本發(fā)明涉及遙感領(lǐng)域，尤指一種基于高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的氣溶膠光學(xué)厚度反演方法。

背景技術(shù)：

大氣氣溶膠是大氣最主要的不確定性的成分之一，可用來(lái)估算氣溶膠對(duì)區(qū)域以及全球氣候變化的影響。目前各種氣溶膠光學(xué)厚度反演方法(如暗目標(biāo)算法、深藍(lán)算法)被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)衛(wèi)星影像上，但是由于目前區(qū)域尺度的氣溶膠光學(xué)特性越來(lái)越受到重視，區(qū)域高分辨率的氣溶膠光學(xué)特性的監(jiān)測(cè)也越來(lái)越得到關(guān)注。更加精細(xì)的氣溶膠分布可以用來(lái)監(jiān)測(cè)城市地區(qū)的氣溶膠空間分布，能夠有效快速的查找出污染源，結(jié)合其他氣象數(shù)據(jù)可以提供更加精確的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)。目前，有一些研究者致力于高分辨率的氣溶膠光學(xué)厚度反演的研究，例如，王中挺等利用基于紅藍(lán)波段比值的暗目標(biāo)方法，對(duì)GF-1影像的暗像元進(jìn)行了反演。Benas等通過(guò)合成MERIS(Medium Resolution lmaging Spectrometer)和AATSR(Advanced Along Track Scanning Radiometer)的光譜和角度信息反演了意大利上空1km高分辨率氣溶膠光學(xué)厚度；Li等通過(guò)協(xié)同MODIS數(shù)據(jù)以及環(huán)境星(HJ)CCD數(shù)據(jù)，反演了北京城市上空100m分辨率氣溶膠光學(xué)特性。盡管如此，目前高分辨率影像氣溶膠光學(xué)厚度反演還主要集中在暗目標(biāo)以及多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)協(xié)同反演上，對(duì)于單一高分辨率衛(wèi)星傳感器以及城市等高亮地表區(qū)域，目前的高分辨率氣溶膠光學(xué)厚度反演算法并不適用，反演結(jié)果的空間覆蓋程度以及反演結(jié)果精度也有較大的損失。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)目前高分辨率氣溶膠反演算法主要集中以暗目標(biāo)以及多元衛(wèi)星數(shù)據(jù)協(xié)同反演的問(wèn)題，提高高分辨率大氣氣溶膠在環(huán)境監(jiān)測(cè)上的運(yùn)用，提高反演結(jié)果空間覆蓋率以及精度等問(wèn)題，提出一種基于高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的氣溶膠光學(xué)厚度反演方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種基于高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的氣溶膠光學(xué)厚度反演方法，具體為1)根據(jù)6S輻射傳輸模型建立查找表；2) 高分辨率數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括輻射定標(biāo)，幾何校正，云檢測(cè)，獲得原始表觀反射率，與觀測(cè)角度信息，根據(jù)觀測(cè)角度信息與查找表獲得大氣參數(shù).3)計(jì)算每個(gè)像元的歸一化植被指數(shù)，根據(jù)植被指數(shù)與本發(fā)明提出的先驗(yàn)知識(shí)，確定每個(gè)像元對(duì)應(yīng)的紅藍(lán)波段關(guān)系。4)根據(jù)衛(wèi)星觀測(cè)的表觀反射率、大氣參數(shù)與紅藍(lán)波段關(guān)系反演氣溶膠光學(xué)厚度。本發(fā)明的氣溶膠光學(xué)厚度遙感反演方法可以有效的對(duì)高分辨率衛(wèi)星進(jìn)行氣溶膠監(jiān)測(cè)，可以為區(qū)域及城市的大氣環(huán)境與污染提供數(shù)據(jù)源。

進(jìn)一步，步驟1)采用6S輻射傳輸模型進(jìn)行輻射傳輸計(jì)算得出多組不同的大氣參數(shù)(F_λ(θ_s)，T_λ(θ)，S_λ和)與觀測(cè)角度組合而成的查找表。

進(jìn)一步，步驟2)云檢測(cè)具體按照公式：

[ρ_blue(D)-ρ_blue(D_r)]＞0.03*[1+(D-D_r)/30]選取像元是否為云像元。其中ρ_blue(D)是D日的像元的藍(lán)波段反射率，D_r是在D日前某個(gè)無(wú)云的日期。

進(jìn)一步，步驟3)具體的紅藍(lán)波段之間的關(guān)系通過(guò)MODIS BRDF產(chǎn)品計(jì)算得到與歸一化植被指數(shù)(NDVI)的關(guān)系，具體可以描述為(圖1)：

K＝2.022；b＝-0.002；0.10≤NDVI＜0.50

K＝1.558；b＝0.010；0.50≤NDVI＜0.75

K＝0.974；b＝0.016；0.75≤NDVI＜1.00

不同的NDVI范圍對(duì)應(yīng)著不同的紅藍(lán)波段關(guān)系，其中NDVI＝(NIR-R)/(NIR+R)，通過(guò)近紅外通道衛(wèi)星觀測(cè)的反射率與紅波段反射率計(jì)算得到。

進(jìn)一步，步驟4)具體為：根據(jù)讀取的太陽(yáng)天頂角、太陽(yáng)方位角、觀測(cè)天頂角、觀測(cè)方位角，在查找表選取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行線性插值，得到紅波段與藍(lán)波段、不同氣溶膠光學(xué)厚度的F_λ(θ_s)，T_λ(θ)，S_λ和大氣參數(shù)；結(jié)合步驟3)得到的純像元的理論上的紅藍(lán)波段的關(guān)系，按照方程組

根據(jù)衛(wèi)星觀測(cè)的太陽(yáng)天頂角θ_s，傳感器天頂角φ_s，是太陽(yáng)方位角θ_v，是傳感器方位角φ_v，對(duì)步驟1)得到的查找表進(jìn)行插值，得到大氣參數(shù)路徑程輻射反射率ρ⁰，太陽(yáng)——目標(biāo)、目標(biāo)——傳感器大氣路徑透射率F、T，下界半球反照率S。再根據(jù)衛(wèi)星觀測(cè)的表觀反射率ρ^TOA計(jì)算每個(gè)預(yù)設(shè)氣溶膠光學(xué)厚度對(duì)應(yīng)的紅波段與藍(lán)波段地表反射率ρ^s，與按照步驟3)所確定的紅藍(lán)波段地表反射率關(guān)系進(jìn)行比較，最符合理論關(guān)系的氣溶膠光學(xué)厚度值即為所求。

本發(fā)明的氣溶膠光學(xué)厚度遙感反演方法可以有效的利用高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)氣溶膠光學(xué)厚度反演，反演結(jié)果可以對(duì)城市地區(qū)等亮地表地區(qū)的氣溶膠進(jìn)行監(jiān)測(cè)，增加了空間覆蓋與空間分辨率，提高了氣溶膠光學(xué)厚度反演精度。

附圖說(shuō)明

圖1為不同歸一化植被指數(shù)下(NDVI)，紅藍(lán)波段地表反射率線性關(guān)系。

圖2為晴朗天氣下氣溶膠光學(xué)厚度反演MODIS官方產(chǎn)品結(jié)果(a)與高分辨率衛(wèi)星(高分一號(hào))氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果(b)。

圖3為污染天氣下氣溶膠光學(xué)厚度反演MODIS官方產(chǎn)品結(jié)果(a)與高分辨率衛(wèi)星(高分一號(hào))氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果(b)。

圖4為高分辨率衛(wèi)星(高分一號(hào))反演結(jié)果與AERONET對(duì)比驗(yàn)證圖。

圖5為高分辨率衛(wèi)星(高分一號(hào))污染源真彩色影像(a)與高分辨率衛(wèi)星(高分一號(hào))污染源監(jiān)測(cè)結(jié)果(b)。

圖6為高分辨率衛(wèi)星(高分一號(hào))華北地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果。

具體實(shí)施方式

與現(xiàn)有的氣溶膠反演的傳感器相比，高分辨率衛(wèi)星傳感器(例如高分一號(hào)衛(wèi)星)具有極高的空間分辨率，更高的空間分辨率能夠反映區(qū)域及城市氣溶膠光學(xué)厚度的空間分布狀況，反映城市大氣環(huán)境狀況，能夠找出污染源，結(jié)合其他氣象數(shù)據(jù)可以對(duì)某一區(qū)域的污染進(jìn)行綜合分析。

因此，本方法充分發(fā)揮高分辨率衛(wèi)星相機(jī)數(shù)據(jù)高空間分辨率的優(yōu)勢(shì)，利用像元NDVI值與紅藍(lán)波段地表反射率關(guān)系，從觀測(cè)信號(hào)中分離出地表的貢獻(xiàn)，得到氣溶膠光學(xué)厚度。

對(duì)于平行大氣下的朗伯體地表表面，大氣頂層的上行反射率是地表與大氣輻射相互作用產(chǎn)生的，是地表與大氣耦合的函數(shù)?？梢员硎緸?/p>

式中：分別是太陽(yáng)天頂角，太陽(yáng)方位角，相對(duì)方位角，T_g是氣體吸收透過(guò)率，ρ₀是由分子散射加氣溶膠散射所構(gòu)成的路徑程輻射反射率，F(xiàn)_λ(θ_s)、T_λ(θ)分別為太陽(yáng)——目標(biāo)、目標(biāo)——傳感器大氣路徑透射率，S_λ為大氣下屆半球反照率，是地物目標(biāo)反射率，ρ_TOA是衛(wèi)星觀測(cè)的大氣頂層反射率。

對(duì)于地表反射率，像元在不同的歸一化植被指數(shù)下紅藍(lán)波段呈現(xiàn)線性關(guān)系：

結(jié)合公式(1)、(2)以及歸一化植被指數(shù)與紅藍(lán)波段的關(guān)系(圖2)，氣溶膠光學(xué)厚度可以從以下方程組計(jì)算得到：

反演流程：

1)根據(jù)輻射傳輸模型6S建立查找表；查找表是通過(guò)設(shè)定不同衛(wèi)星觀測(cè)幾何參數(shù)(8個(gè)太陽(yáng)天頂角、14個(gè)觀測(cè)天頂角、15個(gè)太陽(yáng)與衛(wèi)星之間的相對(duì)方位角)，不同的大氣氣溶膠參數(shù)(Lee和Kim 6種聚類的氣溶膠模式、22個(gè)0.55微米處大氣氣溶膠光學(xué)厚度值：即0.0-2.0步長(zhǎng)為0.1以及2.5)，考慮要反演所需要的波段(紅藍(lán))，并考慮不同氣溶膠類型參數(shù)，使用6S輻射傳輸程序進(jìn)行輻射傳輸計(jì)算得出多組不同的大氣參數(shù)(F_λ(θ_s)，T_λ(θ)，S_λ和)組合而成的查找表。

2)讀取高分辨率影像數(shù)據(jù)，利用官方提供的定標(biāo)系數(shù)，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)，得到大氣頂層表觀反射率。依據(jù)云掩模方法對(duì)整幅影像進(jìn)行云檢測(cè)，提取非云像元進(jìn)行進(jìn)一步的反演。云檢測(cè)方法是多時(shí)相的云檢測(cè)方法(MTCD)，考慮到遙感影像的客觀性和連續(xù)性，該算法以同一區(qū)域相近時(shí)相相近日期的衛(wèi)星遙感地表反射率數(shù)據(jù)為參考，選取云陰影和典型地表樣本點(diǎn)，對(duì)樣本點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，據(jù)其動(dòng)態(tài)確定云陰影檢測(cè)的閾值。

3)確定像元紅藍(lán)地表反射率關(guān)系：計(jì)算每個(gè)有效像元的NDVI值，再根據(jù)圖1所示的關(guān)系，依照NDVI選取相應(yīng)的紅藍(lán)波段地表反射率的關(guān)系。

4)根據(jù)紅藍(lán)波段地表反射率關(guān)系以及紅藍(lán)波段輻射傳輸方程建立方程組(公式3)。根據(jù)讀取高分辨率數(shù)據(jù)的太陽(yáng)天頂角、太陽(yáng)方位角、觀測(cè)天頂角、觀測(cè)方位角，在查找表選取相應(yīng)的大氣參數(shù)，進(jìn)行線性插值，得到不同波段、不同氣溶膠光學(xué)厚度的F_λ(θ_s)，T_λ(θ)，S_λ和大氣參數(shù)。結(jié)合方程組(3)，計(jì)算得到像元地表反射率與氣溶膠光學(xué)厚度。

按照上述步驟，以高分一號(hào)為例，分別對(duì)晴朗天氣下與重污染天氣下的高分辨率影像進(jìn)行氣溶膠光學(xué)厚度反演。晴朗天氣反演結(jié)果如圖2(b)所示。整個(gè)華北平原的氣溶膠光學(xué)厚度水平較低，城中心例如北京、天津的氣溶膠光學(xué)厚度更高，這與MODIS官方產(chǎn)品結(jié)果(圖2(a))空間分布一致，但是空間分辨更高，細(xì)節(jié)更加明顯。同樣的，在較重的大氣污染條件下，反演結(jié)果如圖3(b)所示整個(gè)華北平原都處在氣溶膠光學(xué)厚度較高的情況下，除了部分氣溶膠蔓延至山谷地帶之外北部山區(qū)的由于地形原因氣溶膠光學(xué)厚度整體較低，與MODIS官方產(chǎn)品結(jié)果(圖3(a))空間分布一致。無(wú)論區(qū)域處在晴空大氣下還是污染大氣下，反演結(jié)果都可以有效的刻畫(huà)區(qū)域氣溶膠空間分布及變化情況，空間分辨更高，細(xì)節(jié)更加突出，有利于對(duì)城市地區(qū)的氣溶膠分布進(jìn)行研究。

為了更加準(zhǔn)確地評(píng)估評(píng)估反演方法的性能，使用AERONET的地基觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。選取的地基數(shù)據(jù)為衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間前后30分鐘之內(nèi)，確保衛(wèi)星過(guò)境與地基觀測(cè)之間大氣狀況穩(wěn)定。采用2015年上半年的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，共有75的驗(yàn)證點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，圖4表示高分辨率氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果與地基的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)為R＝0.96，據(jù)方根誤差為0.185，相關(guān)性和均方根誤差要優(yōu)于其他高分辨率算法，擬合關(guān)系的截距為0.106，表明使用我們改進(jìn)的基于NDVI紅藍(lán)波段地表反射率線性關(guān)系進(jìn)行的氣溶膠光學(xué)厚度反演的結(jié)果，大大提高了高分辨衛(wèi)星反演精度，無(wú)論是在晴朗天氣下還是重污染天氣下，氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果更加接近于地基觀測(cè)值。

綜合來(lái)看，利用本方法，高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以有效的用于城區(qū)高分辨率氣溶膠監(jiān)測(cè)，更高的分辨率能夠查找大氣污染的污染源(圖5)，覆蓋更全，能為大氣校正以及高分辨率大氣環(huán)境變化研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(圖6)。