一種基于modis數(shù)據(jù)反演城市大氣氣溶膠光學(xué)厚度的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種基于MODIS數(shù)據(jù)反演城市大氣氣溶膠光學(xué)厚度的方法。該方法包括：1)根據(jù)6S大氣輻射傳輸方程，建立數(shù)學(xué)模型計(jì)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(lèi)型；2)根據(jù)MODIS數(shù)據(jù)中2.1μm通道的地表反射率與紅、藍(lán)通道的地表反射率的關(guān)系，得出紅、藍(lán)通道的地表反射率的估算值；3)根據(jù)6S大氣輻射傳輸方程，結(jié)合步驟1中的氣溶膠類(lèi)型，分別建立紅通道下氣溶膠光學(xué)厚度查找表和藍(lán)通道下氣溶膠光學(xué)厚度查找表；4)對(duì)查找表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行三次樣條插值，得出指定地表反射率下的氣溶膠光學(xué)厚度，完成大氣氣溶膠光學(xué)厚度反演。本發(fā)明城市大氣氣溶膠光學(xué)厚度反演方法易于實(shí)現(xiàn)，反演精度高，可以有效的用于城區(qū)氣溶膠監(jiān)測(cè)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于MODIS數(shù)據(jù)反演城市大氣氣溶膠光學(xué)厚度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及大氣遙感領(lǐng)域的氣溶膠特性研究，尤其是涉及一種基于MODIS數(shù)據(jù)反演城市大氣氣溶膠光學(xué)厚度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，由于城市交通污染、市政建設(shè)、周邊地區(qū)工業(yè)氣體排放和自然界生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞等人為因素影響，城市空氣質(zhì)量受到很大影響，空氣污染嚴(yán)重。為減少污染源的影響，對(duì)城市大氣環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測(cè)變得尤為重要，氣溶膠粒子因?yàn)槠湓诖髿獗O(jiān)測(cè)中的重要作用受到廣泛的關(guān)注和研究。大氣氣溶膠由不同相態(tài)的物質(zhì)組成，雖然含量很少，但其可以通過(guò)吸收和散射影響太陽(yáng)輻射，進(jìn)而影響地-氣系統(tǒng)的輻射收支平衡，對(duì)大氣中發(fā)生的許多物理化學(xué)過(guò)程都有重要影響，因此其是氣候變化模擬和環(huán)境遙感中的重要因子。
[0003]氣溶膠光學(xué)厚度是氣溶膠最重要的參數(shù)之一，是表征大氣混濁度的重要物理量。探測(cè)氣溶膠光學(xué)厚度可以采用地基探測(cè)方法和衛(wèi)星遙感方法。地基探測(cè)可以比較準(zhǔn)確地測(cè)量氣溶膠信息，但獲取的只是空間點(diǎn)上的數(shù)據(jù)，不能反映大區(qū)域氣溶膠時(shí)空分布。遙感技術(shù)具有覆蓋面積廣、信息獲取方便、快捷等特點(diǎn)，相對(duì)于地面觀測(cè)可以更高效地獲取大氣氣溶膠信息。當(dāng)前利用Terra/Aqua衛(wèi)星上搭載的MODIS傳感器觀測(cè)的高分辨率衛(wèi)星遙感資料反演氣溶膠光學(xué)厚度可以克服地基探測(cè)的不足，為人們實(shí)時(shí)了解大區(qū)域范圍內(nèi)的氣溶膠變化提供了可能。
[0004]不少學(xué)者針對(duì)衛(wèi)星遙感反演氣溶膠光學(xué)厚度這一問(wèn)題做過(guò)相關(guān)研究。例如中國(guó)專(zhuān)利公告CN 102636143A (公告日期:2012年8月15日)公開(kāi)了一種氣溶膠光學(xué)厚度遙感反演方法。該方法依據(jù)純像元指數(shù)提取遙感圖像中的純像元，生成純像元掩膜，進(jìn)而確定純像元地表反射率，最后根據(jù)查找表將遙感觀測(cè)的輻射亮度反演為氣溶膠光學(xué)厚度。該方法雖然不受混合像元影響，能有效的用于城區(qū)的氣溶膠監(jiān)測(cè)，但是它選用6S大氣輻射傳輸模型中的既定的氣溶膠類(lèi)型，把整個(gè)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(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種基于MODIS數(shù)據(jù)的反演城市大氣氣溶膠光學(xué)厚度的方法，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)確定最適當(dāng)?shù)拇髿鈿馊苣z類(lèi)型，由6S大氣福射傳輸模型建立氣溶膠光學(xué)厚度的查找表，并通過(guò)對(duì)查找表中數(shù)據(jù)的三次樣條插值得出反演結(jié)果。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下步驟:
[0007]I)根據(jù)6S大氣輻射傳輸方程，建立數(shù)學(xué)模型計(jì)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(lèi)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(jù)待反演城市的特征,分別確定νρν2、ν3、V4的臨界值，設(shè)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(shù)據(jù)中衛(wèi)星觀測(cè)的表觀反射率在I波段(660nm)下為p ^，將V1從Vlniin到Vlniax進(jìn)行遞增迭代,將V2從V2niin到V2niax進(jìn)行遞增迭代,將V3從V3min到V3max進(jìn)行遞增迭代,并根據(jù)V4的表達(dá)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(jì)算在660nm下的衛(wèi)星反射率P1，計(jì)算P ^與P i的差值的平方，此數(shù)據(jù)用ε表示,將ε與對(duì)應(yīng)的VpVyVyV4的值都記錄下來(lái)；當(dāng)VpVyV3都達(dá)到I時(shí)迭代完畢。從記錄的所有數(shù)據(jù)中取出ε最小的200萬(wàn)組數(shù)據(jù)，取這200萬(wàn)組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的V1的平均數(shù)作為自定義的氣溶膠類(lèi)型中沙塵性氣溶膠體積濃度；取這200萬(wàn)組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的V2的平均數(shù)作為自定義的氣溶膠類(lèi)型中水溶性氣溶膠體積濃度；取這200萬(wàn)組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的V3的平均數(shù)作為自定義的氣溶膠類(lèi)型中海洋性氣溶膠體積濃度；取這200萬(wàn)組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的V4的平均數(shù)作為自定義的氣溶膠類(lèi)型中煤煙性氣溶膠體積濃度。
[0008]2)根據(jù)MODIS數(shù)據(jù)中2.1 μ m通道的地表反射率與紅、藍(lán)通道的地表反射率的關(guān)系，得出紅、藍(lán)通道的地表反射率的估算值。
[0009]3)根據(jù)6S大氣輻射傳輸方程，結(jié)合步驟I中的氣溶膠類(lèi)型，分別建立紅通道下氣溶膠光學(xué)厚度查找表和藍(lán)通道下氣溶膠光學(xué)厚度查找表；具體的，查找表中，氣溶膠光學(xué)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(duì)查找表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行三次樣條插值，得出指定地表反射率下的氣溶膠光學(xué)厚度，完成大氣氣溶膠光學(xué)厚度反演。
[0011]所述的步驟I)中Vp v2、V3遞增迭代的步長(zhǎng)均為0.001。
[0012]所述的步驟I)中通過(guò)6S大氣輻射傳輸方程計(jì)算在660nm下的衛(wèi)星反射率P i時(shí)，方程中氣溶膠光學(xué)厚度取為太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)的氣溶膠光學(xué)厚度。
[0013]所述的步驟3)所建的兩個(gè)查找表中，氣溶膠光學(xué)厚度的迭代步長(zhǎng)為0.05，地表反射率的迭代步長(zhǎng)為0.01。
[0014]本發(fā)明城市大氣氣溶膠光學(xué)厚度反演方法易于實(shí)現(xiàn)，反演精度高，可以有效的用于城區(qū)氣溶膠監(jiān)測(cè)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是本發(fā)明的工作流程示意圖。
[0016]圖2是采用杭州地區(qū)2013年10月的MODIS LlB數(shù)據(jù)對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)行操作的操作結(jié)果與杭州站太陽(yáng)光度計(jì)的測(cè)量結(jié)果的對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]如圖1所示，本發(fā)明包含以下步驟:
[0018]I)根據(jù)6S大氣輻射傳輸方程，建立數(shù)學(xué)模型計(jì)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(lèi)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(jù)待反演城市的特征,分別確定νρν2、ν3、V4的臨界值，設(shè)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(shù)據(jù)中衛(wèi)星觀測(cè)的表觀反射率在I波段(660nm)下為p ^，將V1從Vlniin到Vlniax進(jìn)行遞增迭代,將V2從V2niin到V2niax進(jìn)行遞增迭代,將V3從V3min到V3max進(jìn)行遞增迭代,并根據(jù)V4的表達(dá)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(jì)算在660nm下的衛(wèi)星反射率P1，計(jì)算P ^與P i的差值的平方，此數(shù)據(jù)用ε表示,將ε與對(duì)應(yīng)的VpVyVyV4的值都記錄下來(lái)；當(dāng)VpVyV3都達(dá)到I時(shí)迭代完畢。從記錄的所有數(shù)據(jù)中取出ε最小的200萬(wàn)組數(shù)據(jù)，取這200萬(wàn)組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的V1的平均數(shù)作為自定義的氣溶膠類(lèi)型中沙塵性氣溶膠體積濃度；取這200萬(wàn)組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的V2的平均數(shù)作為自定義的氣溶膠類(lèi)型中水溶性氣溶膠體積濃度；取這200萬(wàn)組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的V3的平均數(shù)作為自定義的氣溶膠類(lèi)型中海洋性氣溶膠體積濃度；取這200萬(wàn)組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的V4的平均數(shù)作為自定義的氣溶膠類(lèi)型中煤煙性氣溶膠體積濃度。
[0019]2)根據(jù)MODIS數(shù)據(jù)中2.1 μ m通道的地表反射率與紅、藍(lán)通道的地表反射率的關(guān)系，得出紅、藍(lán)通道的地表反射率的估算值。
[0020]3)根據(jù)6S大氣輻射傳輸方程，結(jié)合步驟I中的氣溶膠類(lèi)型，分別建立紅通道下氣溶膠光學(xué)厚度查找表和藍(lán)通道下氣溶膠光學(xué)厚度查找表；具體的，查找表中，氣溶膠光學(xué)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(duì)查找表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行三次樣條插值，得出指定地表反射率下的氣溶膠光學(xué)厚度，完成大氣氣溶膠光學(xué)厚度反演。
[0022]所述的步驟I)中Vp v2、V3遞增迭代的步長(zhǎng)均為0.001。
[0023]所述的步驟I)中通過(guò)6S大氣輻射傳輸方程計(jì)算在660nm下的衛(wèi)星反射率P i時(shí)，方程中氣溶膠光學(xué)厚度取為太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)的氣溶膠光學(xué)厚度。
[0024]所述的步驟3)所建的兩個(gè)查找表中，氣溶膠光學(xué)厚度的迭代步長(zhǎng)為0.05，地表反射率的迭代步長(zhǎng)為0.01。
[0025]本發(fā)明步驟2)中MODIS數(shù)據(jù)2.1 μ m通道的地表反射率與紅、藍(lán)通道的地表反射率的關(guān)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(lán)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(fā)明步驟4)中對(duì)查找表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行三次樣條插值，以地表反射率為自變量，光學(xué)厚度為地表反射率的函數(shù)為例，具體的插值過(guò)程為如下:令查找表中地表反射率的數(shù)據(jù)點(diǎn)有η個(gè)，第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的地表反射率值為Xi，對(duì)應(yīng)的光學(xué)厚度為yi;此三次樣條插值的插值函數(shù)用S(x)表示。根據(jù)插值理論，S(x)需滿足如下幾個(gè)條件:
[0029]I)插值條件，即 S(Xi) = yi; i = 1,2,3..., η (2)
[0030]2)連續(xù)性條件，即
【權(quán)利要求】
1.一種基于MODIS數(shù)據(jù)反演城市大氣氣溶膠光學(xué)厚度的方法，其特征在于包含以下步驟: 1)根據(jù)6S大氣輻射傳輸方程，建立數(shù)學(xué)模型計(jì)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(lèi)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(jù)待反演城市的特征，分別確定VpVyVyV4的臨界值，設(shè)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(shù)據(jù)中衛(wèi)星觀測(cè)的表觀反射率在I波段(660nm)下為P。，將V1從Vlniin到Vlniax進(jìn)行遞增迭代，將V2從V2niin到V2niax進(jìn)行遞增迭代，將V3從V3niin到Vanax進(jìn)行遞增迭代，并根據(jù)V4的表達(dá)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(jì)算在660nm下的衛(wèi)星反射率P1，計(jì)算Ptl與P1的差值的平方，此數(shù)據(jù)用ε表示,將ε與對(duì)應(yīng)的Vp v2、v3、V4的值都記錄下來(lái)；當(dāng)Vp v2、V3都達(dá)到I時(shí)迭代完畢。從記錄的所有數(shù)據(jù)中取出ε最小的200萬(wàn)組數(shù)據(jù)，取這200萬(wàn)組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的V1的平均數(shù)作為自定義的氣溶膠類(lèi)型中沙塵性氣溶膠體積濃度；取這200萬(wàn)組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的V2的平均數(shù)作為自定義的氣溶膠類(lèi)型中水溶性氣溶膠體積濃度；取這200萬(wàn)組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的V3的平均數(shù)作為自定義的氣溶膠類(lèi)型中海洋性氣溶膠體積濃度；取這200萬(wàn)組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的V4的平均數(shù)作為自定義的氣溶膠類(lèi)型中煤煙性氣溶膠體積濃度。 2)根據(jù)MODIS數(shù)據(jù)中2.1 μ m通道的地表反射率與紅、藍(lán)通道的地表反射率的關(guān)系，得出紅、藍(lán)通道的地表反射率的估算值。 3)根據(jù)6S大氣輻射傳輸方程，結(jié)合步驟I中的氣溶膠類(lèi)型，分別建立紅通道下氣溶膠光學(xué)厚度查找表和藍(lán)通道下氣溶膠光學(xué)厚度查找表；具體的，查找表中，氣溶膠光學(xué)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(duì)查找表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行三次樣條插值，得出指定地表反射率下的氣溶膠光學(xué)厚度，完成大氣氣溶膠光學(xué)厚度反演。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于MODIS數(shù)據(jù)反演城市大氣氣溶膠光學(xué)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(zhǎng)均為0.001。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于MODIS數(shù)據(jù)反演城市大氣氣溶膠光學(xué)厚度的方法，其特征在于:所述的步驟I)中通過(guò)6S大氣輻射傳輸方程計(jì)算在660nm下的衛(wèi)星反射率P1時(shí)，方程中氣溶膠光學(xué)厚度取為太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)的氣溶膠光學(xué)厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)I所述的一種基于MODIS數(shù)據(jù)反演城市大氣氣溶膠光學(xué)厚度的方法，其特征在于:所述的步驟3)所建的兩個(gè)查找表中，氣溶膠光學(xué)厚度的迭代步長(zhǎng)為0.05，地表反射率的迭代步長(zhǎng)為0.01。
【文檔編號(hào)】G01S7/48GK104019753SQ201410279448
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月17日
【發(fā)明者】范嬌 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)