楊 越,陳 健,崔嘉文
(南京信息工程大學(xué)遙感與測繪工程學(xué)院,南京210044)
氣溶膠一般是指由固體或液體顆粒懸浮在大氣介質(zhì)中形成的多相體系,其粒子直徑在10-3~102μm之間。作為大氣重要組成成分,氣溶膠不僅影響大氣環(huán)境與人類健康,還在地氣系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用,對氣候變化也有著重要的影響[1]。利用遙感技術(shù)獲取大范圍的氣溶膠空間分布具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。
目前,已有研究人員開展了氣溶膠的遙感反演工作。曾晶等[2]基于MODIS數(shù)據(jù)反演了長株潭地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Depth,AOD);鄭堯等[3]針對HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù),反演了太湖地區(qū)AOD。在基于靜止衛(wèi)星反演AOD方面,張玉環(huán)等[4]利用GOCI數(shù)據(jù)對北京及周邊城市的氣溶膠狀況進行了監(jiān)測;葛邦宇等[5]利用Himawari-8數(shù)據(jù)反演了京津冀地區(qū)AOD;Husar等[6]利用AVHRR傳感器的單通道信息獲得了海洋上空的氣溶膠光學(xué)厚度;Kaufman等[7]針對MODIS數(shù)據(jù)提出了經(jīng)典的暗像元方法,成為全球MODIS AOD產(chǎn)品的業(yè)務(wù)化算法。以上針對極軌衛(wèi)星、靜止衛(wèi)星開展的研究已經(jīng)相當(dāng)豐富,但目前針對空間實驗室的氣溶膠遙感研究仍然非常缺乏。
天宮二號是我國自主研發(fā)的第二代空間實驗室,其搭載的寬波段成像儀在世界上首次實現(xiàn)了可見近紅外、短波紅外與熱紅外多光譜大視場全推掃成像的組合集成功能,具有空間分辨率高、數(shù)據(jù)新穎與數(shù)據(jù)獲取個性化的特點,是對地觀測的重要遙感工具,也為氣溶膠遙感反演、大氣環(huán)境監(jiān)測提供了一種新的觀測方式。
為填補氣溶膠的空間站遙感研究的空白,本文選取黃河三角洲地區(qū)為研究區(qū),基于天宮二號寬波段成像儀獲取的可見近紅外波段遙感影像,結(jié)合MODIS地表反射率產(chǎn)品,利用深藍算法反演研究區(qū)上空氣溶膠光學(xué)厚度,然后利用Himawari靜止衛(wèi)星的L2級AOD產(chǎn)品對反演結(jié)果進行對比研究,以探討天宮二號數(shù)據(jù)用于AOD反演的可行性。
黃河三角洲(38°15′N,118°5′E),是指黃河入??跀y帶泥沙在渤海凹陷處沉積形成的沖積平原,面積約5400 km2,大部分區(qū)域隸屬于山東省東營市。黃河三角洲地處中緯度地區(qū),背陸面海,氣候同時受到大陸與海洋的影響,屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫11.7~12.6℃,四季分明。研究區(qū)范圍如圖1所示。
2.2.1 天宮二號數(shù)據(jù)
圖1 黃河三角洲示意圖(天宮二號寬波段成像儀RGB4、10、12 波段假彩色合成)Fig.1 Schematic diagram of Yellow River Delta(RGB4/10/12 false color composition of Tiangong-2 wide-band imager)
天宮二號搭載的寬波段成像儀具有圖譜合一的特點,在獲取影像信息的同時也獲取地物光譜信息。可見近紅外波段可獲取14個通道(表1),空間分辨率100 m,幅寬300 km的多光譜遙感影像。數(shù)據(jù)從載人航天空間應(yīng)用數(shù)據(jù)推廣服務(wù)平臺官網(wǎng)(http://www.msadc.cn)免費下載。本文選用2017年3月18日天宮二號寬波段成像儀可見近紅外波段數(shù)據(jù)進行氣溶膠光學(xué)厚度反演,影像范圍包括整個黃河三角洲地區(qū)。由于獲取的天宮二號原始數(shù)據(jù)為增大某一倍數(shù)的輻亮度值,因此除以頭文件中所給放大倍數(shù)得到真實輻亮度值。
表1 天宮二號寬波段成像儀波段設(shè)置及參數(shù)信息Table 1 Parameter information and band settings of Tiangong-2 wide-band imager
2.2.2 MODIS數(shù)據(jù)
中分辨率成像光譜儀MODIS目前主要搭載于兩顆衛(wèi)星上:Terra和Aqua,具有分布在0.4~14 μm電磁波譜范圍內(nèi)的36個光譜通道。MODIS數(shù)據(jù)分為0~5級的6類產(chǎn)品[8],產(chǎn)品的分辨率包括4類:250 m、500 m、1000 m、以及 5600 m(0.05°)。本文使用MODIS 8天合成地表反射率產(chǎn)品MOD09A1來構(gòu)建適用于天宮二號寬波段成像儀的地表反射率數(shù)據(jù)庫,由于天宮二號遙感影像與MOD09A1影像空間分辨率不同,考慮到重采樣圖像質(zhì)量問題,將二者重采樣為空間分辨率200 m的影像。然后針對二者藍光波段波長范圍與光譜響應(yīng)函數(shù)存在的差異交叉輻射校正,以修正光譜響應(yīng)不同而造成的誤差[9]。
2.2.3 Himawari-8 AOD產(chǎn)品
Himawari-8是日本于2014年發(fā)射的靜止氣象衛(wèi)星,提供了2~3級的多種AOD產(chǎn)品[10],本文選用空間分辨率為5 km的L2級AOD產(chǎn)品與利用天宮二號數(shù)據(jù)反演得到的氣溶膠光學(xué)厚度結(jié)果進行比較,驗證結(jié)果精度。
在進行AOD反演時,假設(shè)地表為朗伯體,并且大氣水平均一條件下衛(wèi)星傳感器所接收得到的表觀反射率ρTOA可以表示為式(1):
式中μS與μV分別代表太陽天頂角θS的余弦和觀測天頂角θ的余弦,φ則為相對方位角,ρ0為大氣程輻射項的等效反射率,R表示朗伯體的地表反射率,S為大氣整層向下路徑的半球反射率,T為大氣透過率。 其中,ρ0、S和T(μS)T(μV) 這3個參數(shù)都攜帶了大氣氣溶膠的信息,R反映了地表反射特性[11]。從公式中可以看出表觀反射率耦合了大氣與地表的信息,在進行AOD反演之前要進行地氣解耦,去除地表貢獻。
目前,針對地氣解耦主要有兩種方法來確定地表反射率,即暗像元法和深藍算法。由于暗像元算法主要適用于存在大量濃密植被的區(qū)域,而本研究中遙感影像的成像時間為3月份,并非植被長勢最茂盛的季節(jié);且該區(qū)域地表狀況復(fù)雜,鹽堿化程度較高,地表反射率較高,因此不宜采用暗像元算法。相關(guān)文獻表明,深藍算法更適用于較廣泛的地表類型去除地表反射率的影響,且應(yīng)用于AOD反演具有較好的結(jié)果[12-14]。鑒于研究區(qū)地表土地利用較復(fù)雜且地表反射率較高的特點,本文利用深藍算法反演研究區(qū)AOD。在地表反射率已知的情況下,利用6S輻射傳輸模型可以得到大氣3參數(shù)、ρ0、S和T(μS)T(μV),并進一步構(gòu)建查找表獲取影像每個像元AOD值[15-16]。
相對于 AVHRR、MODIS及葵花8號、GOCI靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)等各種用于氣溶膠反演的遙感數(shù)據(jù),天宮二號寬波段成像儀影像具有更高的空間分辨率,可提供區(qū)域尺度精細的氣溶膠分布信息。由于天宮二號數(shù)據(jù)集中沒有包含地表反射率產(chǎn)品,因此本研究選用MOD09A1地表反射率產(chǎn)品來構(gòu)建適用于天宮二號的地表反射率庫,從而進行地氣解耦。并計算太陽角度與衛(wèi)星觀測角度,建立基于6S輻射傳輸模型的查找表。反演技術(shù)流程如圖2所示,具體流程如下:
1)計算表觀反射率?;谔鞂m二號寬波段成像儀可見近紅外波段衛(wèi)星影像,利用ENVI 5.3波段運算(Band Math)計算表觀反射率如式(2):
式中L為影像中各像元的輻亮度值;D為成像時刻的平均日地距離訂正因子;Esun為影像該波段的太陽輻照度;θS為太陽天頂角。
2)構(gòu)建地表反射率庫。在利用MOD09A1地表反射率產(chǎn)品構(gòu)建適用于天宮二號寬波段成像儀時,兩者藍波段波長范圍不同,根據(jù)官方發(fā)布信息,天宮二號 12波段范圍為 480~500 nm,而MOD09A1第三波段范圍為459~479 nm。由于兩者藍光波段存在光譜響應(yīng)差異,故而進行波段轉(zhuǎn)換以減小不同光譜響應(yīng)的差異。利用ENVI 5.3中自帶的5種波譜數(shù)據(jù)庫,選取典型的23種地物光譜數(shù)據(jù),利用公式(3)所示藍波段地表反射率轉(zhuǎn)換公式計算得到2種傳感器藍光波段地表反射率。
圖2 AOD反演流程圖Fig.2 Flow chart of AOD inversion
式中,λ1、λ2為波長積分上下限,(S)λ為波長為λ時的傳感器光譜響應(yīng)函數(shù),R(λ)為波長λ處波譜庫中地物反射率。
根據(jù)計算得到的兩種傳感器藍波段地表反射率可以建立線性回歸模型,得到交叉輻射訂正公式(4)進行光譜轉(zhuǎn)換,以得到適用于天宮二號寬波段成像儀藍波段的地表反射率。
兩傳感器線性回歸模型如圖3所示。
圖3 MODIS和TG-2數(shù)據(jù)藍光波段地表反射率散點圖Fig.3 Scatter diagram of surface reflectance in blue light band of MODIS and TG-2 data
3)角度數(shù)據(jù)準備。深藍算法中所需的角度數(shù)據(jù)包括觀測天頂角、觀測方位角、太陽天頂角、太陽方位角4個角度數(shù)據(jù)。由于天宮二號采用推掃式成像,所以星下點像元的觀測天頂角為0°,并以星下點為中心沿垂直于衛(wèi)星飛行方向向兩側(cè)遞增至最大觀測天頂角約21°;對于觀測方位角,前向觀測方位角與后向觀測方位角相差180°,且原始數(shù)據(jù)提供了前向觀測方位角,以此在IDL環(huán)境下逐像元計算出觀測天頂角、方位角。對于太陽方位角、天頂角的計算,可根據(jù)成像時間、各像元的位置計算得到。
4)重采樣及研究區(qū)裁剪。對天宮二號寬波段成像儀影像、MOD09A1地表反射率產(chǎn)品,4個角度數(shù)據(jù)重采樣為相同的200 m分辨率,并利用研究區(qū)矢量圖進行研究區(qū)裁切。
5)6S模型構(gòu)建查找表。本文研究的天宮二號數(shù)據(jù)在6S模型中沒有預(yù)設(shè)參數(shù),所以需要自定義觀測幾何參數(shù)、大氣模式參數(shù)、氣溶膠模式、傳感器光譜特性與地表反射率等參數(shù)。參考陳健等[15]研究中太陽天頂角與衛(wèi)星天頂角對不同AOD值的表觀反射率較敏感,而太陽方位角和衛(wèi)星方位角較遲鈍的研究結(jié)果,以4°為間隔設(shè)置衛(wèi)星天頂角,以1°為間隔設(shè)置太陽天頂角,以12°為步長設(shè)置相對方位角(相對方位角=衛(wèi)星方位角-太陽方位角)。由于黃河三角洲地區(qū)瀕臨渤海,受區(qū)域位置及風(fēng)向影響,氣溶膠類型以大陸型或海洋型氣溶膠為主。研究區(qū)影像成像時刻風(fēng)向數(shù)據(jù)表明[17-19]:成像時刻1500 m高度風(fēng)向主要為北風(fēng),由海洋吹向內(nèi)陸,因此研究區(qū)氣溶膠類型選用海洋型氣溶膠。下墊面特性設(shè)置為均一的朗伯體表面,地表反射率參數(shù)設(shè)置為基于MOD09A1構(gòu)建的消除藍波段光譜響應(yīng)差異的天宮二號地表反射率庫。
6)AOD反演。做完上述流程后,利用深藍算法進行研究區(qū)AOD反演,得到研究區(qū)2017年3月18日當(dāng)日氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果。
根據(jù)以上流程反演得到如圖4所示2017年3月18日黃河三角洲地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度分布圖,反演的AOD分布結(jié)果主要呈現(xiàn)東部較高西部較低,沿海較高內(nèi)陸較低的分布情況,主要受到地理位置與土地利用類型的影響。黃河三角洲東部沿海地區(qū)油氣、地?zé)岬茸匀毁Y源豐富,多建設(shè)有大型油田、礦井、鹽田等,作業(yè)期間存在顆粒物排放。借助臨近海岸帶的地理優(yōu)勢,該區(qū)還存在大量人工漁業(yè)養(yǎng)殖場,經(jīng)濟較為發(fā)達,人口密集,氣溶膠排放增加,且近海地區(qū)土壤類型以濱海潮鹽土為主,土壤鹽堿化嚴重,不利于植被生長,植被覆蓋率較低,不利于空氣污染調(diào)節(jié)[20-21]。西部內(nèi)陸土壤肥沃,農(nóng)田、林地等較多,受國家政策調(diào)控工業(yè)用地少,植被覆蓋較多,AOD值普遍較小[21]。沿海少部分地區(qū)由于存在大量濕地、灘涂及蘆葦蕩等未開發(fā)地區(qū)及生態(tài)保護區(qū),生態(tài)環(huán)境較好,空氣污染小,AOD值也相對較小。此外,沿海地區(qū)AOD較高,內(nèi)陸AOD較低的情況也可能受到海洋季風(fēng)的影響,內(nèi)陸地區(qū)受季風(fēng)影響較小,氣溶膠擴散較慢,空氣質(zhì)量相對較高。
圖5為2017年3月18日黃河三角洲地區(qū)的Himawari-8 AOD產(chǎn)品,其空間分辨率為5 km。由圖可以看出,同一時相的Himawari-8 AOD產(chǎn)品的空間分布與基于天宮二號結(jié)果基本一致,說明利用天宮二號寬波段成像儀進行氣溶膠的遙感反演是完全可行的。另外,通過圖4與圖5的對比可以發(fā)現(xiàn),基于天宮二號反演的AOD結(jié)果具有較高的空間分辨率,更能體現(xiàn)AOD分布的細節(jié)情況,更有利于該區(qū)AOD的精細化監(jiān)測。
圖4 黃河三角洲2017年3月18日200 m分辨率AOD反演結(jié)果Fig.4 AOD inversion results of the Yellow River Delta at a 200 m resolution on March 18, 2017
4.2.1 精度驗證
由于黃河三角洲地區(qū)缺少實測站點數(shù)據(jù),本文利用其他衛(wèi)星AOD產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行了間接的精度驗證。以往研究多與 NASA官方發(fā)布的MOD04產(chǎn)品進行對比,但由于其研究區(qū)內(nèi)2017年3月18日的AOD產(chǎn)品缺值較多,質(zhì)量較差,故本文利用研究區(qū)范圍內(nèi)2017年3月18日Himawari-8 AOD L2產(chǎn)品對反演結(jié)果進行了精度評價。
圖5 2017年 3月18日 5 km分辨率 Himawari-8AOD產(chǎn)品Fig.5 Himawari-8 AOD products with 5 km resolution on March 18,2017
首先對Himawari-8 AOD L2產(chǎn)品進行投影轉(zhuǎn)換與研究區(qū)矢量裁切等預(yù)處理,獲取空間分辨率為5 km的AOD產(chǎn)品。為了與本文反演結(jié)果更好地進行精度驗證,先將空間分辨率為200 m的AOD反演結(jié)果重采樣為與Himawari-8 AOD產(chǎn)品一致的5 km分辨率,然后再將重采樣后的天宮二號數(shù)據(jù)反演的AOD結(jié)果與其相比較,結(jié)果如圖6所示:兩者的線性擬合度為0.739,表明2種數(shù)據(jù)的離散程度較小,有較高的一致性。但從圖中也可以看出,天宮二號數(shù)據(jù)反演的AOD值高于Himawari-8 AOD L2產(chǎn)品AOD值,造成這種誤差的原因可能主要與表觀反射率、地表反射率與氣溶膠模式選取等因素有關(guān)。
圖6 天宮二號數(shù)據(jù)反演結(jié)果與Himawari-8 AOD L2產(chǎn)品對比圖Fig.6 Comparison between Tiangong-2 data inversion results and Himawari-8 AOD L2 products
4.2.2 誤差分析
1)地表反射率影響。衛(wèi)星所接收的表觀反射率信號主要受地表反射與大氣散射的影響,針對不同AOD取值,利用6S輻射傳輸模型分析了地表反射率對表觀反射率的影響,結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看到地表反射率在AOD值小于0.5時呈現(xiàn)較高的敏感性,表觀反射率隨氣溶膠濃度的增大而顯著增大;但當(dāng)AOD值大于0.5時呈現(xiàn)較低的敏感性,表觀反射率隨AOD的變化程度較小。此外,隨著地表反射率的增加,表觀反射率對AOD的變化越來越不敏感。
圖7 地表反射率與表觀反射率對氣溶膠的敏感性分析Fig.7 Sensitivity analysis of surface reflectivity and apparent reflectivity to aerosols
本文中利用MOD09A1地表反射率產(chǎn)品構(gòu)建的天宮二號地表反射率值相對較大,結(jié)合圖7并參考程晨等[22]的研究,當(dāng)?shù)乇矸瓷渎势髸r,表觀反射率對氣溶膠變化敏感度下降,反演結(jié)果精度會受到影響。另外,本研究中由官網(wǎng)下載的用于AOD反演的影像是經(jīng)過輻射定標的影像,利用該影像計算得到的表觀反射率數(shù)值偏小,也是影響反演結(jié)果精度的一個原因。
2)朗伯體假設(shè)的影響。朗伯體假設(shè)對AOD的反演會有一定的影響,且在不同的波段影響也不同。一般來講,與近紅外波段相比,可見光波段的非朗伯特性則幾乎可以忽略。此外,天宮二號寬波段成像儀的最大觀測天頂角為21°,參考以往研究[23],較小的觀測天頂角下地物BRDF特征不明顯。并且MODIS地表反射率產(chǎn)品也已經(jīng)經(jīng)過了二向反射率校正處理。綜上所述,可認為本研究中朗伯體假設(shè)對AOD的精度影響并不明顯。
3)氣溶膠模型選取的影響。在利用6S輻射傳輸模型構(gòu)建查找表時,氣溶膠模型的選擇對反演結(jié)果影響顯著[15]。本研究利用6S模型模擬了城市型、大陸型與海洋型3種典型氣溶膠類型下表觀反射率隨AOD的變化,結(jié)果如圖8所示。由圖可以看出,大陸型與海洋型氣溶膠類型模式下隨AOD的增加,表觀反射率迅速增大,而城市型氣溶膠模式下表觀反射率變化較小。大陸型與海洋型氣溶膠的變化趨勢相對一致,但當(dāng)AOD值大于1.1時海洋型模式下表觀反射率隨AOD增大的變化更顯著。
圖8 不同類型氣溶膠的敏感性分析Fig.8 Sensitivity analysis of different types of aerosols
結(jié)合研究區(qū)地理位置、風(fēng)向等因素,本文中氣溶膠模式選擇為海洋型氣溶膠模式。為了驗證選取海洋型氣溶膠的合理性,本文又針對大陸型與海洋型氣溶膠分別做了反演實驗,結(jié)果如圖9所示??梢钥闯龊Q笮蜌馊苣z反演結(jié)果與AOD真實值非常接近,吻合度較高,而大陸型氣溶膠反演結(jié)果略高于真實AOD值。
圖9 不同類型氣溶膠反演結(jié)果Fig.9 Inversion results of different types of aerosols
4)空間分辨率的影響。本文用于AOD反演的天宮二號寬波段成像儀數(shù)據(jù)的空間分辨率為200 m,而Himawari-8AOD空間分辨率為5 km,低分辨率在一定程度上會令A(yù)OD變化范圍變小,如天宮二號200 m AOD產(chǎn)品的數(shù)值范圍為0~2.136,而空間聚合為5 km后取值范圍減小為0~1.753。
5)其他因素影響。由于Himawari-8AOD產(chǎn)品反映的是波長500 nm處AOD結(jié)果,而基于天宮二號的AOD反演結(jié)果為波長550 nm處的AOD結(jié)果。由于Himawari-8 AOD產(chǎn)品僅有一個波段,且官方提供的Angstrom指數(shù)和大氣渾濁度指數(shù)還在驗證中,因此無法將二者統(tǒng)一為同一波長處的AOD分布,故兩者存在一定偏差,對驗證結(jié)果也有一定影響。
本文反演AOD結(jié)果與Himawari-8 AOD產(chǎn)品的空間分布基本一致,兩者的擬合度達到0.739,說明利用天宮二號寬波段成像儀進行氣溶膠的遙感反演是完全可行的。并且天宮二號反演的AOD結(jié)果具有較高的空間分辨率,更能體現(xiàn)AOD分布的細節(jié)情況,更有利于該區(qū)AOD的精細化監(jiān)測。
天宮二號數(shù)據(jù)具有波段范圍寬、空間分辨率高與時間分辨率靈活等特點,但由于其缺少地表反射率產(chǎn)品,在反演氣溶膠光學(xué)厚度時利用其他數(shù)據(jù)構(gòu)建地表反射率會對反演結(jié)果造成一定影響,未來若能利用其豐富的多波段信息反演地表反射率,將能更深層次挖掘天宮二號數(shù)據(jù)的應(yīng)用潛能,實現(xiàn)數(shù)據(jù)推廣并應(yīng)用于我國海陸上空氣溶膠監(jiān)測甚至更多研究領(lǐng)域。
致謝:天宮二號寬波段成像儀數(shù)據(jù)產(chǎn)品下載于“載人航天空間應(yīng)用數(shù)據(jù)推廣服務(wù)平臺”(www.msadc.cn),感謝載人航天工程提供寬波段成像儀數(shù)據(jù)產(chǎn)品。感謝中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心覃幫勇老師在數(shù)據(jù)使用及論文寫作中給與的幫助與寶貴建議。