MODIS高分辨率氣溶膠光學(xué)厚度反演及驗(yàn)證

1、MODIS高分辨率氣溶膠光學(xué)厚度反演及驗(yàn)證Retrieval, Validation of High Resolution MODISAerosol Optical DepthsWei Chen, Lei Yan, Hongzhao Tang Institute of Remote Sensing and GISPeking UniversityBeijing, ChinawchenChengcai Li School of Physics Peking University Beijing, China ccliAbstractAtmospheric correction plays an

2、important role in quantitative application of remote sensing images. And aerosol particles are the most uncertain factor in atmospheric correction. NASA has been distributing 10km resolution Aerosol Optical Depths (AOD) product for most area of globe since 2000 after the launching of MODIS. And this

3、 AOD product has been applied to image atmospheric corrections. However, aerosol varies tremendously and 10km resolution AOD product may not be adequate in atmospheric correction of local scale. For correcting images more accurately, we retrieve 1km resolution AOD product with MODIS operational algo

4、rithm. The result demonstrates that the two product prove to be similar in large scale but 1km resolution AOD product could be able to illustrate the dramatic variations of local scale while 10km resolution AOD product could not.Keywords-MODIS;AOD;Retrieve;Atmospheric CorrectionMODIS高分辨率氣溶膠光學(xué)厚度反演及驗(yàn)證

5、陳偉1，晏磊1，李成才2，唐洪釗11.北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所，北京，中國(guó)，1008712.北京大學(xué)物理學(xué)院，北京，中國(guó)，1008711.wchen2. ccli【摘要】遙感影像的大氣效應(yīng)校正是影響其定量化應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。大氣中的氣溶膠顆粒是大氣校正中最不確定因子。目前NASA已經(jīng)利用MODIS發(fā)布全球絕大部分地區(qū)10km分辨率的AOD（Aerosol Optical Depths）產(chǎn)品，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用在遙感圖像的大氣校正中。但是氣溶膠在空間變化較大，10km分辨率的AOD產(chǎn)品在進(jìn)行小尺度地區(qū)大氣校正上尚有一定的缺陷。為了更好更精確地進(jìn)行大氣校正，本文利用MODIS氣溶膠業(yè)務(wù)化算法反演

6、了1km分辨率的AOD產(chǎn)品。結(jié)果顯示，兩者在宏觀上趨勢(shì)相同，但1km分辨率的AOD產(chǎn)品更能表達(dá)局部的氣溶膠的劇烈變化?！娟P(guān)鍵詞】MODIS；AOD；反演；大氣校正1 引言大氣氣溶膠通過(guò)指懸浮于大氣中的微小粒子，粒徑范圍可以從0.001到100m。大氣氣溶膠對(duì)地球表面輻射收支平衡有著重要影響1。目前衛(wèi)星遙感使得全球大氣氣溶膠監(jiān)測(cè)成為可能2。目前NASA每天提供全球絕大部分地區(qū)的10Km分辨率的AOD產(chǎn)品。但10km分辨率AOD 產(chǎn)品更適合于較低分辨率且較均一的地表進(jìn)行大氣校正，而對(duì)于更高分辨率遙感影像的校正則需要更高分辨率的AOD產(chǎn)品。本文采用Kaufman等人提出的暗目標(biāo)法5，利用MODIS影

7、像反演出地表1km分辨率AOD產(chǎn)品。并將反演所得1km分辨率AOD產(chǎn)品與NASA發(fā)布10km分辨率AOD產(chǎn)品結(jié)合地面實(shí)測(cè)CE318實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合度均較高。進(jìn)一步分析2010 International Conference on Remote Sensing (ICRS)978-1-4244-8729-5/10/$26.00 ?2010 IEEE ICRS2010發(fā)現(xiàn)兩種分辨率AOD產(chǎn)品在宏觀上分布趨勢(shì)相同，但1km分辨率AOD產(chǎn)品更能反映氣溶膠在局部劇烈變化3。2 MODIS高分辨率氣溶膠反演方法2.1 反演原理假設(shè)地表為均勻朗伯體，則傳感器接收到的衛(wèi)星

8、表觀反照率由路徑輻射項(xiàng)和地表輻射項(xiàng)構(gòu)成，可表示為：()()()()其中，為整層大氣反射率，()和()分別表示從太陽(yáng)到地面、從地面到衛(wèi)星兩個(gè)方向大氣層總的透過(guò)率（直射和漫射），系數(shù)代表地面和大氣層多次散射的作用。衛(wèi)星觀測(cè)到的表觀反射率既是氣溶膠光學(xué)厚度的函數(shù)，又是下墊面反射率的函數(shù)，如果已各了下墊面地表反射率并且已經(jīng)得各了本地氣溶膠模型，就可以通過(guò)輻射傳輸模型模計(jì)算出氣溶膠光學(xué)厚度。本地氣溶膠模型可以查閱氣象資料推算，也可以根據(jù)輻射傳輸模型中的默認(rèn)模型設(shè)置。而下墊面地表反射率目前一般通過(guò)暗目標(biāo)法計(jì)算。2.2 暗目標(biāo)的選取由于地表的非均一性及陸地上空的氣溶膠的空間分異性，反演陸地上空的氣溶膠光學(xué)厚

9、度較反演海洋上空氣溶膠光學(xué)厚度更為復(fù)雜。Kaufman通過(guò)大量的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)指出6，由于植被在紅光波段與藍(lán)光波段對(duì)太陽(yáng)光強(qiáng)烈的吸收，地表濃密植被在0.620.67（MODIS第1通道）反射率以及0.460.48（MODIS第3通道）反射率與2.12.6（MODIS第7通道）反射率呈較好的線性關(guān)系。由于氣溶膠主要影響的短波波段的地表反射信號(hào)，在一般情況下可認(rèn)為2.12.6（MODIS第7通道）幾乎不受氣溶膠影響，即在MODIS第7通道，地表反射率與衛(wèi)星表觀反射率相等。根據(jù)MODIS第1通道、第3通道與第7通道的線性關(guān)系可以計(jì)算出這兩個(gè)波段的地表反射率4。為了有效反演1km分辨率MODIS AOD產(chǎn)品

10、，首先需要采用較10km分辨率AOD產(chǎn)品更為嚴(yán)格的去云算法，即只有嚴(yán)格清潔的像元方可被作為暗像元進(jìn)行處理。且只在當(dāng) 2.1m中紅外波段的表觀反射率滿足判據(jù)時(shí)，確定0.47m和0.66m的波段地表反射率及：。為使云團(tuán)殘余和表面污染的影響最小化，將選取的暗像元進(jìn)一步處理，剔除其中50%最亮的像元及20%最暗的像元，確定暗像元及其對(duì)應(yīng)的地表反射率值。假定當(dāng)?shù)貧馊苣z模型在一定時(shí)間內(nèi)不變，利用預(yù)設(shè)的氣溶膠模型及確定的地表暗目標(biāo)反射率值，利用6S建立多維查找表，可以計(jì)算出1km分辨率MODIS AOD產(chǎn)品。3 反演結(jié)果與分析本文反演了2001年4月順義遙感綜合實(shí)驗(yàn)期間的1km分辨率MODIS AOD產(chǎn)品，

11、并與之與NASA發(fā)布的10km分辨率AOD產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比。Figure 1. MODIS 10-km AOD of Beijing圖1. 北京地區(qū)MODIS 10km分辨率AOD產(chǎn)品3.1 反演AOD產(chǎn)品對(duì)比分析圖1表示反演得到的北京地區(qū)2001年4月17日MODIS 10km AOD產(chǎn)品，結(jié)果顯示在北京城區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度較高，MODIS 10-km分辨率氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品基本可以反映北京地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度由南向北遞減，由城區(qū)向郊區(qū)遞減的規(guī)律。圖2表示反演得到的北京地區(qū)2001年4月17日MODIS 1km AOD產(chǎn)品。結(jié)果顯示北京地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度整體偏高，除在城區(qū)地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度均超過(guò)

12、1以外，在密云水庫(kù)附近以及官?gòu)d水庫(kù)附近的延懷盆地也出現(xiàn)了氣溶膠光學(xué)厚度的較大值。本文所得1kmAOD產(chǎn)品與NASA發(fā)布的10km AOD產(chǎn)品的值域分別為01.44和0.061.25，兩者反演結(jié)果取值范圍較為接近，說(shuō)明1km產(chǎn)品與1-kmAOD產(chǎn)品在反演結(jié)果上具有較好的對(duì)應(yīng)性。Figure 2. MODIS 1-km AOD of Beijing圖2. 北京地區(qū)MODIS 1km分辨率AOD產(chǎn)品在氣溶膠光學(xué)厚度最大值產(chǎn)生的地方，如北京市城區(qū)，延懷盆地地區(qū)，10km AOD產(chǎn)品較1km產(chǎn)品會(huì)低估氣溶膠光學(xué)厚度值0.10.2，最大可達(dá)0.5左右。由圖1及圖2對(duì)比可知，1km產(chǎn)品比10km產(chǎn)品的空間分

13、異性更為明顯，可能更加適合于分析局部氣溶膠分布，而10km 產(chǎn)品更適合于大尺度宏觀分析。3.2 反演AOD與地面光度計(jì)值驗(yàn)證EOS Terra星在北京上空過(guò)境時(shí)間一般在上午10點(diǎn)至11點(diǎn)之間，為了比較MODIS反演的1km與10km氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品與在地面太陽(yáng)光度計(jì)所測(cè)之值之間的誤差，選取太陽(yáng)光度計(jì)在實(shí)驗(yàn)日期內(nèi)10點(diǎn)至11點(diǎn)所測(cè)之氣溶膠光學(xué)厚度與MODIS反演的氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行比較。結(jié)果如圖3所示。Figure 3. Comparison of retrieval AOD and measured data by sunphotometer圖3. 反演AOD與地面光度計(jì)測(cè)量值對(duì)比圖從圖中可

14、知，在4月1日地面太陽(yáng)光度計(jì)測(cè)量值與MODIS反演值有較大的誤差，可能是儀器出現(xiàn)故障或因卷云的影響而造成的。而在4月1日，10km分辨率MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品與地面太陽(yáng)光度計(jì)測(cè)量誤差較大，4月15日則是1km分辨率MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品與太陽(yáng)光度計(jì)誤差較大，在其他時(shí)間序列中，MODIS反演的氣溶膠光學(xué)厚度與地面太陽(yáng)光度計(jì)之值相差較小，可見(jiàn)無(wú)論是10km分辨率MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品與1km分辨率氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品都與真實(shí)值有較好的吻合度，反演精度都較高。但在圖3中并無(wú)法分別出10km分辨率MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品與1km分辨率氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品之間的優(yōu)劣，其原因是在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行

15、的4月，北京地區(qū)地表植被長(zhǎng)勢(shì)尚不良好，對(duì)于暗像元的第一優(yōu)先級(jí)的選取數(shù)量并不夠多，導(dǎo)致第二第三優(yōu)先級(jí)的暗像元數(shù)量增加，使得反演的氣溶膠光學(xué)厚度的精度受到很大的影響。因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)尚需在地表植被長(zhǎng)勢(shì)良好的時(shí)候進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)一步驗(yàn)證兩者之間的精度。4 結(jié)論MODIS 10-km分辨率AOD產(chǎn)品已經(jīng)廣泛運(yùn)用在大氣校正中，并在全球變化監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著具大的作用。但由于氣溶膠在空間上分異明顯，10km里尺度內(nèi)氣溶膠變化已經(jīng)較大，且10-km分辨率AOD產(chǎn)品是對(duì)10km * 10km尺度內(nèi)的所有無(wú)云像素所計(jì)算的氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品進(jìn)行的平均，平滑了在10km范圍內(nèi)的氣溶膠光學(xué)厚度的劇烈變化。因此10km分辨率AO

16、D產(chǎn)品對(duì)于小尺度的中高分辨率影響的大氣校正（如Landsat TM、ETM+系列，QuickBird等），10km分辨率的氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品卻稍顯不足。本文根據(jù)MODIS業(yè)務(wù)化運(yùn)轉(zhuǎn)的氣溶膠算法，利用更為嚴(yán)格的目標(biāo)選擇算法，在空間上先取較多的暗目標(biāo)點(diǎn)反演了1km分辨率AOD產(chǎn)品。結(jié)果顯示在氣溶膠空間變化趨勢(shì)上，兩者都呈現(xiàn)由城區(qū)向郊區(qū)逐漸減小，由南向北逐漸減小的趨勢(shì)。但1km AOD產(chǎn)品相對(duì)10km AOD 產(chǎn)品，更能反應(yīng)氣溶膠在空間上的劇烈變化，且更能反應(yīng)氣溶膠在小地區(qū)的一些變化。但是在與地面光度計(jì)對(duì)比中并未發(fā)現(xiàn)1km AOD產(chǎn)品在精度上并未有較大的提高,其原因可能是實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的4月北京地區(qū)地表植

17、被長(zhǎng)勢(shì)并不良好，對(duì)暗目標(biāo)選取的精度造成了一定的影響，造成兩者差異并不大。因此，需要在后續(xù)植被長(zhǎng)勢(shì)良好的情況下進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的可行性。致謝國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)重點(diǎn)項(xiàng)目: 無(wú)人機(jī)遙感載荷綜合驗(yàn)證場(chǎng)技術(shù)研究(2008AA121806)資助。References (參考文獻(xiàn))1Chengcai Li, Alexis Kai-Hon Lau, Jietai Mao. Retrieval, Validation,and Application of the 1-km Aerosol Optical Depth From MODISMeasurement Over Hong KongJ. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2005, 43(11), P2650-26582徐希孺. 遙感物理M. 北京: 北京大學(xué)出版社, 2005. 10-25.3施成艷江洪江子山等. 上海地區(qū)大氣氣溶膠光學(xué)厚度的遙感監(jiān)測(cè)J. 環(huán)境科學(xué)研究, 2010, 23(6): 680684.4劉玉潔, 楊忠東. MODIS遙感信息處理原理與算法M. 北京: 科學(xué)出版社, 2001. 17-305Kaufman Y J, Tanre Didier, Boucher O. A satellite view of aerosolsin t