遥感气溶胶监测技术

李润杰

摘要：随着我国经济的快速发展，许多地方的空气质量不断下降，而有的地方则出现了雾霾。不良的空气质量会降低大气能见度，影响交通出行安全，甚至对人们的身体健康有危害。运用卫星遥感技术进行监测可获得大面积区域动态监测，完成气溶胶的遥感监测工作。

关键词：MODIS;暗像元法;气溶胶光学厚度

引言

随着近些年来的快速发展，我国的工业化和城市化水平不断提高，但环境质量却有了明显的下降[1]。目前我国对于大气质量的监测主要依靠地面监测站的监测，但由于地面监测站分布有限，且监测范围局限于监测站附近的一定范围，对于远离监测站的地点无法获得大气质量的相关数据或者数据可靠性较低，不适应于大面积监测及动态分析。而遥感数据具有持续、动态、大面积观测的特点，利用遥感数据对大气环境进行监测能有效克服地面监测站的不足，实现大气环境的持续动态监测，为大气环境的相关分析及城市雾霾的治理提供数据信息。

正文

大气气溶胶是悬浮在大气中的固体和液体微粒与气体载体共同组成的多相体系，广泛地影响着地球的气候和生态系统[2]。尽管气溶胶在大气中的含量相对较少，但它在大气过程中所起的作用却不容忽视，其突出的作用表现在气溶胶不仅对大气能见度、太阳散射和辐射、大气温度等具有较多影响，而且由于其粒径小、表面积大，为大气环境化学提供了反应床，从而影响大气的各种化学作用，同时影响人类健康。目前有许多研究者对遥感气溶胶监测进行了研究，苏城林等（2015）利用NPP VIIRS数据反演气溶胶光学厚度，得到的结果与AERONET的数据显著相关[2]。杨丽娟等（2018）利用MODIS遥感数据对福州地区的PM2.5进行遥感估计并利用十折交叉验证法对结果进行了验证[3]。张婕等（2016）对沈阳地区的MODIS与MERSI气溶胶产品进行了对比研究[4]。葛邦宇等（2018）运用暗目标法对Himawari-8静止卫星数据进行了气溶胶反演[5]。田信鹏等（2018）利用Landsat8OLI高空间分辨率数据对北京市的气溶胶光学厚度进行了反演[6]。孙林等（2016）利用地表反射率产品支持的GF-1 PMS数据进行了大气校正及气溶胶光学厚度反演。这些研究均表明可以通过对遥感数据进行一系列处理等到气溶胶数据，验证了通过遥感手段获取气溶胶数据具有可行性。本文利用了重庆市的MODIS L1B数据，结合研究区状况，选择暗像元法进行了气溶胶光学厚度的反演。

大气气溶胶对地球表层系统的辐射有重要影响，气溶胶可以通过对太阳短波辐射的散射，调节地-气系统的反射率，导致地-气系统的降温过程。同时，由于气溶胶的组成成分不同，对太阳短波辐射的吸收、散射作用也不同，某些吸收作用较强的气溶胶可以导致地-气系统的增温过程。另一方面，气溶胶可以充当云、雾生成的凝结核，因而对地-气系统的辐射平衡产生间接影响。

在利用卫星遥感数据对气溶胶进行反演时，一般假设地球表面为均匀朗伯面，即当入射能量在所有方向均匀反射，即入射能量以入射点为中心，在整个半球空间内向四周各向的反射能量相同。同时假设气溶胶在不同高度上均匀分布。则卫星接收到的辐射L（）的表达式为：

式中：，，为太阳天顶角，为传感器天顶角，为观测方向的路径辐射量，r为视作朗伯体后的地表的反射率，S为大气下界的半球反射率，T为大气透过率，为大气层顶部与太阳光相垂直的方向上的辐射通量密度。

然后利用入射太阳辐射项对式上进行归一化可得，大气层顶部的反射率：

式中：是大气路径辐射的等效反射率，是地表二向反射率，将地表视作朗伯体时，其值取为r。通过使用6S模型来计算在不同的气溶胶模式及角度数据时，气溶胶光学厚度与S、、等3个参数间的关系，并由此来构建查找表，然后在进行气溶胶反演时通过调用查找表来得到相应的气溶胶的值，从而实现气溶胶的遥感监测。

结论

根据研究目的选用了MODIS L1B进行研究，在对气溶胶反演原理及重庆市自然地理环境进行了解的基础上选择了暗像元法来进行气溶胶光学厚度的反演。通过对MODIS L1B数据进行了处理，并通过调用查找表来实现了气溶胶光学厚度的反演，得到了重庆市的气溶胶光学厚度的空间分布情况。从空间上分析，重庆市整体的气溶胶光学厚度较小，大气环境较好，气溶胶光学厚度较小，基本都在0.5左右。

参考文献：

[1]周涛，汝小龙.北京市雾霆天气成因及治理措施研究[[J].华北电力大学学报（社会科学版），2012（2）：12-16.

[2]苏城林，苏林，陈良富， 等.NPP VIIRS数据反演气溶胶光学厚度[J].遥感学报，2015，19（6）：977-982.

[3]楊立娟，徐涵秋，金致凡.MODIS卫星遥感估计福州地区近地面PM2.5浓度[J].遥感学报， 2018，22（1）：64-75.

[4]张婕，刘昊野，辛金元等.沈阳地区MODIS与MERSI气溶胶产品对比研究[J].遥感学报，2016，20（4）：549-560.

[5]葛邦宇，杨磊库，陈兴峰， 等.暗目标法的Himawari-8静止卫星数据气溶胶反演[J].遥感学报，2018，22（1）：38-50.

[6]田信鹏，孙林，刘强， 等.北京地区Landsat8OLI高空间分辨率气溶胶光学厚度反演[J].遥感学报，2018，22（1）：51-63.