使用MODIS近红外反演贵州地区的大气水汽含量

论文总字数：13593字

目 录

1 引言 1

1.1大气水汽含量简介 1

1.2 MODIS原理及其应用 1

1.3 ENVI说明 1

1.4 国内外研究现状 2

1.5文章结构说明 3

2 大气透过率的求解 3

3试验数据及预处理 5

3.1研究地区的选择和数据源 5

3.2几何校正 5

3.2.1 Bow-tic处理 6

3.2.2 几何校正 6

3.3影像的裁剪 6

3.4 操作步骤 7

4 用MODTRAN模型模拟大气透过率、大气水汽含量 7

4.1 大气透过率与传感器视角的关系 8

4.2大气透过率与大气水汽含量的关系 9

4.3 实验结果分析 10

5结果与讨论 13

参考文献 13

致谢 16

使用MODIS近红外数据反演贵州地区的大气水汽含量

陈凯翔

，China

Abstract： The inversion of atmospheric water vapor content by satellite remote sensing data is of great significance to the study of water cycle. Based on the theoretical analysis and establishment of the model, the MODIS near infrared data of Guizhou region on February 24 and October 10, 2015 were used to invert atmospheric water vapor precipitation (PWV) by the two - channel ratio method. Compared with EOS's simultaneous MODIS atmospheric water vapor products, the inversion results of this method can reflect the trend of atmospheric water vapor distribution, and have the characteristics of simple calculation and high efficiency.

Keywords: MODIS, PWV, Guizhou, Apparent reflectivity

1. 引言

1.1大气水汽含量简介

大气水汽含量（precipitable water vapor，PWV）是地球大气的重要组成部分。大气水汽含量在地球大气中所占比重并不大，仅仅占地球大气的0.1-4%，但是它却在各种天气气候变化以及大气运动中起着关键性的作用^[1]。除此之外，各地区的水汽含量数据在卫星遥感的研究中，也重要的研究方向之一。水汽相对于其他气体，对一些特殊波段的光吸收效应十分明显，这也是将水汽含量作为遥感研究中一个极其重要参数的原因。正确的研究处理大气中的水汽含量，对研究大气圈的能量循环和物质流动起着举足轻重的作用。本文提到的大气水汽含量均可用可降水量（preciptable water）表示，单位是cm或mm^[2]。

1.2 MODIS原理及其应用

近几年，卫星遥感技术发展迅速，相比较其他观测途径，卫星观测更加方便并且更加精确。因此被应用到大气遥感、地形变化、能量交换等各种不同的研究中。尤其是近红外技术的发展，使近红外遥感技术逐渐成为反演大气水汽含量的主要手段^[3]。

中分辨率成像光谱仪 (Moderate Resoltion Imaing Spectroradiometer，MODIS)是一种空间的遥控仪器，是由美国发明的。MODIS被用于了解全球气候的变化情况，还可以被应用于研究人类自身的活动对全球气候的影响。20世纪末，Terra卫星搭载着地球观测系统（EOS）被发射到地球轨道，20世纪初，Aqua卫星搭载着同样的观测系统升空。MODIS可用36个光谱波段接收数据，波长范围为0.4μm到14.4μm，包含可见光到红外波段。影像分辨率为250米到1公里之间，每一至两日可完整扫描地球表面一次^[4]。

1.3 ENVI说明

本文使用的数据处理软件为ENVI。ENVI是一种遥感图像的处理软件，由美国ITTVIS公司研究开发，是目前世界上最先进的遥感数据处理软件之一。能够处理各种格式的数据，功能强大且操作简单，界面清晰简洁。ENVI可以对其他的数据进行控制，并进行预处理，直到研究人员分析得到结果^[5]。

ENVI的主要功能可大致分为以下五种：1、提供遥感数据显示和图像浏览功能2、提供多种变换工具3、分类方法丰富，几乎可以满足各种研究需要4、精细化处理高光谱数据5、将遥感数据转换为地图格式并输出^[6]。

1.4 国内外研究现状

目前，通常用于大气水汽遥感反演的方法，按照其不同的使用通道，可以分为三类，分别是：（1）近红外方法、（2）热红外方法、（3）微波方法。这是比较常用的三种方法。现在详细的解释一下这几种方法：红外主要使用617μm附近的水汽强吸收带或 11～13μm的分裂窗方法来反演 ,主要适用于探测600hPa高度以上的水汽 ,对低层的水汽难以测量 ,而大气中的水汽绝大部分位于对流层低层。微波方法是一种很好的探测手段,但又遇到下垫面放射率复杂空间分辨率低等问题的困扰。

Frouin等人首先提出，可以利用太阳反射光为辐射源,通过近红外区中一个弱吸收区、一个窗区两个通道测量大气中水汽的含量。在这篇的论文中，提到了近红外的方法。这个方法通过遥感仪器就可以测出，运用此方法进行测量，所用的器械包括：1、模块化电眼扫描(MOS ,德国)2、中等分辨率成像光谱仪(MERIS ,欧洲空间局)3、多光谱热成像卫星(MTI , 美国能源部)4、地球反射偏振和方向性测量仪(POLDER ,法国) 5、FY21C星扫描辐射计 (中国) 、中分辨率成像光谱仪 (MODIS,美国 NASA)，还有其他不常用的仪器，在这里就不一一说明了。这些仪器都是可以用于近红外的方法^[7]。

通过在地面上架设有限个地基观测站点进行观测，并根据相关参数计算得到水汽含量是传统的大气水汽含量主要探测方法之一。用这种方法获取的大气水汽数据精度和时间分辨率较高。可是我们在使用的时候是能用于小范围测量，而且不易操作，成本高昂。随后，国内外学者从探空实验、GPS卫星技术以及微波辐射计等多个方面进行深入研究。Fourin等人将太阳反射光当成源头，通过近红外的方法把大气中各个地方的水汽含量测量了出来，取得了较好的水汽反演结果，把与实际探空数据的误差控制在15% 左右。

之后的GPS卫星在这一方面有了很大的进步，Bevis等人认为可以用GPS卫星来测量大气中的水分，但是GPS易受到3km以下低层大气多种误差源的影响，导致结果精度低，以至于难以达到水汽数据的使用要求，对进一步分析数据造成麻烦；陈洪滨等人提出了这样的观点：太阳红外波段数据可以被用来反演大气水汽含量，在通过与实测数据对比之后，证实了观点的可行性及反演结果的可靠性^[8]；胡秀清等人利用940 nm通道透过率与水汽量常数关系，考虑了光谱响应函数及 不同大气模式的影响，发现 忽略气溶胶散射和分子散射后，大气透过率近似等于水汽透过率，并成功进行水汽反演实验，取得了较高的反演精度；黄意玢等人想到通过6S模型来模拟4个通道的反射率之比与大气廓线之间的关系，模拟结果同实际探空结果比较，相对误差在6%以下。

最近几十年，卫星遥感技术发展迅速，卫星观测得到的数据优势性明显，具有宏观而连续，所含信息量大，使用方便等特点，被广泛应用到大气，地表参数的定量反演遥感研究中。特别的是之前说的红外方法，为大气水汽含量的准确快速获取提供了新的思路。通道比值法是当前使用最为广泛的近红外水汽反演方法，主要包括二通道比值法和三通道比值法。两种水汽反演算法的原理基本一致，主要是根据水汽在不同光谱范围的吸收特性，特征选择水汽吸收通道的大气窗口的通道的比值来计算大气透过率，继而反演大气水汽含量。前者是基于MODIS数据第19通道和第2通道计算大气透过率，利用Gao和Kaufman实验得到的大气透射率和大气水汽含量函数关系计算大气水汽含量；后者是对二通道比值法的改进，增加MODIS传感器第5通道以及对水汽吸收特征敏感性不同的17、18通道，通过构建查找表或将大气透过率和大气水汽含量函数关系应用于17、18、19通道，对三者加权平均计算得到大气水汽含量。17和18通道分别在湿润，干旱条件下对水汽的吸收作用较为敏感，19通道为水汽吸收的综合通道^[9]。

在前人研究的基础上，考虑了地表反射差异对大气水汽含量反演的影响，模拟并分析MODIS数据17、18和19通道与大气水汽含量的关系，基于差分吸收原理，提出一种适用于MODIS数据的基于多通道反射比值大气水汽反演方法。

在这些方法之中，使用最为广泛，最为便捷，也最为精确地方法便是近红外方法。近红外方法的算法按照使用通道的不同，可以大致分为两通道比值法以及三通道比值法。这两种算法既有相同点，又存在着诸多不同之处。本文就是利用近红外技术的反演方法——通道比值法。该方法的原理是利用上文提到的水汽对不同波段的光谱具有不同反射率的特点，利用水汽吸收的波段之比来反映表观反射率之比，进而间接得到大气水汽含量。

1.5文章结构说明

本节旨在说明文章的框架结构

第一章 引言，对论文的研究背景进行了说明。

第二章 介绍了大气透过率的求解方法。

第三章 详细讲解了对本文的数据处理过程及方法。

第四章 使用MODTRAN模型，考虑影响因素，对大气透过率及大气水汽含量进行模拟。

第五章 总结通过研究得到的结论、研究中存在的不足及今后的研究方向。

2 大气透过率的求解

由辐射传输方程可知 ,MODIS卫星传感器在某一波长所接收的辐射亮度可以简单地表示为:

= （1）

在这里: λ表示传感器接收到的波长，为MODIS传感器接收到的辐射亮度。为大气上界太阳辐射亮度。为大气的透射比（太阳—下垫面和下垫面—传感器通过时的乘积，包含着大气含水量的信息。就是地表反射率 , 为通过时的散射辐射, 也就是大气程辐射。在通常情况下，相对于单次散射而言，大气对红外波段的影响较小，因此多次散射辐射在红外光谱区中几乎可以忽略不计。式（1）即简化为

= （2）

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