感监测

王鑫竹

，China

Abstract：Aerosol is a suspension system composed of solid or liquid particles. It participates in various chemical cycles and plays an indispensable role in today's global climate change. Optical thickness can be used as an indicator of air pollution which is an important optical factor of aerosol and reflect the extent to which particulate matter weakens solar radiation. In this paper, AOD is applied the MODIS data on June of 2011,2012 and 2013 about Beijing, with ENVI5.1 as the platform, basing on the 6S model, using the classical method of the Dark Dense Vegetation, and analyzes its temporal and spatial distribution. Every year the maximum of Aerosol optical thickness in Beijing is 1.95 and most of the value is higher than 0.73. These except that air quality in Beijing is bad. However, from the perspective of development, the air quality has been improved.

Key words：Aerosol；Optical Thickness；Dark Dense Vegetation；Beijing

1. 引言

1.1 背景

随着城市化，工业化的进程不断加深，环境逐渐恶化，人类生活受到的负面影响也随之加深，大气污染越来越受到世人的关注。北京市作为国家的首都，经济和政治文化中心，当地民众的生活却深受雾霾其害。为减少环境污染的影响，探究可持续化发展，响应国家建设“美丽中国”的口号，对北京大气环境质量的监测尤为重要。气溶胶粒子就属于大气环境监测的污染物里面重要的一环，它在气候过程中扮演着重要作用，主要体现在以下两个方面：（1）在云雾降水中，气溶胶粒子起着凝结核的作用，使云雾水滴能够产生并长大，从而促进了云雾降水的形成。（2）在大气辐射过程中，气溶胶粒子能够削减太阳辐射到达地面辐射的能量，自己本身也因为吸收了太阳能量得到增温，在大气运动中传导热量，从而提高高层大气的温度。目前，越来越多学者把精力投入到了对气溶胶粒子的研究中。

气溶胶是自然过程和人类活动造成，空气动力学直径在10^-3~20μm的固态或液态粒子。不同直径的微粒所能导致的影响也不尽相同。直径小于10μm的颗粒物能够积累在人体的呼吸系统^[1]中，威胁人类健康；直径小于2.5μm的颗粒则能导致近地面的可见度下降^[2]，影响交通运行，危害生命。因此，采取措施对气溶胶进行监测，可以实时跟进北京当地的气候环境的变化趋势，制定相应的政策和措施，从而为人与自然，人与社会的可持续发展提供指导性的意见。

依据目前的学术研究，尽管北京目前已经建立了地面观测站对气溶胶进行检测，但是由于这种方法获取的是空间点上的数据，且地面观测站点的分布有限不均匀，很难有效的反映大区域的气溶胶空间分布情况。新兴的监测技术即遥感技术，目前是利用 Terra/Aqua卫星上搭载的中分辨率成像光谱仪传感器（MODIS）观测的高分辨率卫星遥感资料反演气溶胶光学厚度。Terra 和 Aqua 卫星分别在地方时上午和下午过境，运行周期在1~2天的范围内，基本上每一天都能获取一次全球的观测数据。MODIS具有36个离散光谱波段，波谱范围是0.4~14μm，扫描宽度为2330km，MODIS的数据可以在不同波段下，反映陆地表面与气象因子有关的各项特征，如：气溶胶、温度、水体、云等 ^[3-5]。遥感技术凭借其时效性高、覆盖面广、分辨率高等特点，为人们实时掌握气溶胶的变化情况提供了依据。

当前，使用遥感技术监测最多的是气溶胶的光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）。光学厚度是气溶胶的一个重要的光学特性，是由气溶胶的对光的吸收和散射特性造成的，定义为介质的消光系数在垂直方向的积分，主要以散射为主，指沿辐射路径传输，单位面积上所有吸收和散射气溶胶产生的总削弱，是无量纲量。公式^[6]表示为：

或 （1）

其中，为气溶胶的吸收和散射的质量削弱系数，为气溶胶吸收和散射的体积削弱系数，为大气气溶胶密度，为大气厚度。光学厚度既能被用来描述气溶胶对光的削减程度又能表征大气浑浊程度，在研究气溶胶在大气变化过程的影响扮演者重要作用。

1.2 国内外研究现状

卫星遥感研究气溶胶始于20世纪70年代中期，随着社会的发展，利用卫星遥感技术研究全球的环境问题逐渐走上前沿。经过三十几年的发展，遥感技术取得了广泛的进展。反演气溶胶所用的传感器逐渐多样化，而基于不同的传感器反演采用的算法也相继完善和更新，近年来随着全球环境变化越来越恶劣，国内外涌现了一大批优秀的研究成果，遥感技术在目前显示出了良好的发展前景。

1.2.1 国外研究进展

国际上对于反演气溶胶工作的研究开展较早，Griggs^[7]等（1974）就提出了在无云的平面平行大气模型上，可见光和红外波段与气溶胶光学厚度之间的相关性，为后续卫星遥感反演气溶胶光学厚度提供了最早的理论基础。后续的学者在此基础上对此做了大量的研究，先后出现了基于不同传感器所采用的不同的算法。基于MODIS传感器反演气溶胶光学厚度有经典的暗像元法，深蓝算法，结构函数法；基于MISR传感器的多角度反演算法和基于POLDER传感器的偏振反演算法。后续有许多学者在这些算法的基础上做出了不同的研究，也有学者尝试开发新的反演算法。S. S. Gillingham^[8]（2012）基于反演MODIS数据的暗像元法，对Landsat-5卫星图像的气溶胶光学厚度进行校正反演，随后利用太阳光度计作为参考数据集，研究了暗像元法在Landsat-5卫星数据上也是使用的。Bilal^[9]（2013）在深蓝算法的基础上提出了一种能够简化了的应用于较复杂的陆地面的气溶胶反演算法，并在香港地区做出了验证，研究结果表明简化过的算法比MOD04 C005产品更具有代表性和精确性。A. Chudnovsky^[10]等（2014）为了解决MODIS 10km分辨率的数据产品不适合研究城市地区气溶胶的空间变化的问题，研究了一种新的大气校正算法，该算法能够提供1km分辨率的气溶胶数据，使用该算法在波士顿地区研究PM2.5与AOD（气溶胶光学厚度）的关系，并引用该关系预测当地的PM2.5浓度，验证了预测值与实际观测值高度相关，为获得城市PM2.5浓度提供了一种新的手段。S. Aryasree^[11]等（2015）以孟加拉湾海洋环境为研究对象，研究了近地面的气溶胶的季节性变化及其化学特征。Mehdi Akhoondzadeh[^12]（2016）等将遥感数据用于地震预测方面的研究，通过对16次地震时，大气中的气溶胶光学厚度进行研究，发现了在大地震前，由于产生了大量的气态分子，导致了气溶胶密度的上升的速率迅速增加，这代表了地震与异常的气溶胶存在显著关系，将AOD（气溶胶光学厚度）变化引入地震前兆加以研究提供了基础。Muhammad Bilal^[13]等（2017）对水面上的气溶胶进行反演，将SARA算法与MODIS 3K和VIRS EDR全球遥感数据产品作比较，研究表明SARA算法在水面上反演精度更高，接近于在陆地上的气溶胶反演。Antti Lipponen^[14]等（2018）在基于MODIS的基础上，开发了一种名叫BAR的新的反演算法，用于探测陆地上的气溶胶光学厚度。

1.2.2 国内研究进展

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