一种基于modis数据反演城市大气气溶胶光学厚度的方法
【专利摘要】本发明公开一种基于MODIS数据反演城市大气气溶胶光学厚度的方法。该方法包括：1)根据6S大气辐射传输方程，建立数学模型计算四种基本气溶胶沙尘性、水溶性、海洋性以及煤烟性的体积比浓度，得到自定义的气溶胶类型；2)根据MODIS数据中2.1μm通道的地表反射率与红、蓝通道的地表反射率的关系，得出红、蓝通道的地表反射率的估算值；3)根据6S大气辐射传输方程，结合步骤1中的气溶胶类型，分别建立红通道下气溶胶光学厚度查找表和蓝通道下气溶胶光学厚度查找表；4)对查找表中的数据进行三次样条插值，得出指定地表反射率下的气溶胶光学厚度，完成大气气溶胶光学厚度反演。本发明城市大气气溶胶光学厚度反演方法易于实现，反演精度高，可以有效的用于城区气溶胶监测。
【专利说明】一种基于MODIS数据反演城市大气气溶胶光学厚度的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及大气遥感领域的气溶胶特性研究，尤其是涉及一种基于MODIS数据反演城市大气气溶胶光学厚度的方法。
【背景技术】
[0002]近年来，由于城市交通污染、市政建设、周边地区工业气体排放和自然界生态环境的严重破坏等人为因素影响，城市空气质量受到很大影响，空气污染严重。为减少污染源的影响，对城市大气环境质量的监测变得尤为重要，气溶胶粒子因为其在大气监测中的重要作用受到广泛的关注和研究。大气气溶胶由不同相态的物质组成，虽然含量很少，但其可以通过吸收和散射影响太阳辐射，进而影响地-气系统的辐射收支平衡，对大气中发生的许多物理化学过程都有重要影响，因此其是气候变化模拟和环境遥感中的重要因子。
[0003]气溶胶光学厚度是气溶胶最重要的参数之一，是表征大气混浊度的重要物理量。探测气溶胶光学厚度可以采用地基探测方法和卫星遥感方法。地基探测可以比较准确地测量气溶胶信息，但获取的只是空间点上的数据，不能反映大区域气溶胶时空分布。遥感技术具有覆盖面积广、信息获取方便、快捷等特点，相对于地面观测可以更高效地获取大气气溶胶信息。当前利用Terra/Aqua卫星上搭载的MODIS传感器观测的高分辨率卫星遥感资料反演气溶胶光学厚度可以克服地基探测的不足，为人们实时了解大区域范围内的气溶胶变化提供了可能。
[0004]不少学者针对卫星遥感反演气溶胶光学厚度这一问题做过相关研究。例如中国专利公告CN 102636143A (公告日期:2012年8月15日)公开了一种气溶胶光学厚度遥感反演方法。该方法依据纯像元指数提取遥感图像中的纯像元，生成纯像元掩膜，进而确定纯像元地表反射率，最后根据查找表将遥感观测的辐射亮度反演为气溶胶光学厚度。该方法虽然不受混合像元影响，能有效的用于城区的气溶胶监测，但是它选用6S大气辐射传输模型中的既定的气溶胶类型，把整个地球大气气溶胶只划分为沙尘性以及城市性显然非常粗糙。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种基于MODIS数据的反演城市大气气溶胶光学厚度的方法，通过建立数学模型来确定最适当的大气气溶胶类型，由6S大气福射传输模型建立气溶胶光学厚度的查找表，并通过对查找表中数据的三次样条插值得出反演结果。
[0006]为实现上述目的，本发明采用以下步骤:
[0007]I)根据6S大气辐射传输方程，建立数学模型计算四种基本气溶胶沙尘性、水溶性、海洋性以及煤烟性的体积比浓度，得到自定义的气溶胶类型。具体为，令沙尘性气溶胶体积比浓度为V1，水溶性气溶胶体积比浓度为V2，海洋性气溶胶体积比浓度为V3，煤烟性气溶胶体积比浓度为％，其中v4 = 1-(V^vfv3);根据待反演城市的特征,分别确定νρν2、ν3、V4的临界值，设V1的最小值为vlmin，V1的最大值为Vlmax, V2的最小值为V2min, V2的最大值为V2max, V3的最小值为v3min，V3的最大值为V3max ；M0DIS数据中卫星观测的表观反射率在I波段(660nm)下为p ^，将V1从Vlniin到Vlniax进行递增迭代,将V2从V2niin到V2niax进行递增迭代,将V3从V3min到V3max进行递增迭代,并根据V4的表达式得到V4的值,将每一组Vp V2> V3> V4的值带入6S大气辐射传输方程分别计算在660nm下的卫星反射率P1，计算P ^与P i的差值的平方，此数据用ε表示,将ε与对应的VpVyVyV4的值都记录下来；当VpVyV3都达到I时迭代完毕。从记录的所有数据中取出ε最小的200万组数据，取这200万组数据对应的V1的平均数作为自定义的气溶胶类型中沙尘性气溶胶体积浓度；取这200万组数据对应的V2的平均数作为自定义的气溶胶类型中水溶性气溶胶体积浓度；取这200万组数据对应的V3的平均数作为自定义的气溶胶类型中海洋性气溶胶体积浓度；取这200万组数据对应的V4的平均数作为自定义的气溶胶类型中煤烟性气溶胶体积浓度。
[0008]2)根据MODIS数据中2.1 μ m通道的地表反射率与红、蓝通道的地表反射率的关系，得出红、蓝通道的地表反射率的估算值。
[0009]3)根据6S大气辐射传输方程，结合步骤I中的气溶胶类型，分别建立红通道下气溶胶光学厚度查找表和蓝通道下气溶胶光学厚度查找表；具体的，查找表中，气溶胶光学厚度从0.00到2.50之间迭代，地表反射率从0.00到0.10之间迭代。
[0010]4)对查找表中的数据进行三次样条插值，得出指定地表反射率下的气溶胶光学厚度，完成大气气溶胶光学厚度反演。
[0011]所述的步骤I)中Vp v2、V3递增迭代的步长均为0.001。
[0012]所述的步骤I)中通过6S大气辐射传输方程计算在660nm下的卫星反射率P i时，方程中气溶胶光学厚度取为太阳光度计观测的气溶胶光学厚度。
[0013]所述的步骤3)所建的两个查找表中，气溶胶光学厚度的迭代步长为0.05，地表反射率的迭代步长为0.01。
[0014]本发明城市大气气溶胶光学厚度反演方法易于实现，反演精度高，可以有效的用于城区气溶胶监测。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明的工作流程示意图。
[0016]图2是采用杭州地区2013年10月的MODIS LlB数据对本发明的方法进行操作的操作结果与杭州站太阳光度计的测量结果的对比图。
【具体实施方式】
[0017]如图1所示，本发明包含以下步骤:
[0018]I)根据6S大气辐射传输方程，建立数学模型计算四种基本气溶胶沙尘性、水溶性、海洋性以及煤烟性的体积比浓度，得到自定义的气溶胶类型。具体为，令沙尘性气溶胶体积比浓度为V1，水溶性气溶胶体积比浓度为V2，海洋性气溶胶体积比浓度为V3，煤烟性气溶胶体积比浓度为％，其中v4 = 1-(V^vfv3);根据待反演城市的特征,分别确定νρν2、ν3、V4的临界值，设V1的最小值为vlmin，V1的最大值为Vlmax, V2的最小值为V2min, V2的最大值为V2max, V3的最小值为v3min，V3的最大值为V3max ；M0DIS数据中卫星观测的表观反射率在I波段(660nm)下为p ^，将V1从Vlniin到Vlniax进行递增迭代,将V2从V2niin到V2niax进行递增迭代,将V3从V3min到V3max进行递增迭代,并根据V4的表达式得到V4的值,将每一组Vp V2> V3> V4的值带入6S大气辐射传输方程分别计算在660nm下的卫星反射率P1，计算P ^与P i的差值的平方，此数据用ε表示,将ε与对应的VpVyVyV4的值都记录下来；当VpVyV3都达到I时迭代完毕。从记录的所有数据中取出ε最小的200万组数据，取这200万组数据对应的V1的平均数作为自定义的气溶胶类型中沙尘性气溶胶体积浓度；取这200万组数据对应的V2的平均数作为自定义的气溶胶类型中水溶性气溶胶体积浓度；取这200万组数据对应的V3的平均数作为自定义的气溶胶类型中海洋性气溶胶体积浓度；取这200万组数据对应的V4的平均数作为自定义的气溶胶类型中煤烟性气溶胶体积浓度。
[0019]2)根据MODIS数据中2.1 μ m通道的地表反射率与红、蓝通道的地表反射率的关系，得出红、蓝通道的地表反射率的估算值。
[0020]3)根据6S大气辐射传输方程，结合步骤I中的气溶胶类型，分别建立红通道下气溶胶光学厚度查找表和蓝通道下气溶胶光学厚度查找表；具体的，查找表中，气溶胶光学厚度从0.00到2.50之间迭代，地表反射率从0.00到0.10之间迭代。
[0021]4)对查找表中的数据进行三次样条插值，得出指定地表反射率下的气溶胶光学厚度，完成大气气溶胶光学厚度反演。
[0022]所述的步骤I)中Vp v2、V3递增迭代的步长均为0.001。
[0023]所述的步骤I)中通过6S大气辐射传输方程计算在660nm下的卫星反射率P i时，方程中气溶胶光学厚度取为太阳光度计观测的气溶胶光学厚度。
[0024]所述的步骤3)所建的两个查找表中，气溶胶光学厚度的迭代步长为0.05，地表反射率的迭代步长为0.01。
[0025]本发明步骤2)中MODIS数据2.1 μ m通道的地表反射率与红、蓝通道的地表反射率的关系如下公式所示:
[0026]Pblue= P 2^/4, Pred = P2.!/2 (I)
[0027]上面公式(I)中，P blue表示蓝通道下地表反射率，P 表示红通道下地表反射率，P 2.!表示2.1 μ m通道的地表反射率。
[0028]本发明步骤4)中对查找表中的数据进行三次样条插值，以地表反射率为自变量，光学厚度为地表反射率的函数为例，具体的插值过程为如下:令查找表中地表反射率的数据点有η个，第i个数据点的地表反射率值为Xi，对应的光学厚度为yi;此三次样条插值的插值函数用S(x)表示。根据插值理论，S(x)需满足如下几个条件:
[0029]I)插值条件，即 S(Xi) = yi; i = 1,2,3..., η (2)
[0030]2)连续性条件，即
【权利要求】
1.一种基于MODIS数据反演城市大气气溶胶光学厚度的方法，其特征在于包含以下步骤: 1)根据6S大气辐射传输方程，建立数学模型计算四种基本气溶胶沙尘性、水溶性、海洋性以及煤烟性的体积比浓度，得到自定义的气溶胶类型。具体为，令沙尘性气溶胶体积比浓度为V1，水溶性气溶胶体积比浓度为V2，海洋性气溶胶体积比浓度为V3，煤烟性气溶胶体积比浓度为V4,其中V4 = l-(v1+v2+v3);根据待反演城市的特征，分别确定VpVyVyV4的临界值，设V1的最小值为vlmin，V1的最大值为Vlmax, V2的最小值为V2min, V2的最大值为V2max, V3的最小值为V3min，V3的最大值为V3max ;M0DIS数据中卫星观测的表观反射率在I波段(660nm)下为P。，将V1从Vlniin到Vlniax进行递增迭代，将V2从V2niin到V2niax进行递增迭代，将V3从V3niin到Vanax进行递增迭代，并根据V4的表达式得到A的值，将每一组V1、V2> V3> V4的值带入6S大气辐射传输方程分别计算在660nm下的卫星反射率P1，计算Ptl与P1的差值的平方，此数据用ε表示,将ε与对应的Vp v2、v3、V4的值都记录下来；当Vp v2、V3都达到I时迭代完毕。从记录的所有数据中取出ε最小的200万组数据，取这200万组数据对应的V1的平均数作为自定义的气溶胶类型中沙尘性气溶胶体积浓度；取这200万组数据对应的V2的平均数作为自定义的气溶胶类型中水溶性气溶胶体积浓度；取这200万组数据对应的V3的平均数作为自定义的气溶胶类型中海洋性气溶胶体积浓度；取这200万组数据对应的V4的平均数作为自定义的气溶胶类型中煤烟性气溶胶体积浓度。 2)根据MODIS数据中2.1 μ m通道的地表反射率与红、蓝通道的地表反射率的关系，得出红、蓝通道的地表反射率的估算值。 3)根据6S大气辐射传输方程，结合步骤I中的气溶胶类型，分别建立红通道下气溶胶光学厚度查找表和蓝通道下气溶胶光学厚度查找表；具体的，查找表中，气溶胶光学厚度从0.00到2.50之间迭代，地表反射率从0.00到0.10之间迭代。 4)对查找表中的数据进行三次样条插值，得出指定地表反射率下的气溶胶光学厚度，完成大气气溶胶光学厚度反演。
2.根据权利要求1所述的一种基于MODIS数据反演城市大气气溶胶光学厚度的方法，其特征在于:所述的步骤I)中Vl、V2, V3递增迭代的步长均为0.001。
3.根据权利要求1所述的一种基于MODIS数据反演城市大气气溶胶光学厚度的方法，其特征在于:所述的步骤I)中通过6S大气辐射传输方程计算在660nm下的卫星反射率P1时，方程中气溶胶光学厚度取为太阳光度计观测的气溶胶光学厚度。
4.根据权利要求书I所述的一种基于MODIS数据反演城市大气气溶胶光学厚度的方法，其特征在于:所述的步骤3)所建的两个查找表中，气溶胶光学厚度的迭代步长为0.05，地表反射率的迭代步长为0.01。
【文档编号】G01S7/48GK104019753SQ201410279448
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月17日 优先权日:2014年6月17日
【发明者】范娇 申请人:杭州电子科技大学