基于MODIS的气溶胶光学厚度反演算法及应用进展.pdf

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1、２０１２年２月第２期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｒｅｅｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ基于ＭＯＤＩＳ的气溶胶光学厚度反演算法及应用进展李加恒，刘厚凤，赵丹婷（山东师范大学人口·资源与环境学院，山东济南２５００１４）摘要：比较了基于ＭＯＤＩＳ传感器反演气溶胶光学厚度的主要算法，包括暗像元法、扩展的暗像元法、结构函数法、高低反差法、多星协同法，总结了基于ＭＯＤＩＳ反演气溶胶光学厚度技术在气溶胶领域的应用，探讨了气溶胶时空分布以及ＡＯＤ与地面颗粒物浓度的相关性研究。关键词：气溶胶光学厚度；传感器；反演算法中图分类号：Ｘ７０３文献标识码：Ａ文章编号

2、：１６７４－９９４４（２０１２）０２－０１０８－０４［６］１引言法遥感、多角度多通道遥感、偏振特性遥感等。在众多遥感气溶胶光学特性的研究中，最具代表性、应气溶胶是指以大气作为气相载体与悬浮在其中用最广泛的为基于ＭＯＤＩＳ等传感器的多光谱信息半径小于几十微米的固态或液态微粒共同组成的多［１］来反演监测气溶胶光学厚度的研究。相体系。由于其具有在大气层中分布广泛、生命１９９１年ＮＡＳＡ正式启动地球观测系统（ＥＯＳ）期短暂、空间变化巨大、化学成分复杂，影响区域乃计划，并于１９９９和２００２年分别发射了Ｔｅｒｒａ（ＥＯＳ．至全球气候等特点，目前已成为大

3、气科学研究的热ＡＭ１）和Ａｑｕａ（ＥＯＳ．ＰＭ１）两颗对地观测卫星。点问题。ＭＯＤＩＳ是Ｔｅｒｒａ和Ａｑｕａ两颗极地轨道卫星搭载我国的大气气溶胶监测主要以地面监测为主，的主要传感器，它的英文全称为ＭｏｄｅｒａｔｅＲｅｓｏｌｕ－地面监测可以得到较为准确的气溶胶信息，但由于ｔｉｏｎＩｍａｇｉｎｇＳｐｅｃｔｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ，即中分辨率成像光我国幅原辽阔，并且大多数监测站点分布在各个大、谱仪，具有３６个光谱通道，分布在０．４～１４μｍ的电中城市，因此依靠现有的监测台（站）与监测技术，不磁波谱范围内。ＭＯＤＩＳ仪器的星下点地面分辨率能全面、连续地监

4、测我国的环境质量状况，而遥感监分别为２５０、５００和１０００ｍ，扫描宽度为２３３０ｋｍ，［２］测是实现这一目的的有效方式，与传统的地基探在对地观测过程中，可同时获取来自大气、海洋和陆测方法不同，卫星遥感可以进行快速、大范围、低成地表面的信息，它的运行周期为１～２ｄ，每日或每两本、周期性动态监测，为人们实时了解大区域范围内［７］日可获取一次全球观测数据。ＭＯＤＩＳ各波段输的气溶胶变化提供了可能。出的灰度量化等级为１２ｂｉｔ，量化等级比ＮＯＡＡＡＶＨＲＲ高４倍，并且采用了可见光波段星上校准２遥感反演气溶胶理论的发展［８］技术以确保观测的长期稳定。

5、由于ＭＯＤＩＳ数据国际上利用卫星遥感气溶胶的理论始于２０世具有多光谱分辨率、高时空分辨率等特点，因此它在［３］监测资源、环境、灾害和全球气候变化等方面具有重纪７０年代。１９７７年，ＮＯＡＡ开始利用高分辨率辐射计ＡＶＨＲＲ可见光第一通道（０．６３μｍ）进行海大意义。［４］洋上空气溶胶光学厚度的遥感。Ｇｏｒｄｏｎ考虑了气溶胶在海洋水色遥感中的影响，并用ＡＶＨＲＲ／３基于ＭＯＤＩＳ反演气溶胶光学厚度［５］ＮＯＡＡ观测开发生成业务产品。Ｔａｎｒｅ等在陆的主要算法地遥感中去除大气，特别是气溶胶的浑浊效应，并由此开始了陆地气溶胶的遥感研究。近年来，随着对

6、目前利用卫星遥感反演气溶胶光学厚度的方法气溶胶特性的深入研究，利用卫星遥感气溶胶也得包括单通道反射比、多通道反射比、密集植被暗背到了不断的发展，各种传感器包括多光谱、多角度、景、海陆对比及单次散射反照率的反演、多角度成像偏振、成像扫描等功能的应用对遥感气溶胶光学特偏振和陆地粒子谱的反演、热辐射对比、用于［９］性提供了更加全面的信息，先后出现了多种卫星遥ＴＯＭＳ资料的紫外方法等。本文主要介绍其中感气溶胶的方法，如单通道遥感和多通道遥感、对比比较有代表性的几种主要的气溶胶反演算法。收稿日期：２０１２－０１－１４作者简介：李加恒（１９８７—），男，

7、山东肥城人，山东师范大学人口资源环境学院硕士研究生。通讯作者：刘厚凤（１９６５—），女，山东烟台人，教授，主要从事大气环境学方面的教学与研究工作。１０８李加恒等：基于ＭＯＤＩＳ的气溶胶光学厚度反演算法及应用进展环境与安全３．１暗像元算法于亮地表上会产生很大的反演误差。对比法是基于［１０］暗像元法是由Ｋａｕｆｍａｎ和Ｓｅｎｄｒａ反演稠密如下假定，即在同一地区一段时间内地表反射率不植被上空气溶胶光学厚度建立的。陆地上的稠密植变。那么，以“清洁日”大气为参考，可以反演出“污［１３］［１４］被、湿土壤及水体覆盖区在可见光波段反射率很低，染日”大气气溶

8、胶光学厚度。Ｔａｎｒｅ和Ｈｏｌｂｅｎ在遥感图像上称为暗像元，在晴空无云天气的陆地在采用对比法时，引入了结构函数概念形成结构函暗像元上空，卫星观测反射率随大气气溶胶光