一種基于modis數據反演城市大氣氣溶膠光學厚度的方法
【專利摘要】本發明公開一種基于MODIS數據反演城市大氣氣溶膠光學厚度的方法。該方法包括：1)根據6S大氣輻射傳輸方程，建立數學模型計算四種基本氣溶膠沙塵性、水溶性、海洋性以及煤煙性的體積比濃度，得到自定義的氣溶膠類型；2)根據MODIS數據中2.1μm通道的地表反射率與紅、藍通道的地表反射率的關系，得出紅、藍通道的地表反射率的估算值；3)根據6S大氣輻射傳輸方程，結合步驟1中的氣溶膠類型，分別建立紅通道下氣溶膠光學厚度查找表和藍通道下氣溶膠光學厚度查找表；4)對查找表中的數據進行三次樣條插值，得出指定地表反射率下的氣溶膠光學厚度，完成大氣氣溶膠光學厚度反演。本發明城市大氣氣溶膠光學厚度反演方法易于實現，反演精度高，可以有效的用于城區氣溶膠監測。
【專利說明】一種基于MODIS數據反演城市大氣氣溶膠光學厚度的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及大氣遙感領域的氣溶膠特性研究，尤其是涉及一種基于MODIS數據反演城市大氣氣溶膠光學厚度的方法。
【背景技術】
[0002]近年來，由于城市交通污染、市政建設、周邊地區工業氣體排放和自然界生態環境的嚴重破壞等人為因素影響，城市空氣質量受到很大影響，空氣污染嚴重。為減少污染源的影響，對城市大氣環境質量的監測變得尤為重要，氣溶膠粒子因為其在大氣監測中的重要作用受到廣泛的關注和研究。大氣氣溶膠由不同相態的物質組成，雖然含量很少，但其可以通過吸收和散射影響太陽輻射，進而影響地-氣系統的輻射收支平衡，對大氣中發生的許多物理化學過程都有重要影響，因此其是氣候變化模擬和環境遙感中的重要因子。
[0003]氣溶膠光學厚度是氣溶膠最重要的參數之一，是表征大氣混濁度的重要物理量。探測氣溶膠光學厚度可以采用地基探測方法和衛星遙感方法。地基探測可以比較準確地測量氣溶膠信息，但獲取的只是空間點上的數據，不能反映大區域氣溶膠時空分布。遙感技術具有覆蓋面積廣、信息獲取方便、快捷等特點，相對于地面觀測可以更高效地獲取大氣氣溶膠信息。當前利用Terra/Aqua衛星上搭載的MODIS傳感器觀測的高分辨率衛星遙感資料反演氣溶膠光學厚度可以克服地基探測的不足，為人們實時了解大區域范圍內的氣溶膠變化提供了可能。
[0004]不少學者針對衛星遙感反演氣溶膠光學厚度這一問題做過相關研究。例如中國專利公告CN 102636143A (公告日期:2012年8月15日)公開了一種氣溶膠光學厚度遙感反演方法。該方法依據純像元指數提取遙感圖像中的純像元，生成純像元掩膜，進而確定純像元地表反射率，最后根據查找表將遙感觀測的輻射亮度反演為氣溶膠光學厚度。該方法雖然不受混合像元影響，能有效的用于城區的氣溶膠監測，但是它選用6S大氣輻射傳輸模型中的既定的氣溶膠類型，把整個地球大氣氣溶膠只劃分為沙塵性以及城市性顯然非常粗糙。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種基于MODIS數據的反演城市大氣氣溶膠光學厚度的方法，通過建立數學模型來確定最適當的大氣氣溶膠類型，由6S大氣福射傳輸模型建立氣溶膠光學厚度的查找表，并通過對查找表中數據的三次樣條插值得出反演結果。
[0006]為實現上述目的，本發明采用以下步驟:
[0007]I)根據6S大氣輻射傳輸方程，建立數學模型計算四種基本氣溶膠沙塵性、水溶性、海洋性以及煤煙性的體積比濃度，得到自定義的氣溶膠類型。具體為，令沙塵性氣溶膠體積比濃度為V1，水溶性氣溶膠體積比濃度為V2，海洋性氣溶膠體積比濃度為V3，煤煙性氣溶膠體積比濃度為％，其中v4 = 1-(V^vfv3);根據待反演城市的特征,分別確定νρν2、ν3、V4的臨界值，設V1的最小值為vlmin，V1的最大值為Vlmax, V2的最小值為V2min, V2的最大值為V2max, V3的最小值為v3min，V3的最大值為V3max ；M0DIS數據中衛星觀測的表觀反射率在I波段(660nm)下為p ^，將V1從Vlniin到Vlniax進行遞增迭代,將V2從V2niin到V2niax進行遞增迭代,將V3從V3min到V3max進行遞增迭代,并根據V4的表達式得到V4的值,將每一組Vp V2> V3> V4的值帶入6S大氣輻射傳輸方程分別計算在660nm下的衛星反射率P1，計算P ^與P i的差值的平方，此數據用ε表示,將ε與對應的VpVyVyV4的值都記錄下來；當VpVyV3都達到I時迭代完畢。從記錄的所有數據中取出ε最小的200萬組數據，取這200萬組數據對應的V1的平均數作為自定義的氣溶膠類型中沙塵性氣溶膠體積濃度；取這200萬組數據對應的V2的平均數作為自定義的氣溶膠類型中水溶性氣溶膠體積濃度；取這200萬組數據對應的V3的平均數作為自定義的氣溶膠類型中海洋性氣溶膠體積濃度；取這200萬組數據對應的V4的平均數作為自定義的氣溶膠類型中煤煙性氣溶膠體積濃度。
[0008]2)根據MODIS數據中2.1 μ m通道的地表反射率與紅、藍通道的地表反射率的關系，得出紅、藍通道的地表反射率的估算值。
[0009]3)根據6S大氣輻射傳輸方程，結合步驟I中的氣溶膠類型，分別建立紅通道下氣溶膠光學厚度查找表和藍通道下氣溶膠光學厚度查找表；具體的，查找表中，氣溶膠光學厚度從0.00到2.50之間迭代，地表反射率從0.00到0.10之間迭代。
[0010]4)對查找表中的數據進行三次樣條插值，得出指定地表反射率下的氣溶膠光學厚度，完成大氣氣溶膠光學厚度反演。
[0011]所述的步驟I)中Vp v2、V3遞增迭代的步長均為0.001。
[0012]所述的步驟I)中通過6S大氣輻射傳輸方程計算在660nm下的衛星反射率P i時，方程中氣溶膠光學厚度取為太陽光度計觀測的氣溶膠光學厚度。
[0013]所述的步驟3)所建的兩個查找表中，氣溶膠光學厚度的迭代步長為0.05，地表反射率的迭代步長為0.01。
[0014]本發明城市大氣氣溶膠光學厚度反演方法易于實現，反演精度高，可以有效的用于城區氣溶膠監測。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明的工作流程示意圖。
[0016]圖2是采用杭州地區2013年10月的MODIS LlB數據對本發明的方法進行操作的操作結果與杭州站太陽光度計的測量結果的對比圖。
【具體實施方式】
[0017]如圖1所示，本發明包含以下步驟:
[0018]I)根據6S大氣輻射傳輸方程，建立數學模型計算四種基本氣溶膠沙塵性、水溶性、海洋性以及煤煙性的體積比濃度，得到自定義的氣溶膠類型。具體為，令沙塵性氣溶膠體積比濃度為V1，水溶性氣溶膠體積比濃度為V2，海洋性氣溶膠體積比濃度為V3，煤煙性氣溶膠體積比濃度為％，其中v4 = 1-(V^vfv3);根據待反演城市的特征,分別確定νρν2、ν3、V4的臨界值，設V1的最小值為vlmin，V1的最大值為Vlmax, V2的最小值為V2min, V2的最大值為V2max, V3的最小值為v3min，V3的最大值為V3max ；M0DIS數據中衛星觀測的表觀反射率在I波段(660nm)下為p ^，將V1從Vlniin到Vlniax進行遞增迭代,將V2從V2niin到V2niax進行遞增迭代,將V3從V3min到V3max進行遞增迭代,并根據V4的表達式得到V4的值,將每一組Vp V2> V3> V4的值帶入6S大氣輻射傳輸方程分別計算在660nm下的衛星反射率P1，計算P ^與P i的差值的平方，此數據用ε表示,將ε與對應的VpVyVyV4的值都記錄下來；當VpVyV3都達到I時迭代完畢。從記錄的所有數據中取出ε最小的200萬組數據，取這200萬組數據對應的V1的平均數作為自定義的氣溶膠類型中沙塵性氣溶膠體積濃度；取這200萬組數據對應的V2的平均數作為自定義的氣溶膠類型中水溶性氣溶膠體積濃度；取這200萬組數據對應的V3的平均數作為自定義的氣溶膠類型中海洋性氣溶膠體積濃度；取這200萬組數據對應的V4的平均數作為自定義的氣溶膠類型中煤煙性氣溶膠體積濃度。
[0019]2)根據MODIS數據中2.1 μ m通道的地表反射率與紅、藍通道的地表反射率的關系，得出紅、藍通道的地表反射率的估算值。
[0020]3)根據6S大氣輻射傳輸方程，結合步驟I中的氣溶膠類型，分別建立紅通道下氣溶膠光學厚度查找表和藍通道下氣溶膠光學厚度查找表；具體的，查找表中，氣溶膠光學厚度從0.00到2.50之間迭代，地表反射率從0.00到0.10之間迭代。
[0021]4)對查找表中的數據進行三次樣條插值，得出指定地表反射率下的氣溶膠光學厚度，完成大氣氣溶膠光學厚度反演。
[0022]所述的步驟I)中Vp v2、V3遞增迭代的步長均為0.001。
[0023]所述的步驟I)中通過6S大氣輻射傳輸方程計算在660nm下的衛星反射率P i時，方程中氣溶膠光學厚度取為太陽光度計觀測的氣溶膠光學厚度。
[0024]所述的步驟3)所建的兩個查找表中，氣溶膠光學厚度的迭代步長為0.05，地表反射率的迭代步長為0.01。
[0025]本發明步驟2)中MODIS數據2.1 μ m通道的地表反射率與紅、藍通道的地表反射率的關系如下公式所示:
[0026]Pblue= P 2^/4, Pred = P2.!/2 (I)
[0027]上面公式(I)中，P blue表示藍通道下地表反射率，P 表示紅通道下地表反射率，P 2.!表示2.1 μ m通道的地表反射率。
[0028]本發明步驟4)中對查找表中的數據進行三次樣條插值，以地表反射率為自變量，光學厚度為地表反射率的函數為例，具體的插值過程為如下:令查找表中地表反射率的數據點有η個，第i個數據點的地表反射率值為Xi，對應的光學厚度為yi;此三次樣條插值的插值函數用S(x)表示。根據插值理論，S(x)需滿足如下幾個條件:
[0029]I)插值條件，即 S(Xi) = yi; i = 1,2,3..., η (2)
[0030]2)連續性條件，即
【權利要求】
1.一種基于MODIS數據反演城市大氣氣溶膠光學厚度的方法，其特征在于包含以下步驟: 1)根據6S大氣輻射傳輸方程，建立數學模型計算四種基本氣溶膠沙塵性、水溶性、海洋性以及煤煙性的體積比濃度，得到自定義的氣溶膠類型。具體為，令沙塵性氣溶膠體積比濃度為V1，水溶性氣溶膠體積比濃度為V2，海洋性氣溶膠體積比濃度為V3，煤煙性氣溶膠體積比濃度為V4,其中V4 = l-(v1+v2+v3);根據待反演城市的特征，分別確定VpVyVyV4的臨界值，設V1的最小值為vlmin，V1的最大值為Vlmax, V2的最小值為V2min, V2的最大值為V2max, V3的最小值為V3min，V3的最大值為V3max ;M0DIS數據中衛星觀測的表觀反射率在I波段(660nm)下為P。，將V1從Vlniin到Vlniax進行遞增迭代，將V2從V2niin到V2niax進行遞增迭代，將V3從V3niin到Vanax進行遞增迭代，并根據V4的表達式得到A的值，將每一組V1、V2> V3> V4的值帶入6S大氣輻射傳輸方程分別計算在660nm下的衛星反射率P1，計算Ptl與P1的差值的平方，此數據用ε表示,將ε與對應的Vp v2、v3、V4的值都記錄下來；當Vp v2、V3都達到I時迭代完畢。從記錄的所有數據中取出ε最小的200萬組數據，取這200萬組數據對應的V1的平均數作為自定義的氣溶膠類型中沙塵性氣溶膠體積濃度；取這200萬組數據對應的V2的平均數作為自定義的氣溶膠類型中水溶性氣溶膠體積濃度；取這200萬組數據對應的V3的平均數作為自定義的氣溶膠類型中海洋性氣溶膠體積濃度；取這200萬組數據對應的V4的平均數作為自定義的氣溶膠類型中煤煙性氣溶膠體積濃度。 2)根據MODIS數據中2.1 μ m通道的地表反射率與紅、藍通道的地表反射率的關系，得出紅、藍通道的地表反射率的估算值。 3)根據6S大氣輻射傳輸方程，結合步驟I中的氣溶膠類型，分別建立紅通道下氣溶膠光學厚度查找表和藍通道下氣溶膠光學厚度查找表；具體的，查找表中，氣溶膠光學厚度從0.00到2.50之間迭代，地表反射率從0.00到0.10之間迭代。 4)對查找表中的數據進行三次樣條插值，得出指定地表反射率下的氣溶膠光學厚度，完成大氣氣溶膠光學厚度反演。
2.根據權利要求1所述的一種基于MODIS數據反演城市大氣氣溶膠光學厚度的方法，其特征在于:所述的步驟I)中Vl、V2, V3遞增迭代的步長均為0.001。
3.根據權利要求1所述的一種基于MODIS數據反演城市大氣氣溶膠光學厚度的方法，其特征在于:所述的步驟I)中通過6S大氣輻射傳輸方程計算在660nm下的衛星反射率P1時，方程中氣溶膠光學厚度取為太陽光度計觀測的氣溶膠光學厚度。
4.根據權利要求書I所述的一種基于MODIS數據反演城市大氣氣溶膠光學厚度的方法，其特征在于:所述的步驟3)所建的兩個查找表中，氣溶膠光學厚度的迭代步長為0.05，地表反射率的迭代步長為0.01。
【文檔編號】G01S7/48GK104019753SQ201410279448
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月17日 優先權日:2014年6月17日
【發明者】范嬌 申請人:杭州電子科技大學