一種基于環(huán)境衛(wèi)星的灰霾污染監(jiān)測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及衛(wèi)星遙感【技術(shù)領(lǐng)域】，公開(kāi)了一種基于環(huán)境衛(wèi)星的灰霾數(shù)據(jù)反演方法，包括以下步驟：獲取給定海拔的地表反射率數(shù)據(jù)，以及所監(jiān)測(cè)區(qū)域的地基數(shù)據(jù)和環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)；利用所述地基數(shù)據(jù)建立所監(jiān)測(cè)區(qū)域的灰霾氣溶膠模式，根據(jù)所述灰霾氣溶膠模式和地表反射率數(shù)據(jù)建立用于灰霾數(shù)據(jù)反演的查找表；根據(jù)所述環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)識(shí)別灰霾；利用環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)、地表反射率數(shù)據(jù)、查找表計(jì)算得到所監(jiān)測(cè)區(qū)域的灰霾光學(xué)厚度，作為反演得到的灰霾數(shù)據(jù)。本發(fā)明利用高空間分辨率的環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)結(jié)合精確的地表反射率數(shù)據(jù)反演灰霾數(shù)據(jù)，可以反演得到連續(xù)的高分辨率定量灰霾數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確度高。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種基于環(huán)境衛(wèi)星的灰霾污染監(jiān)測(cè)方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及衛(wèi)星遙感【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于環(huán)境衛(wèi)星的灰霾反演方法。
【背景技術(shù)】
[0002]環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座A、B星(HJ-1A/1B星)于2008年9月6日上午11點(diǎn)25分成功發(fā)射。在HJ-1-A衛(wèi)星和HJ-1-B衛(wèi)星上均裝載的兩臺(tái)CXD相機(jī)設(shè)計(jì)原理完全相同，以星下點(diǎn)對(duì)稱(chēng)放置，平分視場(chǎng)、并行觀測(cè)，聯(lián)合完成對(duì)地幅寬度為700公里、地面像元分辨率30米、4個(gè)譜段的推掃成像。但由于傳感器高空間分辨率的限制，光譜分辨率均較低。目前，環(huán)境衛(wèi)星已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用到我國(guó)生態(tài)環(huán)境、土地利用，自然災(zāi)害等領(lǐng)域。隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，區(qū)域性大氣污染在京津唐、長(zhǎng)三角，珠三角等地區(qū)日益嚴(yán)重，這就需要衛(wèi)星大氣遙感技術(shù)進(jìn)行大尺度、快速，定量的監(jiān)測(cè)和分析，為環(huán)保和氣象部門(mén)提供有效的污染物來(lái)源、傳輸和分布等信息支持。[0003]衛(wèi)星大氣遙感定量反演與監(jiān)測(cè)大氣氣溶膠，以及溫室與污染氣體的理論及技術(shù)的研究對(duì)于環(huán)保、氣象，氣候變化研究具有重要的意義。NASA (National Aeronautics andSpace Administration,美國(guó)國(guó)家航空航天局)，歐空局等單位已經(jīng)相繼發(fā)射了一系列高精度的用于大氣成分和變化監(jiān)測(cè)的傳感器。近幾年來(lái)，基于衛(wèi)星遙感的大氣氣溶膠，污染氣體的反演與監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，取得了一系列的進(jìn)展。尤其是隨著我國(guó)中東部地區(qū)空氣質(zhì)量問(wèn)題的加劇，衛(wèi)星遙感技術(shù)在監(jiān)測(cè)區(qū)域尺度的城市群污染與輸送，污染源的分布與排放變化等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。NASA MODIS(Moderate Resolution ImagingSpectrometer,中分辨率成像光譜儀)傳感器提供的IOkm分辨率的氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品具有較高的精度，被廣泛用于顆粒污染的分布與定量監(jiān)測(cè)。但是國(guó)外傳感器主要用于晴空觀測(cè)與反演，高精度的定量反演并不適用于氣溶膠濃度特別高的地區(qū)。由于我國(guó)大氣污染嚴(yán)重，在華北平原工業(yè)區(qū)，經(jīng)濟(jì)區(qū)城市群等經(jīng)常出現(xiàn)濃厚的灰霾污染，經(jīng)常被國(guó)外衛(wèi)星傳感器誤作薄云處理。而且，國(guó)外用于大氣監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星反演結(jié)果主要用于氣候變化研究，分辨率較低，不適用于直接用來(lái)監(jiān)測(cè)城市地區(qū)等。目前，迫切需要一種定量、有效的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)我國(guó)東部灰霾以及光化學(xué)煙霧的衛(wèi)星定量反演與監(jiān)測(cè)。
[0004]氣溶膠衛(wèi)星遙感定量算法是基于輻射傳輸機(jī)理，通過(guò)測(cè)量大氣顆粒物對(duì)太陽(yáng)光的散射，剔除地表信號(hào)，來(lái)得到大氣氣溶膠消光柱總量的技術(shù)。由于衛(wèi)星接收到的信號(hào)包含了來(lái)自地表和大氣的共同分量，如何有效精確的分離兩者成為反演算法的關(guān)鍵。目前，應(yīng)用最廣的是基于MODIS的暗像元算法和深藍(lán)算法:
[0005]暗像元算法:基于2.12μπι短波紅外波段受氣溶膠影響較小，信號(hào)主要來(lái)自地表，并且2.12 μ m與紅(0.66 μ m)，藍(lán)波段(0.47 μ m)在濃密植被地區(qū)具有一定的線性關(guān)系，假設(shè)特定的氣溶膠模式，可以解算出大氣的信號(hào)貢獻(xiàn)。但是這種算法只適用植被地區(qū)，而且在灰霾等高濃度氣溶膠時(shí)精度降低。
[0006]深藍(lán)算法:利用藍(lán)光波段信息與MODIS地表反射率產(chǎn)品差異，結(jié)合基于福射傳輸計(jì)算的查找表，計(jì)算沙漠地區(qū)以及裸地，城市地區(qū)等的氣溶膠光學(xué)厚度。該算法主要反演暗像元算法無(wú)值地區(qū)，而且主要適用于沙漠等方向性反射較弱地區(qū)，在植被地區(qū)不確定性較大。
[0007]以上算法都是基于MODIS傳感器的IOkm氣溶膠產(chǎn)品，分辨率較粗而且不能準(zhǔn)確區(qū)分薄云與灰霾，不適于我國(guó)典型地區(qū)的灰霾監(jiān)測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供一種基于環(huán)境衛(wèi)星的灰霾污染監(jiān)測(cè)方法，結(jié)合環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)高空間分辨率與地表反射率數(shù)據(jù)高光譜分辨率的優(yōu)勢(shì)，克服現(xiàn)有氣溶膠衛(wèi)星監(jiān)測(cè)應(yīng)用受到空間分辨率低的限制，以及現(xiàn)有反演方法不適用嚴(yán)重灰霾識(shí)別和監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，解決MODIS氣溶膠算法不能計(jì)算重灰霾和空間分辨率有限的問(wèn)題。
[0009]本發(fā)明的方法包括以下步驟:
[0010]S1、獲取給定海拔的地表反射率數(shù)據(jù)，以及所監(jiān)測(cè)區(qū)域的地基數(shù)據(jù)和環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)；
[0011]S2、利用所述地基數(shù)據(jù)建立所監(jiān)測(cè)區(qū)域的灰霾氣溶膠模式，根據(jù)所述灰霾氣溶膠模式和地表反射率數(shù)據(jù)建立用于灰霾數(shù)據(jù)反演的查找表；
[0012]S3、根據(jù)所述環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)識(shí)別灰霾；
[0013]S4、利用所述環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)、地表反射率數(shù)據(jù)、查找表計(jì)算得到所監(jiān)測(cè)區(qū)域的灰霾光學(xué)厚度，作為反演得到的灰霾數(shù)據(jù)。
[0014]優(yōu)選地，步驟S2中，所述查找表包含所述地表反射率數(shù)據(jù)中的大氣的路徑輻射項(xiàng)等效反射率P O、大氣透過(guò)率T和大氣半球下行返照率S和假設(shè)的灰霾光學(xué)厚度這四種數(shù)據(jù)，建立查找表的方式為:假設(shè)灰霾光學(xué)厚度τ已知，用6S輻射傳輸模擬方法計(jì)算生成以上四項(xiàng)數(shù)據(jù)。
[0015]優(yōu)選地，根據(jù)所述環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)中的近紅外波譜數(shù)據(jù)識(shí)別灰霾。
[0016]優(yōu)選地，所述環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)為環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)小衛(wèi)星(HJ-1A/1B星)C⑶數(shù)據(jù)。
[0017]優(yōu)選地，所述地表反射率數(shù)據(jù)為M0DIS500m藍(lán)光波段地表反射率數(shù)據(jù)。
[0018]優(yōu)選地，所述地基數(shù)據(jù)是由CE318太陽(yáng)光度計(jì)測(cè)量得到的氣溶膠光學(xué)特性。
[0019]上述技術(shù)方案可以從環(huán)境小衛(wèi)星高空間分辨率圖像信息中獲取城市，工業(yè)區(qū)等亮地表地區(qū)的灰霾分布和光學(xué)厚度，在滿足定量，大尺度反演灰霾光學(xué)特性的同時(shí)，提高了灰霾識(shí)別和監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的方法流程圖
[0021]圖2為用本發(fā)明實(shí)施例的方法反演得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分布圖
[0022]圖3為根據(jù)現(xiàn)有的NASA MODIS業(yè)務(wù)化算法反演得到的北京地區(qū)灰霾分布圖
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。[0024]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于環(huán)境衛(wèi)星的灰霾數(shù)據(jù)反演方法，包括以下步驟:
[0025]S1、利用MODIS獲取500m的藍(lán)光波段8天均值的地表反射率數(shù)據(jù)，以及所監(jiān)測(cè)區(qū)域的地基數(shù)據(jù)和環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)作為反演方法所要用到的已知參數(shù)；
[0026]本實(shí)施例中，獲取8天均值的地表反射率數(shù)據(jù)可以來(lái)排除云等因素的影響，而且利用MODIS獲取地表反射率數(shù)據(jù)可以獲得高精度的地表反射率參數(shù)，還利用了環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)的高空間分辨率。所述地基數(shù)據(jù)由CE318太陽(yáng)光度計(jì)測(cè)量得到。
[0027]S2、在地基CE318觀測(cè)的氣溶膠光學(xué)特性基礎(chǔ)上，建立典型地區(qū)的灰霾氣溶膠模式，生成灰霾反演計(jì)算用的查找表；
[0028]本實(shí)施例所選用的地基數(shù)據(jù)以CE318太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)的氣溶膠體積譜分布和單次散射特性為主，獲取北京，天津等城市的灰霾天氣溶膠模型。根據(jù)測(cè)得的氣溶膠模式，利用6S輻射傳輸模擬建立初始條件的查找表，建立查找表初始條件包括:傳感器參數(shù)，波段中心波長(zhǎng)、波段寬度、波段響應(yīng)函數(shù)；大氣參數(shù)，主要包括氣溶膠模式和光學(xué)厚度等；幾何參數(shù)，包括太陽(yáng)天頂角、觀測(cè)天頂角、相對(duì)方位角；以及地表參數(shù)，主要是地表反射率和海拔高度。查找表包括不同灰霾光學(xué)厚度情況下的單次散射反照率P O、大氣透過(guò)率T、半球下行反照率參數(shù)S。以上數(shù)據(jù)反映的是大氣本身的情況，與衛(wèi)星數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)。6S輻射傳輸模擬可通過(guò)專(zhuān)門(mén)的軟件實(shí)現(xiàn)，模擬出的結(jié)果用于簡(jiǎn)化步驟S4的計(jì)算。
[0029]S3、根據(jù)所述環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)中的近紅外波譜數(shù)據(jù)識(shí)別灰霾；
[0030]本實(shí)施例中，根 據(jù)灰霾在各個(gè)通道上的反射率特征和的近紅外波譜特征，將灰霾覆蓋像元從低云和亮目標(biāo)背景中識(shí)別出來(lái)。事實(shí)上，基于環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)的高空間分辨率可有效識(shí)別亮地表、薄云和灰霾。
[0031]S4、根據(jù)環(huán)境衛(wèi)數(shù)據(jù)提取大氣頂部反射率P τω，P TOA與MODIS真實(shí)地表反射率的差值P s，結(jié)合查找表，計(jì)算對(duì)應(yīng)地區(qū)的灰霾光學(xué)厚度
[0032]大氣福射原理如下,傳輸方程為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于環(huán)境衛(wèi)星的灰霾污染監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟: 獲取給定海拔的地表反射率數(shù)據(jù)，以及所監(jiān)測(cè)區(qū)域的地基數(shù)據(jù)和環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)； 利用所述地基數(shù)據(jù)建立所監(jiān)測(cè)區(qū)域的灰霾氣溶膠模式，根據(jù)所述灰霾氣溶膠模式和地表反射率數(shù)據(jù)建立用于灰霾數(shù)據(jù)反演的查找表； 根據(jù)所述環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)識(shí)別灰霾； 利用所述環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)、地表反射率數(shù)據(jù)以及查找表，根據(jù)大氣輻射傳輸方程計(jì)算得到所監(jiān)測(cè)區(qū)域的灰霾光學(xué)厚度，作為反演得到的灰霾數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述基于環(huán)境衛(wèi)星的灰霾污染監(jiān)測(cè)方法，其特征在于， 所述查找表包含所述地表反射率數(shù)據(jù)中的大氣的路徑輻射項(xiàng)等效反射率、大氣透過(guò)率和大氣半球下行返照率和假設(shè)的灰霾光學(xué)厚度這四種數(shù)據(jù)； 建立查找表的方式為:假設(shè)所述灰霾光學(xué)厚度已知，用6S輻射傳輸模擬方法計(jì)算生成以上四項(xiàng)數(shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求1所述基于環(huán)境衛(wèi)星的灰霾污染監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，根據(jù)所述環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)中的近紅外波譜數(shù)據(jù)識(shí)別灰霾。
4.如權(quán)利要求1?3任一項(xiàng)所述基于環(huán)境衛(wèi)星的灰霾污染監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述地基數(shù)據(jù)是由CE318太陽(yáng)光度計(jì)測(cè)量得到的氣溶膠光學(xué)特性。
5.如權(quán)利要求1?3任一項(xiàng)所述基于環(huán)境衛(wèi)星的灰霾污染監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，地表反射率數(shù)據(jù)是M0DIS500m藍(lán)光波段數(shù)據(jù)。
6.如權(quán)利要求1?3任一項(xiàng)所述基于環(huán)境衛(wèi)星的灰霾污染監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)為環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)小衛(wèi)星HJ-1A/1B星CXD數(shù)據(jù)。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK103927454SQ201410168708
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月24日
【發(fā)明者】陶明輝, 陳良富 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所