城市氣溶膠遙感監(jiān)測(cè)

李卓玲+同麗嘎+張靖+劉麗

摘 要：以內(nèi)蒙古包頭市為研究區(qū)，以2015—2016年Landsat8 OLI和MOD09反射率產(chǎn)品為數(shù)據(jù)源，通過(guò)6S模型建立查找表，采用深藍(lán)算法反演包頭市氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）分布，并探討其AOD分布特征。結(jié)果表明：2015年包頭市夏季AOD水平最高，春、秋次之，冬季最低；區(qū)域AOD濃度高低與城市下墊面狀態(tài)有關(guān)。本研究為進(jìn)一步構(gòu)建可持續(xù)的人居環(huán)境奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：氣溶膠光學(xué)厚度；深藍(lán)算法；AOD；季節(jié)動(dòng)態(tài)

中圖分類號(hào)：TP7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.11.011

Abstract： Baotou City was taken as the study area， Landsat8 OLI and MOD09 surface reflectance product in 2015 was used to establish a lookup table by 6S model， the dark blue algorithm （DB） of aerosol optical thickness （AOD） was coined to explore its seasonal distribution. The results showed that the concentration of AOD in 2015 in summer was the highest than that in spring and autumn， and the lowest value was shown in winter， the AOD concentration of this city changed with the change of land cover types. This research might provide theoretical foundation for construction of sustainable human settlement environment by city mangers.

Key words： aerosoloptical depth； dark blue algorithms； AOD； seasonal dynamics

隨著我國(guó)新型城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的快速推進(jìn)，能源和資源消耗迅猛增長(zhǎng)，城市人居環(huán)境作為人類主要的棲息地，遇到了城市空氣污染、交通噪聲污染、能源和資源短缺、建筑稠密等問(wèn)題，涉及居民衣食住行的方方面面[1]。人居環(huán)境劇烈惡化的嚴(yán)峻態(tài)勢(shì)也將危及到我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)和居民生活質(zhì)量的持續(xù)提升，生態(tài)安全和環(huán)境質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越成為政府和社會(huì)共同關(guān)注的焦點(diǎn)。

對(duì)于城市居民來(lái)說(shuō)，健康是人類追逐的永恒主題之一。大氣顆粒物是主要的空氣污染物之一，它粒徑較小，質(zhì)量較輕，并附著硫化物、氮氧化物和重金屬顆粒等大多是工業(yè)污染源排放的污染因子，在空氣中停留時(shí)間長(zhǎng)，其中的PM2.5甚至可進(jìn)入人體呼吸系統(tǒng)的深部及血液循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)人體健康影響較大。因此，各國(guó)紛紛對(duì)大氣顆粒物污染開展了深入的研究。研究圍繞以下幾個(gè)方面：顆粒物污染理化特征及來(lái)源解析[2-3]，顆粒物的污染對(duì)人類健康的影響[4-6]，植被對(duì)大氣顆粒物的消減作用研究[7-8]，顆粒物濃度變化與季節(jié)[9]、風(fēng)速、氣壓等氣象因素的關(guān)系研究[10]。如何準(zhǔn)確地量化城市中的顆粒物污染及其分布特征，是擺在城市管理者面前急需要解決的問(wèn)題。近年來(lái)，應(yīng)用定量遙感的技術(shù)手段在反演城市顆粒物濃度和分布等方面得到了很好的應(yīng)用[11]。大氣中氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）是表征地表大氣中顆粒物濃度含量的指標(biāo)之一。

包頭市作為內(nèi)蒙古最重要的工業(yè)城市之一，也是中國(guó)重要的基礎(chǔ)重工業(yè)基地，有眾多高耗能企業(yè)，城市環(huán)境污染問(wèn)題不容小視，而控制大氣污染、改善空氣質(zhì)量是保證包頭市可持續(xù)發(fā)展的必要條件之一。本研究以內(nèi)蒙古包頭市為研究區(qū)，以Landsat8 OLI和MOD09反射率產(chǎn)品為數(shù)據(jù)源，通過(guò)6S模型建立查找表，采用深藍(lán)算法反演包頭市大氣光學(xué)厚度（AOD）分布，探討包頭市AOD分布特征，為構(gòu)建可持續(xù)的人居環(huán)境研究奠定基礎(chǔ)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 氣溶膠反演原理

設(shè)地表為朗伯面，大氣水平均一，則大氣上界衛(wèi)星觀測(cè)到的表觀反射率可以表示為：

式中：μs=cosθs，μv=cosθv，θs和θv分別為太陽(yáng)天頂角與觀測(cè)天頂角；ρTOA是大氣頂部反射率；ρ0是大氣的路徑輻射項(xiàng)等效反射率；T（μs）和T（μv）分別是太陽(yáng)輻射方向和觀測(cè)方向的大氣透過(guò)率，通常可以用T來(lái)表示；ρs為地表反射率；S為大氣下界的半球反射率。ρ0，S和T都是氣溶膠模式的函數(shù)，代表了大氣的狀態(tài)。

反演時(shí)，首先設(shè)定不同的大氣模型、氣溶膠特性、傳感器光譜特性等參數(shù)，利用輻射傳輸模型構(gòu)造查找表[12]；其次依據(jù)衛(wèi)星不同的觀測(cè)幾何條件，讀取查找表中不同光學(xué)厚度值對(duì)應(yīng)的ρ0，S，T的值或其內(nèi)插值；然后，通過(guò)某波段與受氣溶膠影響較小波段的線性關(guān)系求解得到ρs；最后，將這些參數(shù)代入公式（1），計(jì)算不同光學(xué)厚度下假定的表觀反射率ρTOA，與真實(shí)的ρTOA比較，差距最小所對(duì)應(yīng)的AOD即為所求[13]。研究采用Hsu等[14]提出的適用于亮目標(biāo)區(qū)域的深藍(lán)算法，其原理為在亮像元地表，藍(lán)光波段的地表反射率較小，根據(jù)同期地表反射率不變的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣溶膠光學(xué)厚度的反演。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

研究選用2015—2016年各季節(jié)的Landsat 8 OLI圖像10景（軌道號(hào)127-32），采用差分GPS對(duì)該系列圖像進(jìn)行幾何糾正（誤差控制在2個(gè)像素以內(nèi)），并按照包頭市的行政區(qū)劃裁切出研究區(qū)范圍。根據(jù)王中挺等[15]的研究結(jié)果，采用衛(wèi)星觀測(cè)到的云的反射率在紅光波段一般大于0.2，以此作為云去除閾值。深藍(lán)算法需要獲得地表藍(lán)波段的真實(shí)反射率，即建立地表反射率庫(kù)。地表反射率庫(kù)的建立基于對(duì)地表反射率產(chǎn)品，即2015年MOD09藍(lán)光反射率產(chǎn)品，重采樣分辨率為300 m。由于OLI傳感器和MODIS在藍(lán)波段的波段響應(yīng)函數(shù)差異，采用呂春光等[15]的研究結(jié)果進(jìn)行反射率的校正。數(shù)據(jù)預(yù)處理及Landsat 8 OLI的表觀反射率（ρTOA）計(jì)算在ENVI5.1軟件中完成；AOD反演查找表與AOD反演過(guò)程在IDL語(yǔ)言編程下完成。在獲得氣溶膠光學(xué)厚度后，對(duì)結(jié)果圖像進(jìn)行3×3窗口平滑處理，最后采樣為90 m，以消除大氣狀態(tài)的不穩(wěn)定性。