基于MODIS数据的天津市气溶胶光学厚度反演研究
摘要：目前我国在环境问题上面临着前所未有的挑战，其中大气污染问题已成为影响我国城市和区域可持续发展及环境的重要因素，全面掌握大气污染的区域分布情况及其变化规律对环境治理和规划尤为重要。本文在ENVI5.1下，运用暗像元法，分别对天津市2014年6月、7月和2015年4月、5月进行气溶胶光学厚度时空分布反演并分析结果。
关键字：MODIS、气溶胶光学厚度、 暗像元法、天津市
1. 引言
气溶胶是悬浮在大气中的固态粒子或液态小滴物质的统称，直径一般在 0.001-10μm 之间，是研究大气污染的重要参数。气溶胶粒子中含有各种各样的有毒化合物，研究表明,10μm以下的颗粒物可以进入鼻腔,7μm 以下的颗粒物可进入咽喉,而2.5μm以下的颗粒物可被吸入肺部,深入肺泡并沉积,进而加入血液循环系统.对人类健康造成直接伤害,使人体肺部功能下降、呼吸系统疾病增多[1]。气溶胶通过吸收和散射影响太阳辐射,进而影响地-气系统的辐射收支平衡，另外，气溶胶也可以充当生成云、雾的凝结核,影响云的反率,从而对地-气系统辐射平衡产生间接影响。
作为气溶胶最基本的光学特性之一，气溶胶光学厚度(AOD) 是气溶胶作用研究的基础。AOD 作为大气气溶胶最重要的参数之一，是表征大气混浊度或大气中气溶胶总含量的重要物理量。卫星遥感是目前唯一可以提供区域和全球尺度气溶胶特性的探测手段，MODIS数据自2000年来开展大气气溶胶光学厚度反演业务，为大范围进行遥感大气气溶胶监测提供了可能。
目前，已有很多学者通过卫星遥感技术来研究气溶胶光学特性，并且在 Kaufman 的暗像元算法基础上开发了NASA的V5.2气溶胶反演算法，并利用MODIS传感器进行了气溶胶光学厚度的业务反演，为全球提供分辨率10km气溶胶产品，
对于研究区域尺度和全球尺度的气溶胶污染物输送有重要应用价值[2]。然而，对于城市地区来说，分辨率10km的气溶胶产品不能满足要求，因此，需要高分辨率的卫星遥感数据，以便更好的认识城市气溶胶状况。本文利用MODIS L1B 数据对天津市进行气溶胶光学厚度的反演,并分析天津市的气溶胶光学厚度时空变化特征。
2．研究区概况及数据预处理
2.1研究区概况
天津市城区位于中国华北平原的东部（北纬38°34'至40°15'，东经116°43'至118°04'之间），太平洋西岸环渤海湾边。天津离首都北京120公里，是海上通往北京的咽喉要道，又是连接华北、东北、西北地区的交通枢纽，还是北方十几个省市通往海上的交通要道，拥有北方最大的人工港-天津港，有30多条海上航线通往300多个国际港口，是从太平洋彼岸到欧亚内陆的主要通道和欧亚大陆桥的主要出海口，具有十分重要的战略地位。天津作为四大直辖市之一，现辖15个区、3个县。
图1 天津市地理位置
2.2数据来源及预处理
本文以ENVI5.1软件为数据处理平台，在官方网站下载天津市2014年6月、7月和2015年4月、5月的MODIS L1B数据作为数据源。
数据的预处理包括辐射校正、几何校正、波段合成和裁剪。
利用卫星传感器进行遥感探测时，为了正确精确评价目标的反射或辐射特性，需要消除测量值里面包含了各种外界因素（如传感器自身性能不完备，太阳位置和观测角度，大气条件等等）所造成的信息失真，这个过程就叫辐射校正。MODIS 数据的特殊性在于自动定标，因此在 ENVI5.1 中打开 MODIS 影像的HDF文件就已经做了辐射校正。
几何校正指通过一系列的数学模型来改正和消除遥感影像成像时因摄影材料变形、物镜畸变、大气折光、地球曲率、地球自转、地形起伏等因素导致的原始图像上各地物的几何位置、形状、尺寸、方位等特征与在参照系统中的表达要求不一致时产生的变形。本研究要分别对发射率文件、反射率文件和角度数据文件进行几何校正。
波段合成包括反射率和发射率的合成以及角度数据的合成。角度数据的合成时的顺序是卫星天顶角（SensorZenith）、卫星方位角（SensorAzimuth）、太阳天顶角（SolarZenith）、太阳方位角（SolarZenith）。在合成的同时利用天津市矢量边界数据进行规则裁剪。
3.气溶胶光学厚度反演
本研究采用的气溶胶光学厚度反演方法是目前体系技术较为成熟的暗目标法，又名浓密植被法，在此基础上基于“6S”模型所构建的查找表适用于3月至9月的气溶胶反演。
利用中红外通道选取反演目标的方法就称作暗像元法（Dense Dark Vegetation，DDV）。暗像元法是利用路径辐射反演气溶胶的典型方法，由 Kaufman 和 Sendra于 1988 年提出，其后得到不断发展和广泛应用。他们通过对多种下垫面进行了大量的卫星、飞机观测实验并结合相关资料分析发现[7]：中红外通道（2.1um）在其地表反射率小于 0.15 的情况下，不受气溶胶的影响（尘埃
基于MODIS天津气溶胶反演研究
