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中国环境科学2009,29(9):902~907ChinaEnvironmentalScience环境一号卫星CCD相机应用于陆地气溶胶的监测王中挺1*,厉青1,陶金花2,李莘莘3,王桥1,陈良富3(1.环境保护部卫星环境应用中心,北京100029;2.中国科学院大气物理研究所,大气边界层物理与化学国家重点实验室,北京100029;3.中国科学院遥感应用研究所,遥感科学国家重点实验室,北京100101)摘要:环境一号卫星CCD相机应用在陆地气溶胶的监测中,因缺少短波红外通道,使地表反射的去除变得异常困难.应用改进的暗目标法,利用辐射传输方程(6S)构建查找表,对CCD相机数据进行图像重采样和辐射定标处理,进而对查找表进行插值,获得气溶胶光学厚度(AOD)分布.通过AERONET地基数据的验证及与MODIS气溶胶产品的对比表明,环境一号卫星CCD相机对陆地气溶胶的监测结果在AOD较大(0.2)时,精度与MODIS相近;在AOD较小(0.2)时,结果欠理想.关键词:CCD相机;环境一号卫星;气溶胶光学厚度中图分类号:X831文献标识码:A文章编号:1000-6923(2009)09-0902-06MonitoringofaerosolopticaldepthoverlandsurfaceusingCCDcameraonHJ-1satellite.WANGZhong-ting1*,LIQing1,TAOJin-hua2,LIShen-shen3,WANGQiao1,CHENLiang-fu3(1.EnvironmentalSatelliteApplicationCenter,StateEnvironmentalProtectionMinistry,Beijing100029,China;2.StateKeyLaboratoryofAtmosphericBoundaryLayerPhysicsandAtmosphericChemistry,InstituteofAtmosphericPhysics,ChineseAcademhyofSciences,Beijing100029,China;3.StatekeyLaboratoryofRemoteSensingScience,InstituteofofRemoteSensingApplications,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China).ChinaEnvironmentalScience,2009,29(9):902~907Abstract:ThepotentialityoftheretrievalofaerosolopticdepthoverlandusingCCDcameraaboardonHJ-1A/Bsatellitewasstudied.ItisverydifficulttouseCCDdatatoretrieveaerosolopticdepthduetothelackofnearinfraredband.Byusingthenormalizeddifferencevegetationindex(NDVI)tosearchforthedarkpixel,amodifieddarkdensevegetation(DDV)methodwasdevelopedtoretrievetheaerosolopticaldepth(AOD)fromCCDdata.Firstly,theCCDimageswasre-sampledandcalibrated,andthentheAODwasderivedusingalookuptable(LUT)whichwasbuiltbasedon“6S”withthefeaturesofHJ-1CCDtakenintoaccount.TheretrievedAODswerevalidatedusingground-basedobservationbyaCE318sunphotometerandcomparedwiththeMODISaerosolproducts.TheretrievedAODsfromHJ-1CCDwasinagoodagreementwiththeMODISAODproductswhentheAODwaslargerthan0.2.Finally,theAODthematicmapswasobtainedaftersmoothingAODimage.Keywords:CCDcamera;HJ-1satellite;aerosolopticaldepth环境一号卫星(HJ-1星)是中国专用于环境与灾害监测预报的卫星.一期工程由2颗中高分辨率光学小卫星HJ-1A、HJ-1B和1颗合成孔径雷达小卫星HJ-1C星组成.其中HJ-1A、HJ-1B星于2008年9月6日发射升空,经过一系列卫星轨道调整和技术测试工作,数据已经正式发布.HJ-1A星有效载荷包括2台宽覆盖多光谱CCD相机和1台超光谱成像仪.其中CCD相机像元分辨率为30m,包括3个可见光波段(430~520nm、520~600nm、630~690nm)、1个近红外波段(760~900nm),2台CCD相机拼接获得700km幅宽的扫描,超光谱成像仪平均光谱分辨率为5nm.HJ-1B星有效载荷包括2个与HJ-1A星相同的CCD相机和1台红外相机.A、B双星实现48h的重返周期.由于卫星遥感颗粒物浓度一般利用其与气溶胶光学厚度(AOD)之间的函收稿日期:2009-02-24基金项目:“十一五”国家科技支撑计划(2008BAC34B04);国家“863”项目(2006AA06A303)*责任作者,工程师,yzh_4_2002@sina.com9期王中挺等:环境一号卫星CCD相机应用于陆地气溶胶的监测903数关系获得[1-2],要利用高分辨率的HJ-1星CCD相机数据监测近地面颗粒物分布和排放源,首先需要解决CCD相机反演估算AOD并评价监测潜力问题.利用卫星遥感反演陆地AOD的难点主要在于气溶胶模式的建立和地表反射贡献的去除.用于中分辨率成像光谱仪(MODIS)数据反演的暗目标法[3-4]有特殊的2100nm短波红外波段设置.目前国内对MODIS的研究已有报道[5-9],但针对HJ-1星的高分辨率数据如何反演AOD的研究很少[10-11].对于CCD相机,由于空间分辨率提高到30m,而且只有4个波段,尤其缺少1000nm以上的波段,使基于CCD相机数据的AOD反演中,地表反射贡献估算异常困难.其主要表现在:像元空间分辨提高后增加了地表的异质性,使地表反射模型的建立更加困难;像元变小时,使仪器信噪较低,影响反演精度;4个宽波段信息量有限.本研究针对HJ-1星的CCD相机,采用改进暗目标法来估算地表反射贡献,评价HJ-1星CCD相机在陆地气溶胶监测中的应用潜力.1研究方法1.1基本原理在大气水平均一假设条件下,卫星接收到的大气顶部的表观反射率(TOAρ)可以表达为[12]:svssvTOA0svssv()()(,,)(,,)[1(,,)]TTSμμρμμφρρμμφρμμφ=+−(1)式中:sscosμθ=,vvcosμθ=,sθ与vθ分别为太阳天顶角与观测天顶角;S为大气下界的半球反射率;T为大气透过率;0ρ为大气的路径辐射项等效反射率;sρ为地表二向反射率.式(1)中,S、0ρ和T(μs)T(μv)3个参数代表大气的状况,遥感反演需要从中获取所需的大气信息(如AOD信息).实际反演中是用辐射传输模型在不同大气条件和观测几何(太阳天顶角、观测天顶角和相对方位角)等条件下,计算AOD和3个大气参数之间的对应关系,据此建立查找表.然后利用多波段数据进行地气解耦,得到AOD.暗目标法的关键问题是要获得相应波段的地表反射贡献.其原理是对于植被密集的地表(即暗目标),由于红、蓝波段有较小的反射率,并且红、蓝、短波红外通道反射率具有很好的线性相关,因此,可以根据暗目标的红、蓝波段的地表反射率的线性关系[式(2)],从红、蓝波段(分别对应CCD相机的第3波段和第1波段)的表观反射率去除地表贡献,获得大气参数S、0ρ、T(μs)T(μv),进而得到AOD.ssredbluekρρ=(2)式中:redsρ、bluesρ分别为红光和蓝光波段浓密植被(暗目标)的地表反射率;k为红、蓝地表反射率比率,根据探测器的特征,结合地面观测数据设定.在MODIS暗目标法的应用中,借助于大气影响较小的2100nm波段表观反射率识别暗目标,并获得可见光波段的地表反射率[13],而CCD相机中缺少短波红外波段,其近红外波段包含大气影响,很难准确获得地表暗目标,本研究引入归一化植被指数(NDVI)来识别暗目标.nirrednirredNDVIρρρρ−=+(3)式中:nirρ和redρ分别为CCD相机第4波段(近红外)和第3波段反射率.NDVI能够较好地反映地表植被分布状况,且能够去除部分的大气影响.但NDVI也会受到大气影响,使暗目标的识别出现错判,如何进行处理以减少错判是下一步需要研究的内容.识别出暗目标后,将暗目标的第1波段和第3波段表观反射率代入式(1),同时与式(2)组合为方程组.在具体反演过程中,大气参数S、0ρ、T(μs)T(μv)可以看作是AOD的函数,解这个方程组即可实现AOD的反演.1.2反演流程基于以上原理,利用HJ-1星的CCD相机数据进行大气气溶胶反演试验,具体过程使用IDL语言为主,同时结合MATLAB和ArcMAP实现.1.2.1构建查找表构建查找表是AOD反演中的关键部分.查找表通过调用辐射传输模式904中国环境科学29卷6S[12]进行辐射传输计算得出.相应参数设定为:9个太阳天顶角设置(0°、6°、12°、24°、35.2°、48°、54°、60°和66°),气溶胶模式为大陆型气溶胶,相对于550nm波长处的AOD设为6个等级(0、0.25、0.50、1.00、1.50和1.95),查找表计算的波段为CCD相机的第1波段和第3波段,海拔设置为0.1.2.2数据预处理针对CCD相机数据进行两方面的预处理:一是重采样,为加快运算速度和提高信噪比,对CCD相机原始图像进行10×10像元的合成,重采样成为300m分辨率的图像;二是辐射定标,从CCD相机数据的辅助xml文件中读取辐射定标系数和太阳高度角参数,将CCD相机图像的DN值转换为表观反射率.1.2.3结果反演根据获得的表观反射率,利用式(3)计算NDVI值,并基于NDVI值进行暗目标的识别;利用获得的太阳高度角对查找表进行插值,得到第1波段和第3波段的不同AOD下的大气参数0ρ、sv()()TTμμ和S;将暗目标的第1波段和第3波段的天顶反射率和大气参数代入方程组解方程,反演得到AOD.1.2.4图像平滑与成图输出在获得AOD后,对结果图像进行平滑处理,达到内插部分非暗目标点的监测值并抑制异常点的目的,采用9×9像元的距离加权平均的滤波方法进行;将结果导入ArcMap中,进行叠加矢量图、分等定级以及添加图名图例等操作后,制成专题图输出.2结果与讨论2.1京津唐地区AOD反演结果利用HJ-1星数据对京津唐地区的AOD进行反演试验.利用CCD相机的第4波段、第3波段和第2波段对京津唐地区进行假彩色合成(图1),同时获得AOD反演结果(图2).由图2可见,气溶胶分布平滑、变化平缓.在北京地区,自城市中心向外AOD逐渐减小,城区明显高于郊区,反映了市区人类活动对气溶胶的影响较大.在图像右下方出现明显的高值区,则是由于部分云的影响,从假彩色合成图(图1)可以看出有部分碎云的分布.km图12008年9月20日京津唐地区CCD相机假彩色合成Fig.1Pseude-colorimageinJing-Jin-TangareaonSeptember20th,2008km0~0.30.3~0.60.6~1.01.0~1.51.5~2.0图22008年9月20日京津唐地区CCD相机AOD反演结果
本文标题:环境一号卫星CCD相机应用于陆地气溶胶的监测
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