专利名称：一种气溶胶光学厚度遥感反演方法
技术领域：
本发明涉及遥感领域，尤指一种气溶胶光学厚度遥感反演方法。
背景技术：
利用卫星数据进行气溶胶的反演工作已经开展了三十多年。由于海洋表面相对均一，反射率很小并且近似为常数，因此，早期气溶胶直接反演研究和应用主要集中海洋和大的水体表面上空，并投入N0AA/AVHRR产品的业务应用，目前已经发展了两代算法，正在发展第三代算法(Husar et al.，1997)。而在陆地上空，由于气溶胶和地表反射率在时间和空 间上的高度不均一性，且陆地地表反射率相对来说较大。另外，大气层顶辐射对气溶胶和地表反射率都有较强的敏感性，因此，很难从卫星对地观测信号中把气溶胶和地表的贡献定量区别开来，以提取气溶胶的光学厚度和地表反射率。应用于MODIS传感器多波段数据的浓密植被气溶胶反演方法自TERRA卫星发射后已经广泛应用于全球气溶胶光学厚度的观测。其算法原理是=MODIS的通道I (红620 670nm)和通道3 (蓝459 479nm)的地表反射率与通道7 (近红外2105 2155nm)观测到的表观反射率在密集植被地区呈现良好的线性相关，而且近红外通道7的观测基本不受气溶胶的影响，因此，利用这一通道的数据区分浓密植被，并得到通道I和通道3在浓密植被地表的反射率。2007年MODIS算法(C5)对可见光与近红外波段的地表反射率关系进行了修正，以及在全球范围内使用了更多样化更精确的气溶胶模式后(基于全球气溶胶地基观测网AER0NET得到)，反演精度较之前的C4版本有了大幅度的提升(见下图)，但是，升级后的算法在部分城市地区的反演结果并不理想。图Ia和图lb、图2a和图2b是Li et al.,(2007)针对MODIS的C4算法和新C5算法在中国不同地区做的验证分析。左图是香河的验证结果，右图是北京城区的验证结果。从图中可以看出，新算法在非城区的精度相当高，拟合斜率达到了 I. 0，但是在城市地区却较差，拟合斜率只有O. 38，相关性也较差。该算法在城市地区失效是由于在城市地区难以找到足够的浓密植被像元，尤其是在冬季，算法中可见光与中红外地表反射率之间的关系已经不存在。而且，即使浓密植被算法在城市地区是可行的，但是，由于环境一号卫星CCD相机没有中红外波段，无法精确得到浓密植被的地表反射率，因此，该算法不可用于环境一号卫星。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种气溶胶光学厚度遥感反演方法。为实现上述目的，本发明的气溶胶光学厚度遥感反演方法，具体为1)根据辐射传输模型建立查找表；2)表观反射率计算；3)依据像元纯度指数提取遥感图像中的纯像元，生成纯像元掩膜；4)确定纯像元地表反射率；5)根据查找表，将遥感观测的辐射亮度反演为气溶胶光学厚度。进一步，所述遥感图像由HJ-I CXD拍摄。
进一步，该方法还包括步骤5)对整幅影像进行内插，得到光学厚度图。进一步，步骤I)采用6S辐射传输程序进行辐射传输计算得出多组不同的大气参数(Rr+a、Tg(9s，θν)、τ(θ3) ·τ(θν)和S)组合而成的查找表。进一步，步骤3)具体为选取一个时间段内的晴朗日影像和污染日影像，假设在这个时间段内纯像元地表反射特性变化较小(Liang et al. , 2006),对晴朗天气的影像进行简单的大气校正，获取纯像元的地表反射率。进一步，步骤3)选取的时间段小于3个月。进一步，步骤4)具体为根据读取的太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角，在查找表选取相应的数据，进行线性插值，得到不同波段、不同气溶胶光学厚度的Rr+a>Tg(9s, θν)、Τ(θ3) ·Τ(θν)和S大气参数；结合步骤3)得到的纯像元地表反射率，按照公式AU么-么)=7；故見)也-么) + 7^)7^)^计算每个预设 气溶胶光学厚度对应的表观反射率，与卫星真实测量的表观反射率进行比较，相差最小的气溶胶光学厚度值即为所求，93是太阳天顶角，(^传感器天顶角，θv是太阳方位角，φν是传感器方位角，Tg是气体吸收透过率，Rr+a是由分子散射加气溶胶散射所构成的路径程辐
射反射率，T ( Θ s)、T ( Θ v)分别为太阳-目标、目标-传感器大气路径透射率,S为大气
下届半球反照率，R是地物目标反射率。本发明的气溶胶光学厚度遥感反演方法可以有效的用于城区气溶胶监测，除了受季节影响较小外，还有许多优势，如不受城市中高大建筑物的遮挡、不受混合像元影响、更容易获得纯像元的双向反射特征等等。
图Ia为MODIS C4算法验证图；图Ib为MODIS C5算法验证图；图2a为MODIS C5算法在非城区(香河)验证图；图2b为MODIS C5算法在城区(北京)验证图；图3为对整幅影像进行内插，得到光学厚度图(2009年10月10日气溶胶光学厚度图(550nm))；图4为本发明的方法AOD反演结果与AER0NET对比验证图；图5为MODIS气溶胶产品与AER0NET对比验证图。
具体实施例方式与现有的气溶胶反演的传感器相比，环境一号卫星CXD相机具有极高的空间分辨率(30米)，这样，相比于浓密植被像元，在影像上能找到更多的纯像元，这些纯像元可能包含植被，但同时也包括城市中的大型广场(如北京的天安门广场)、楼顶、道路以及湖水，而后面这些纯像元在冬季也都是存在的。环境一号卫星CCD相机的另一个优势是它的高时间分辨率，尤其是将A星和B星结合起来的时候这一优势更加明显。因此，针对同一目标在一定时间段内可获取一系列观测值，其中包含了晴朗天气的观测以及污染天气的观测。已有多种气溶胶光学厚度反演算法假设地表反射率在一定时间段内(如三个月内，如果有足够的观测可考虑一个月内)变化较�。ü檬奔涠文诘那缋是逦跋窕袢∧勘甑牡乇矸瓷渎剩缃峁购�(Tanr6et al. , 1988)、深蓝算法(Hsu et al. , 2004)、及 Liang et al.,(2006)提出的亮地表地区MODIS改进算法。目标的地表反射率可通过晴朗天气的观测值通过大气校正得到，因此污染天气的气溶胶可基于该地表反射率反演得到。使用纯像元除了受季节影响较小外，还有许多优势，如不受城市中高大建筑物的遮挡、不受混合像元影响、更容易获得纯像元的双向反射特征等等。因此，本方法充分发挥环境一号卫星CXD相机数据高空间分辨率(30m)的优势，利用图像中的纯像元，从观测信号中分离出地表的贡献，得到气溶胶光学厚度。假定地表为朗伯体的情况下，传感器接收到的表观反射率R*定义为
权利要求
1.一种气溶胶光学厚度遥感反演方法，具体为1)根据辐射传输模型建立查找表；2)表观反射率计算；3)依据纯像元指数提取遥感图像中的纯像元，生成纯像元掩膜；4)确定纯像元地表反射率；5)根据查找表，将遥感观测的辐射亮度反演为气溶胶光学厚度。
2.如权利要求I所述的气溶胶光学厚度遥感反演方法，其特征在于，该方法还包括步骤5)对整幅影像进行内插，得到光学厚度图。
3.如权利要求I所述的气溶胶光学厚度遥感反演方法，其特征在于，步骤I)采用6S辐射传输程序进行辐射传输计算得出多组不同的大气参数(Rrt、Tg( 0 s，0 v)、T( 0 s) T( 0 v)和S)组合而成的查找表。
4.如权利要求3所述的气溶胶光学厚度遥感反演方法，其特征在于，步骤3)具体为选取一个时间段内的晴朗日影像和污染日影像，假设在这个时间段内纯像元地表反射特性变化较小，对晴朗天气的影像进行简单的大气校正，获取纯像元的地表反射率。
5.如权利要求4所述的气溶胶光学厚度遥感反演方法，其特征在于，步骤3)选取的时间段小于3个月。
6.如权利要求4所述的气溶胶光学厚度遥感反演方法，其特征在于，步骤4)具体为根据读取的太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角，在查找表选取相应的数据，进行线性插值，得到不同波段、不同气溶胶光学厚度的Rrt、Tg(0s，ev)、T(0s) *T(0V)和S大气参数；结合步骤3)得到的纯像元地表反射率，按照公式 ines凡水-<io = Tg、esA) Rr+a{es几水-计算每个预设气溶胶光学厚度对应的表观反射率，与卫星真实测量的表观反射率进行比较，相差最小的气溶胶光学厚度值即为所求，03是太阳天顶角，Cts传感器天顶角，07是太阳方位角，是传感器方位角，Tg是气体吸收透过率，Rr+a是由分子散射加气溶胶散射所构成的路径程辐射反射率，T( 0 s)、T( 0 v)分别为太阳一目标、目标一传感器大气路径透射率，S为大气下届半球反照率，R是地物目标反射率。
全文摘要
本发明公开了一种气溶胶光学厚度遥感反演方法，具体为1)根据辐射传输模型建立查找表；2)表观反射率计算；3)依据纯像元指数提取遥感图像中的纯像元，生成纯像元掩膜；4)确定纯像元地表反射率；5)根据查找表，将遥感观测的辐射亮度反演为气溶胶光学厚度。本发明的气溶胶光学厚度遥感反演方法可以有效的用于城区气溶胶监测，除了受季节影响较小外，还有许多优势，如不受城市中高大建筑物的遮挡、不受混合像元影响、更容易获得纯像元的双向反射特征等等。
文档编号G01B21/08GK102636143SQ20121011880
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月20日 优先权日2012年4月20日
发明者余涛, 孟庆岩, 方莉, 李家国, 顾行发, 高海亮 申请人:中国科学院遥感应用研究所
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