气溶胶光学厚度的反演方法及系统与流程

本发明涉及大气遥感技术领域，更为具体地，涉及一种气溶胶光学厚度的反演方法及系统。

背景技术：

气溶胶是指悬浮在气体中的固体或液体微粒和气体载体共同组成的多相体系。气溶胶来源于自然界和人类活动，自然源包括火山灰、海洋碎末、风沙等。更大程度上，气溶胶是由工业生产、汽车尾气、燃煤取暖、秸秆焚烧等不完全燃烧产生并进入大气的颗粒物质。气溶胶含量虽然只占地球大气组分的很少一部分，但是由于其在大气中的广泛分布、巨大的空间变化、短暂的生命期及复杂的化学组成，对天气过程、全球气候和人类健康均有重要影响。因气溶胶问题一直是全球的大气科学研究工作者研究的热点问题。目前，传统的地面气溶胶监测仅能够提供“点”尺度的信息，因此，如何利用卫星遥感技术对大区域气溶胶进行快速监测具有重要的现实意义和科学价值。

高分一号卫星于2013年4月成功发射入轨，该星采用太阳同步轨道，平均轨道高度约为644km，属于光学成像遥感卫星，设计寿命为5-8年。高分一号卫星搭载有4个中分辨率相机，星下点能达到16m的空间分辨率，共有蓝、绿、红、近红外四个波段，每个相机幅宽能够达到200km，拼接4台相机(WFV1、WFV2、WFV3、WFV4)的观测数据可实现800km幅宽的观测，具有4天覆盖中国全境的能力。基于GF-1WFV数据，可以反演气溶胶光学厚度。

卫星遥感监测气溶胶最常用的参数是气溶胶光学厚度，它代表整层的气溶胶污染状况。气溶胶光学厚度的卫星遥感反演需要解决两大问题：气溶胶模式和地表噪声的去除。气溶胶模式即气溶胶类型，代表不同气溶胶粒子(如硫酸盐、铵盐、含碳类气溶胶、沙尘等)的组成情况和微物理特性。

目前，气溶胶模式主要基于地面观测数据进行模拟，此种方法的缺点是难以反映气溶胶模式的时空分布特性。而在地表噪声去除方面，目前应用最 广泛的是美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，简称NASA)的暗像元算法，暗像元算法利用在近红外波段受大气影响较小的特点来去除地表噪声。但是由于高分一号卫星WFV数据缺少近红外波段通道，无法构造地表反射率，从而无法实现气溶胶光学厚度的卫星遥感反演。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种气溶胶光学厚度的反演方法及系统，以解决上述背景技术中所提出的问题。

本发明提供一种气溶胶光学厚度的反演方法，包括：

S1：建立气溶胶反演查找表以及获取地表反射率；

S2：基于高分一号卫星WFV数据，代入步骤S1中获取的地表反射率，并通过查找和插值步骤S12中建立的气溶胶反演查找表的大气参数，获得气溶胶光学厚度；

其中，

建立气溶胶反演查找表的过程包括：

S11：基于GEOS-Chem大气化学模式数据计算四种类型气溶胶组分的体积比，四种类型气溶胶分别为沙尘型、水溶型、烟尘型和海盐型；

S12：将步骤S11的计算结果作为输入参数，利用6SV1辐射传输方程构建气溶胶反演查找表；

获取地表反射率的过程包括：

基于国外卫星MODIS的地表二向反射率产品，计算地表反射率。

本发明还提供一种气溶胶光学厚度的反演系统，包括：气溶胶反演查找表创建单元、地表反射率计算单元和气溶胶光学厚度反演单元；其中，

气溶胶反演查找表创建单元，用于建立气溶胶反演查找表；其中，气溶胶反演查找表创建单元包括：

气溶胶组分体积比计算模块，用于基于GEOS-Chem大气化学模式数据计算四种类型气溶胶组分的体积比，四种类型气溶胶分别为沙尘型、水溶型、烟尘型和海盐型；

气溶胶反演查找表构建模块，用于将气溶胶组分计算模块的计算结果作为输入参数，利用6SV1辐射传输方程构建气溶胶反演查找表；

地表反射率计算单元，用于基于国外卫星MODIS的地表二向反射率产品，计算地表反射率；

气溶胶光学厚度反演单元，用于基于高分一号卫星WFV数据，代入地表反射率计算单元计算出的地表反射率，并通过查找和插值气溶胶反演查找表构建模块构建的气溶胶反演查找表的大气参数，获得气溶胶光学厚度。

利用上述根据本发明提供的气溶胶光学厚度的反演方法及系统，基于已有的地基颗粒物组分实验观测数据，利用相关的分类原则，通过实验观测结果和大气化学模式模拟结果的匹配验证，校正模式输出的沙尘型、水溶型、煤烟型和海盐型的气溶胶体积比，并作为辐射传输方程的输入参数构建反演查找表，再基于高分一号WFV数据精确的反演气溶胶光学厚度，为颗粒物卫星遥感定量估算提供必要的前提。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的气溶胶光学厚度的反演方法的流程示意图；

图2为根据本发明实施例的气溶胶光学厚度的反演系统的逻辑结构框图。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例， 公知的结构和设备以方框图的形式示出。

本发明采用GEOS-Chem大气化学模式数据构建立格网尺度的气溶胶模式。GEOS-Chem大气化学模式数据通过NASA全球模式同化办公室的戈达得地球观测系统(Goddard Earth Observing System，GEOS)同化气象数据驱动。GEOS-Chem大气化学模式数据提供的沙尘、硫酸盐、硝酸盐、铵盐、黑碳、有机碳、海洋型等颗粒物的体积比、浓度、光学特性、廓线等信息，可以有效支撑气溶胶模式的构建。在地表噪声去除方面，本发明通过利用其它卫星(如MODIS)构造辅助的地表反射率，来实现高分一号卫星数据的气溶胶光学厚度反演。

以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

图1示出了根据本发明实施例的气溶胶光学厚度的反演方法的流程。

如图1所示，本发明提供的气溶胶光学厚度的反演方法，包括：

S1：建立气溶胶反演查找表以及获取地表反射率。

建立气溶胶反演查找表以及获取地表反射率的过程不分先后顺序。

一、气溶胶反演查找表的建立

建立气溶胶反演查找表的过程包括：

S11：基于GEOS-Chem大气化学模式数据计算四种类型气溶胶组分的体积比，四种类型气溶胶分别为沙尘型、水溶型、烟尘型和海盐型。

基于GEOS-Chem大气化学模式数据计算四种类型气溶胶组分的体积比的过程，包括：

S111：使用GEOS-Chem大气化学模式数据来构建气溶胶模型，利用气溶胶模型估算硫酸盐气溶胶、硝酸盐气溶胶、铵盐气溶胶、沙尘气溶胶、黑碳气溶胶、有机碳气溶胶和海盐气溶胶的体积比。

需要说明的是，GEOS-Chem大气化学模式数据为GEOS-Chem全球大气化学模式的模拟结果。

S112：将硫酸盐气溶胶、硝酸盐气溶胶、铵盐气溶胶、沙尘气溶胶、黑碳气溶胶、有机碳气溶胶和海盐气溶胶按照组份划分为沙尘型、水溶型、烟尘型和海盐型，并通过如下公式计算每种类型气溶胶组份的体积比：

[Dust-like]＝[DST₁]+[DST₂]+[DST₃] (1)

[Water-Soluble]＝[SO₄]+[NH₄]+[NO₃] (2)

[Soot]＝[BC]+[OC] (3)

[Oceanic]＝[NaCl] (4)

其中，[Dust-like]表示沙尘型气溶胶的体积比；

[DST₁]、[DST₂]、[DST₃]表示GEOS-Chem大气化学模式数据输出的三种不同粒径的沙尘气溶胶的体积比；

[Water-Soluble]表示水溶型气溶胶的体积比；

[SO₄]、[NH₄]、[NO₃]分别表示GEOS-Chem大气化学模式数据输出的硫酸盐气溶胶、铵盐气溶胶和硝酸盐气溶胶的体积比；

[Soot]表示烟尘型气溶胶的体积比；

[BC]、[OC]分别表示GEOS-Chem大气化学模式数据输出的黑碳气溶胶和有机碳气溶胶的体积比；

[Oceanic]表示海洋型气溶胶的体积比；

[NaCl]表示GEOS-Chem大气化学模式数据输出的氯化钠气溶胶的体积比。

需要说明的是，沙尘型气溶胶包括沙尘气溶胶，沙尘型气溶胶的体积比为三种不同粒径的沙尘气溶胶的体积比之和；水溶型气溶胶包括硫酸盐气溶胶、铵盐气溶胶和硝酸盐气溶胶，水溶型气溶胶的体积比为硫酸盐气溶胶、铵盐气溶胶和硝酸盐气溶胶的体积比之和；烟尘型气溶胶包括黑碳气溶胶和有机碳气溶胶，烟尘型气溶胶的体积比为黑碳气溶胶和有机碳气溶胶的体积比之和；海洋型气溶胶包括氯化钠气溶胶，海洋型气溶胶体积比为氯化钠气溶胶的体积比。

S12：将步骤S11的计算结果作为输入参数，利用6SV1(Second Simulation of a Satellite Signal in the Solar Spectrum,Vector version 1)辐射传输方程构建气溶胶反演查找表。

6SV1辐射传输方程构建气溶胶反演查找表的过程，包括：

S121：设定6SV1辐射传输方程的输入参数，输入参数包括：9个太阳天顶角、12个观测天顶角、16个相对方位角、气溶胶模式，以及将550nm处的气溶胶光学厚度设定为10个等级、将气溶胶反演查找表计算的波段设置为高分一号卫星WFV传感器的波段响应函数；其中，气溶胶模式根据步骤S11中的四种类型气溶胶的组份确定。

S122：调用6SV1辐射传输方程，计算大气参数，并将计算出的大气参数存储在二进制文件中生成气溶胶反演查找表，大气参数包括：大气整层透过率、大气程辐射、大气向下的半球反射率。

二、地表反射率的获取

本发明实施例基于国外卫星MODIS的地表二向反射率产品，计算地表反射率。计算地表反射率的公式如下：

其中，r为地表反射率，k_vol为体散射的核，k_geo为几何光学核，θ_S为光线入射角，θ_v为观测角，为观测与太阳间的相对方位角，三个角度可以通过高分数据获得，f_iso、f_geo、f_vol存储在国外卫星MODIS的地表二向反射率产品中，分别表示各向同性散射、几何光学散射、体散射在这三部分中所占的权重。

通过高分数据获得光线入射角，观测角，观测与太阳间的相对方位角，计算体散射的核和几何光学核；基于MODIS的地表二向反射率产品，计算各向同性散射、几何光学散射、体散射的权重。

S2：基于高分一号卫星WFV数据，代入步骤S1中获取的地表反射率，并通过查找和插值步骤S12中建立的气溶胶反演查找表的大气参数，获得气溶胶光学厚度。

气溶胶光学厚度通过如下公式反演获得：

其中，τ为气溶胶光学厚度，θ为天顶角，下标s表示太阳，v表示观测，φ为相对方位角，r为地表反射率，ρ₀为大气程辐射的等效反射率，S为大气下界向下的半球反射率，T为大气整层透过率，其中，S、ρ₀、T是表征大气状况的三个参数，存储在S12步骤建立的气溶胶反演查找表中，ρ_TOA为卫星观测到的表观反射率。

将S、ρ₀、T三个大气参数和卫星观测到的表观反射率ρ_TOA、以及步骤S1步骤中获得的地表反射率，代入上述公式就可反演得到气溶胶光学厚度。

需要说明的是，对WFV数据匹配最为接近的卫星观测几何条件，输入卫星观测的近红外波段表观反射率，通过插值气溶胶光学厚度得到可见光波段的表观反射率，与卫星观测的可见光波段的表观反射率进行比较获得最小差 值时，该插值得到的气溶胶光学厚度即为该点的气溶胶光学厚度。

与上述气溶胶光学厚度的反演方法相对应，本发明提供一种气溶胶光学厚度的反演系统。图2示出了根据本发明实施例的气溶胶光学厚度的反演系统的逻辑结构。

如图2所示，本发明实施例提供的气溶胶光学厚度的反演系统包括气溶胶反演查找表创建单元210、地表反射率计算单元220和气溶胶光学厚度反演单元230。

气溶胶反演查找表创建单元210，用于建立气溶胶反演查找表；其中，气溶胶反演查找表创建单元210包括：

气溶胶组分体积比计算模块211，基于GEOS-Chem大气化学模式数据计算四种类型气溶胶组分的体积比，四种类型气溶胶分别为沙尘型、水溶型、烟尘型和海盐型。

气溶胶反演查找表构建模块212，将气溶胶组分体积比计算模块211的计算结果作为输入参数，利用6SV1辐射传输方程构建气溶胶反演查找表。

地表反射率计算单元220，基于国外卫星MODIS的地表二向反射率产品，计算地表反射率。

气溶胶光学厚度反演单元230，基于高分一号卫星WFV数据，代入地表反射率计算单元220计算出的地表反射率，并通过查找和插值气溶胶反演查找表构建模块212构建的气溶胶反演查找表的大气参数，获得气溶胶光学厚度。

其中，在气溶胶组分体积比计算模块211计算每种气溶胶组分体积比的过程中，

S111：根据GEOS-Chem大气化学模式数据估算硫酸盐气溶胶、硝酸盐气溶胶、铵盐气溶胶、沙尘气溶胶、黑碳气溶胶、有机碳气溶胶和海盐气溶胶的体积比；

S112：将硫酸盐气溶胶、硝酸盐气溶胶、铵盐气溶胶、沙尘气溶胶、黑碳气溶胶、有机碳气溶胶和海盐气溶胶按照组份划分为沙尘型、水溶型、烟尘型和海盐型，并通过如下公式计算每种类型气溶胶组份的体积比：

[Dust-like]＝[DST₁]+[DST₂]+[DST₃] (1)

[Water-Soluble]＝[SO₄]+[NH₄]+[NO₃] (2)

[Soot]＝[BC]+[OC] (3)

[Oceanic]＝[NaCl] (4)

其中，[Dust-like]表示沙尘型气溶胶的体积比；

[DST₁]、[DST₂]、[DST₃]分别表示GEOS-Chem大气化学模式数据输出的三种不同粒径的沙尘气溶胶的体积比；

[Water-Soluble]表示水溶型气溶胶的体积比；

[SO₄]、[NH₄]、[NO₃]分别表示GEOS-Chem大气化学模式数据输出的硫酸盐气溶胶、铵盐气溶胶和硝酸盐气溶胶的体积比；

[Soot]表示烟尘型气溶胶的体积比；

[BC]、[OC]分别表示GEOS-Chem大气化学模式数据输出的黑碳气溶胶和有机碳气溶胶的体积比；

[Oceanic]表示海洋型气溶胶的体积比；

[NaCl]表示GEOS-Chem大气化学模式数据输出的氯化钠气溶胶的体积比。

此外，在气溶胶反演查找表构建模块212构建气溶胶反演查找表的过程中，

S121：设定6SV1辐射传输方程的输入参数，所述输入参数包括：9个太阳天顶角、12个观测天顶角、16个相对方位角、气溶胶模式，以及将550nm处的气溶胶光学厚度设定为10个等级、将气溶胶反演查找表计算的波段设置为高分一号卫星WFV传感器的波段响应函数；其中，所述气溶胶模式根据步骤S11中的四种类型气溶胶的组份确定；

S122：调用6SV1辐射传输方程，计算大气参数并存储在二进制文件中生成气溶胶反演查找表，所述大气参数包括：大气整层透过率、大气程辐射、大气向下的半球反射率。

另外，地表反射率计算单元根据如下公式计算地表反射率：

其中，r为地表反射率，k_vol为体散射的核，k_geo为几何光学核，θ_S为光线入射角，θ_v为观测角，为观测与太阳间的相对方位角，f_iso、f_geo、f_vol存储在国外卫星MODIS的地表二向反射率产品中，分别表示各向同性散射、几何光学散射、体散射的权重。

再者，气溶胶光学厚度反演单元230根据如下公式反演气溶胶光学厚度：

其中，τ为气溶胶光学厚度，θ为天顶角，下标s表示太阳，v表示观测，φ为相对方位角，r为地表反射率，ρ₀为大气程辐射的等效反射率，S为大气向下的半球反射率，T为大气整层透过率，ρ_TOA为卫星观测到的表观反射率。

上述内容详细地说明了本发明实施例提供的气溶胶光学厚度的反演方法及系统，基于已有的地基颗粒物组分实验观测数据，利用相关的分类原则，通过实验观测结果和大气化学模式模拟结果的匹配验证，校正模式输出的沙尘型、水溶型、煤烟型和海盐型等气溶胶体积比，并作为辐射传输方程的输入参数构建反演查找表，再基于高分一号WFV数据精确的反演气溶胶光学厚度，能够快速准确的实现大范围的气溶胶监测，为颗粒物浓度的遥感估算提供必要前提。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。