基于TM圖像的南京市氣溶膠光學(xué)厚度反演

程 晨，陳 健，李鑫慧

(南京信息工程大學(xué)遙感學(xué)院，南京 210044)

0 引言

大氣氣溶膠是大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系，是指懸浮在大氣中的具有一定穩(wěn)定性、沉降速度小的，尺度范圍在10-3～102μm之間的分子團(tuán)、液態(tài)或固態(tài)粒子所組成的混合物[1]。描述氣溶膠性質(zhì)的基本參數(shù)有光學(xué)厚度、尺度分布、折射率、散射相函數(shù)。在這些參數(shù)中，氣溶膠光學(xué)厚度(aerosol optical depth，AOD)是各個(gè)特征參數(shù)的總體效應(yīng)，集中體現(xiàn)了氣溶膠的基本狀況。傳統(tǒng)的地面實(shí)時(shí)觀測仍是研究AOD的重要手段[2-4]，但由于觀測站點(diǎn)數(shù)量有限，且分布比較離散，無法反映整個(gè)區(qū)域的氣溶膠空間分布情況。遙感技術(shù)連續(xù)、宏觀、動(dòng)態(tài)、快速的特點(diǎn)，為大范圍的氣溶膠觀測和研究提供了可能。

20世紀(jì)90年代，Kaufman等利用綠色植被在紅光波段和藍(lán)光波段的反射率與2.1 μm處的反射率存在線性關(guān)系的這一性質(zhì)，通過提取暗像元對(duì)陸地上的氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行了反演[5];隨后Robert等人針對(duì)“暗像元”的缺陷進(jìn)行了改進(jìn)，研究出了更加成熟的MODIS v5.2氣溶膠產(chǎn)品業(yè)務(wù)化算法[6]。在國內(nèi)，李成才等通過分析MODIS光學(xué)厚度遙感產(chǎn)品討論了北京及周邊地區(qū)的大氣污染情況[7]。隨著城市大氣污染的監(jiān)測需求日益增大，空間分辨率為30 m的Landsat TM數(shù)據(jù)在氣溶膠監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。閔祥軍[8]、宋巍巍[9]等利用暗像元法與 DEM模型結(jié)合的方法分別反演了敦煌地區(qū)和廣州市的AOD，得到了較好的效果，但該方法對(duì)DEM的空間分辨率要求較高;劉小平[10]等通過改進(jìn)暗像元獲得AOD信息，從而實(shí)現(xiàn)了TM圖像的快速大氣校正，但是對(duì)于暗像元的選取要求較為苛刻;王耀庭[11]等利用兩幅TM圖像對(duì)比的結(jié)果對(duì)北京市的氣溶膠空間分布進(jìn)行了研究，但其前提是需要找到一幅“無污染”圖像作為基準(zhǔn)，使該方法的使用受到了限制。

本文以南京市為研究區(qū)，以Landsat5 TM圖像為數(shù)據(jù)源，通過6S大氣輻射傳輸模型建立查找表，在此基礎(chǔ)上建立暗像元AOD的多元回歸模型，最后利用克里金插值得到南京市的氣溶膠光學(xué)厚度的空間分布數(shù)據(jù)，并對(duì)南京市AOD的空間分布特征進(jìn)行了分析。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

以整個(gè)南京市地區(qū)為研究區(qū)。南京市位于N31°14′～32°37′，E118°22′～119°14′之間。圖 1 為南京市的TM圖像。南京地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，四季分明。全市擁有常住人口810萬，南京市是一座人類活動(dòng)密集、偏重于工業(yè)生產(chǎn)的大城市，每天會(huì)排放出大量的廢氣，特別是機(jī)動(dòng)車排放出的尾氣，礦產(chǎn)采集和化工生產(chǎn)的過程中揚(yáng)起的粉塵都會(huì)進(jìn)入大氣中，成為氣溶膠的一部分，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量，以致影響居民的正常生活。

圖1 研究區(qū)TM圖像Fig.1 TM image of the study area

1.2 遙感數(shù)據(jù)與預(yù)處理

本研究選用的是一幅2006年5月20日的Landsat5 TM圖像，軌道號(hào)120-38，從國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)上下載獲得。當(dāng)天天氣晴朗，少云。首先，通過已知的控制點(diǎn)對(duì)圖像進(jìn)行幾何糾正，重采樣方式為最鄰近插值法;然后按照南京市的行政區(qū)劃裁切出研究區(qū)范圍;最后進(jìn)行輻射定標(biāo)，將圖像中每個(gè)像元對(duì)應(yīng)的DN值轉(zhuǎn)換為輻亮度，進(jìn)行AOD反演，詳細(xì)計(jì)算過程和主要參數(shù)參見文獻(xiàn)[12]。

2 氣溶膠光學(xué)厚度反演原理與方法

在地表為朗伯體、大氣水平均一的假設(shè)條件下，大氣頂部的表觀反射率[5]可以表達(dá)為

式中:ρ*為表觀反射率(衛(wèi)星觀測到的反射率);ρa(bǔ)為大氣的路徑輻射對(duì)表觀反射率的貢獻(xiàn);μ，φ，μ0，φ0分別為太陽天頂角的余弦、方位角和觀測天頂角的余弦、方位角;T(μ0)和T(μ)分別為上行輻射和下行輻射的透過率;s為大氣的球面反照率;ρ為地面的真實(shí)反射率。在實(shí)際反演AOD時(shí)，往往利用輻射傳輸模型計(jì)算出 AOD 與 s，ρa(bǔ)，T(μ0)和 T(μ)等參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，據(jù)此建立查找表，通過查找表獲取氣溶膠光學(xué)厚度。本文的技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 反演氣溶膠光學(xué)厚度流程Fig.2 Flow chart of AOD retrieveing

2.1 計(jì)算表觀反射率和地表反射率

圖像在經(jīng)過預(yù)處理后，通過計(jì)算將暗像元的表觀輻亮度轉(zhuǎn)化為表觀反射率，即

式中:ρ為表觀反射率;L為表觀輻亮度，W·m-2·μm-1sr-1;D為日地之間距離(天文單位);ESUN為大氣層頂?shù)钠骄栞椪斩?，W·m-2;θ為太陽天頂角。

根據(jù)Kaufman的研究，在潔凈大氣的條件下，綠色植被在可見光的紅、藍(lán)波段和2.1 μm紅外波段的反射率在圖像上有相似的分布情況，進(jìn)而推測紅、藍(lán)波段和2.1 μm的中紅外波段可能存在著一定的線性關(guān)系，而這種線性關(guān)系對(duì)于紅外波段波長為2.08 ～2.35 μm 的 TM 圖像同樣適用[13]。所以，如果TM圖像上植被覆蓋區(qū)在可見光的紅、藍(lán)波段的地表反射率可以通過紅外通道的反射率估算出來，那么圖像上得到的紅、藍(lán)波段的表觀反射率和真實(shí)地表反射率之間的差異就是氣溶膠造成的影響。TM圖像的紅光和藍(lán)光波段地表反射率由以下經(jīng)驗(yàn)公式[13]獲得，即

式中，Rred，Rblue分別為TM圖像紅、藍(lán)波段的地表反射率;MIR為TM圖像中紅外波段的表觀反射率。

2.2 確定暗像元

在紅、藍(lán)波段遙感圖像上，密集的植被相對(duì)于其他地物背景較暗，所以被稱為“暗像元”。本文采用閾值法，通過設(shè)置NDVI和MIR的閾值來提取暗像元[14]，當(dāng)像元滿足 NDVI＞0.2，MIR ＜0.1 時(shí)，該像元被認(rèn)定為暗像元。暗像元提取結(jié)果見圖3。由圖上可以看出，暗像元基本呈現(xiàn)均勻分布。

圖3 暗像元提取結(jié)果Fig.3 Results of dark pixel extraction

2.3 確定6S輻射傳輸模型及其參數(shù)

6S輻射傳輸模型是一個(gè)被廣泛接受和使用的大氣輻射傳輸模型，用來模擬地氣系統(tǒng)中太陽輻射的傳輸過程。其輸入?yún)?shù)主要包括太陽和衛(wèi)星幾何路徑參數(shù)、大氣模式、氣溶膠模式、光譜條件和地面反射率類型。

TM圖像的太陽和衛(wèi)星幾何路徑參數(shù)及光譜條件由6S模型提供;大氣模式選擇為中緯度夏季大氣(確定大氣溫、壓、濕廓線、臭氧、水汽含量);下墊面假定為均一表面，無方向性反射。而根據(jù)MODIS AOD業(yè)務(wù)化算法[15]，本文研究區(qū)域被劃分為中等吸收氣溶膠類型(單次散射反照)。陳驍強(qiáng)計(jì)算AERONET太湖站點(diǎn)2005年9月—2009年10月月平均單次散射反照率的平均值后發(fā)現(xiàn)，太湖站的單次散射反照率平均值為0.907 5，與大陸型氣溶膠中等吸收型氣溶膠對(duì)應(yīng)的單次散射反照率值最為接近[16]，所以本文在6S輻射傳輸模型中氣溶膠類型選擇為大陸型氣溶膠。

2.4 構(gòu)建查找表

本文借助6S輻射傳輸模型來模擬TM圖像紅、藍(lán)波段在一定的氣溶膠光學(xué)厚度和氣溶膠模式的條件下，表觀反射率隨AOD和地表反射率變化而發(fā)生的變化，從而建立查找表。建立查找表時(shí)，由于其他參數(shù)已經(jīng)確定，主要考慮AOD和表觀反射率的變化。通過對(duì)TM1和TM3這2個(gè)波段的像元統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，超過99.9%的像元反射率分別集中于0.09～0.15和0.06 ～0.13 區(qū)間內(nèi)，所以在查找表中 TM1和TM3波段的表觀反射率分別設(shè)定為0.09～0.15和0.06～0.13(都是以0.01為步長)。由于晴空下一般AOD＜2.0，且6S模型在氣溶膠光學(xué)厚度過大(能見度小于5.0 km)時(shí)會(huì)出現(xiàn)程序錯(cuò)誤，所以TM1和TM3波段的氣溶膠光學(xué)厚度設(shè)定為0.21～1.21(以0.1為步長)，對(duì)于超出范圍的采用外推計(jì)算，建立起了利用TM數(shù)據(jù)反演AOD的查找表。

2.5 多元回歸建模

在得到TM1和TM3波段關(guān)于氣溶膠光學(xué)厚度、地表反射率、表觀反射率3者關(guān)系的查找表后，利用SPSS軟件分別對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析。TM1和TM3波段的回歸方程分別為

式中:z為氣溶膠光學(xué)厚度;x為表觀反射率;y為地表反射率。

2.6 反演氣溶膠光學(xué)厚度

通過查找表分別得到TM1和TM3波段在550 nm上的暗像元AOD值以后，求平均獲得南京市AOD空間分布數(shù)據(jù)。在ArcGIS中進(jìn)行插值，為了減少計(jì)算量，在插值前將研究區(qū)TM圖像重采樣成60 m分辨率，重采樣方式為最鄰近像元法。由于在不均勻離散點(diǎn)分布的插值中，克里金插值比其他插值方法具有明顯的優(yōu)越性[17]，所以本研究選用克里金插值法。得到的結(jié)果如圖4所示。

圖4 2006年5月20日南京市氣溶膠光學(xué)厚度空間分布Fig.4 AOD spatial distribution in Nanjing City，May 20，2006

3 結(jié)果與分析

3.1 AOD反演結(jié)果合理性檢驗(yàn)

趙英時(shí)等認(rèn)為，氣溶膠散射會(huì)對(duì)TM圖像的可見光波段產(chǎn)生較大的影響[18]，通過對(duì)比大氣校正前后南京市真彩色合成圖像和AOD反演結(jié)果，可以定性地檢驗(yàn)AOD反演結(jié)果的合理性。因此，對(duì)TM數(shù)據(jù)進(jìn)行了FLAASH大氣校正。在大氣校正前后的圖像上各選取茂密植被區(qū)和裸地區(qū)，獲取其隨波長變化而發(fā)生變化的光譜曲線，分析大氣校正前后地物光譜的變化。如圖5所示。

圖5 大氣校正前(左)后(右)植被和裸地光譜反射率曲線Fig.5 Spectral signature of bare soil，vegetation before(left)and after(right)atmospheric correction

從圖5可以看到，在可見光波段植被和裸地的表觀反射率在校正前后發(fā)生了明顯變化，其變化符合實(shí)際地物反射率變化規(guī)律，這說明大氣校正取得了較好的效果。

圖6分別為大氣校正前后的真彩色合成圖像以及把AOD反演結(jié)果取代校正后圖像紅波段進(jìn)行彩色合成后的圖像。

圖6 南京市大氣校正前(左)、后(中)圖像與AOD反演結(jié)果(右)的比較Fig.6 Comparison of atmospheric correction before(left)and after(middle)and AOD inversion results(right)of Nanjing City

對(duì)比圖6(左)和圖6(中)可以看出，大氣校正后南京市城區(qū)大部分氣溶膠被去除，圖像對(duì)比明顯增強(qiáng)，地物的細(xì)節(jié)更加清晰(圖6(中));對(duì)比圖6(右)和圖6(左)則可以發(fā)現(xiàn)，AOD空間分布與圖6(左)中的氣溶膠(相對(duì)模糊的區(qū)域)的強(qiáng)弱分布基本一致。綜上所述，本研究中南京市當(dāng)日的AOD反演結(jié)果較合理。

3.2 AOD空間分布特征分析

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，南京市AOD分布呈現(xiàn)北部相對(duì)較高，而中部和南部較低的基本空間分布特征，尤其在長江兩岸地勢平坦、人類生活頻繁、制造業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)甚至出現(xiàn)了超過1.0的高值。在市區(qū)范圍，除了燕子磯、紫金山周圍茂密的植被覆蓋地區(qū)AOD較低以外，其他地區(qū)的AOD都在0.7～0.9之間，處于相對(duì)較高的水平，這很可能跟汽車尾氣排放等較密集的人類活動(dòng)有關(guān)。從市區(qū)往南是江寧區(qū)、祿口鎮(zhèn)、溧水縣等區(qū)域，可以發(fā)現(xiàn)這一帶是整個(gè)南京市AOD整體最低的一個(gè)區(qū)域，主要原因是這些區(qū)縣相對(duì)市區(qū)人口較少，植被茂密。但是有小部分區(qū)域也出現(xiàn)了超過0.6的相對(duì)高值，如溧水縣愛景山地區(qū)。這是因?yàn)樵摰貐^(qū)有全國最大的鍶礦在開采，采礦過程中必然會(huì)產(chǎn)生很多粉塵，當(dāng)粉塵散布到大氣中時(shí)就會(huì)對(duì)氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)生顯著影響。根據(jù)上述描述可以作出初步判斷，植被、城市建成區(qū)、地形是影響AOD分布的主要因素。這個(gè)認(rèn)識(shí)與李成才[19]、段婧[20]等的研究結(jié)果一致。

為了深入研究植被、城市建成區(qū)、地形對(duì)AOD空間分布的影響，本文引入了3個(gè)輔助數(shù)據(jù)，即歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)、歸一化城鎮(zhèn)指數(shù)(normalized difference building index，NDBI)[21]和數(shù)字高程模型 (digital elevation model，DEM)，將 AOD 以每 0.01 步長進(jìn)行分割，然后分別計(jì)算每0.01步長中所有像元的NDVI，NDBI，DEM的平均值。計(jì)算結(jié)果如圖7所示。這里需要說明的是，在提取暗像元時(shí)，由于提取條件的限制，水體區(qū)并沒有暗像元提出，水體上空的AOD由周圍區(qū)域暗像元AOD插值得來，所以為了不影響準(zhǔn)確性，在統(tǒng)計(jì)的過程中剔除了水體。

圖7 AOD與NDVI(左)、NDBI(中)、DEM(右)間的變化規(guī)則Fig.7 Scatter plot of AOD corresponding with the average of NDVI(left)，NDBI(middle)and DEM(right)

從圖上可以發(fā)現(xiàn)，AOD 與 NDVI，NDBI，DEM 都存在著良好的相關(guān)性，隨著AOD的逐漸升高，3者都呈現(xiàn)了非常明顯的變化。

從圖7(左)中可以看出，AOD與NDVI呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。隨著AOD的增加，NDVI值相應(yīng)迅速降低，然后趨于平緩，最后出現(xiàn)小幅上升。AOD低值的區(qū)域主要對(duì)應(yīng)了NDVI較高的茂密森林區(qū)域，這說明植被茂密的程度與氣溶膠的空間分布存在緊密的聯(lián)系。當(dāng)AOD處于高值時(shí)，對(duì)應(yīng)的NDVI值變化不大，甚至有小幅的上升，這有可能是因?yàn)樵谝恍〢OD高值區(qū)域，氣溶膠顆粒的來源不再跟下墊面類型有緊密的關(guān)系，而是主要來自于周圍區(qū)域的擴(kuò)散，這也可能就是南京市城區(qū)一些植被覆蓋很好的公園、綠地AOD偏高的原因。

從圖7(中)中可以看出，AOD與NDBI呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系。隨著AOD的增加，NDBI值迅速升高，在0.7～0.8處出現(xiàn)了震蕩，在趨于平緩后又出現(xiàn)小幅下降。這說明城鎮(zhèn)建筑的集中程度與氣溶膠的空間分布也存在緊密的聯(lián)系。在AOD為0.7～0.8時(shí)出現(xiàn)的震蕩，經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)六合區(qū)東南部AOD相對(duì)較高，而這部分區(qū)域下墊面主要為農(nóng)田，NDBI處于相對(duì)低值。造成這樣情況的原因可能是這里地勢平坦，向西是處于AOD高值區(qū)的大廠區(qū)域，受到擴(kuò)散的作用;而南部是長江，水體周圍的區(qū)域會(huì)受到水體蒸發(fā)產(chǎn)生液態(tài)懸浮性氣溶膠顆粒的影響。當(dāng)AOD處于高值時(shí)，NDBI值變化不大，甚至有小幅的下降，這可能由于在南京城市規(guī)劃中，化工廠、發(fā)電廠等能夠產(chǎn)生大量大氣污染物的區(qū)域并不是位于市區(qū)中心區(qū)域，而是位于大廠鎮(zhèn)等城市邊緣鄉(xiāng)鎮(zhèn)?？梢姡斐梢蛔鞘蠥OD最高的區(qū)域常常不是人口和商業(yè)活動(dòng)最集中的區(qū)域。

從圖7(右)中可以看出，隨著地形的升高，AOD呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)衰減，這與徐希孺[22]等的觀點(diǎn)一致。圖7中AOD的低值對(duì)應(yīng)的主要是南京市的一些地勢較高的區(qū)域，例如紫金山、老山等海拔超過200 m的區(qū)域，而AOD的高值區(qū)主要位于海拔50 m以下的區(qū)域，這主要是由于地球重力作用，氣溶膠顆粒密度隨高度呈指數(shù)衰減[22]。對(duì)于地形較平坦的南京來說，地形的微小變化無法對(duì)氣溶膠的擴(kuò)散產(chǎn)生影響，但邊界層的湍流運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致城區(qū)氣溶膠顆粒向四周大范圍的擴(kuò)散，這可能就是江寧北部和六合南部地區(qū)雖然工業(yè)較少，依然很難看到藍(lán)天的緣故。

綜上所述，利用TM圖像獲取60 m空間分辨率的AOD空間分布信息，對(duì)于在城市尺度上AOD的定量化研究會(huì)有所幫助，并且對(duì)于類似南京市這樣的空間污染相對(duì)嚴(yán)重且分布具備明顯規(guī)律的城市非常有應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論與展望

本文利用TM數(shù)據(jù)，對(duì)南京市2006年5月20日的氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行了衛(wèi)星遙感反演，得到了當(dāng)天南京市氣溶膠光學(xué)厚度的空間分布圖。主要獲得以下結(jié)論:

1)基于TM圖像，通過暗像元法和輻射傳輸模型建立查找表反演氣溶膠光學(xué)厚度的方法是可行的，達(dá)到了氣溶膠光學(xué)厚度精細(xì)化反演的目的。在提取足夠的濃密植被作為暗像元過程中，針對(duì)南京市的植被覆蓋情況和TM圖像的特點(diǎn)，NDVI＞0.2，MIR＜0.1的閾值設(shè)定是有效的。

2)南京市的AOD與植被覆蓋呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)，與城市建筑密集程度呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)，與地形高低呈現(xiàn)明顯的負(fù)指數(shù)相關(guān)。氣溶膠主要聚集于植被覆蓋較低、城市建筑密集、人類活動(dòng)較頻繁、地形較低的區(qū)域。高空間分辨率圖像比一般分辨率圖像能夠提供的更多的氣溶膠空間分布信息。

結(jié)合輻射傳輸模型進(jìn)行AOD反演的暗像元法針對(duì)植被覆蓋條件較好的中國東南地區(qū)是可行的，但是也正是需要濃密植被覆蓋這一條件局限了這一方法在其他植被覆蓋稀少地區(qū)的應(yīng)用。如果能夠在以后的研究中減少對(duì)于濃密植被像元的依賴，并且更好地解決水體上空暗像元不足的問題，那么城市AOD反演的精細(xì)化研究一定可以得到進(jìn)一步的發(fā)展。

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