遥感应用模型7-大气遥感

1、巫兆聪巫兆聪 教授、博导教授、博导 武汉大学遥感信息工程学院武汉大学遥感信息工程学院 Contents2345大气与大气污染1大气遥感概述大气气溶胶遥感反演污染气体反演臭氧监测1大气与大气污染大气圈大气圈约有约有5 510101818立方米空气的大贮存库；立方米空气的大贮存库；大气具有一定的自净作用；大气具有一定的自净作用；废物不断增加，超出自净能力后，造成大气污染。废物不断增加，超出自净能力后，造成大气污染。不可见性，除颗粒污染外，多数气体污染是看不见的。不可见性，除颗粒污染外，多数气体污染是看不见的。广泛性，由于气体流动，甚至地球自转等，污染很易扩散。广泛性，由于气体流动，甚至地球自转等，

2、污染很易扩散。危害的长期性和控制的复杂性。如危害的长期性和控制的复杂性。如在人类活动中大量产在人类活动中大量产生，控制困难，解决其污染是一个长期、艰巨的任务。生，控制困难，解决其污染是一个长期、艰巨的任务。 大气污染特点 再次是大气污染的无国界性，空气污染扩散是在空间进行，如再次是大气污染的无国界性，空气污染扩散是在空间进行，如SOSO的污染则是的污染则是19721972年在斯德哥尔摩的第一届联合国人类环境会年在斯德哥尔摩的第一届联合国人类环境会议上瑞典人首先提出，他们的代表做了一个议上瑞典人首先提出，他们的代表做了一个超越国境的污染大气超越国境的污染大气中硫化物和降雨对环境的影响中硫化物和降

3、雨对环境的影响的报告，指出瑞典天空的的报告，指出瑞典天空的SOSO有有75%75%是人类活动产生，而是人类活动产生，而77%77%来自国外，即来自南部的英国。氟氯来自国外，即来自南部的英国。氟氯烃引起臭氧层的破坏，以及烃引起臭氧层的破坏，以及COCO引起的温室效应，勿庸置疑的都是引起的温室效应，勿庸置疑的都是全球的大气污染问题，因此大气污染控制更具有国际性。全球的大气污染问题，因此大气污染控制更具有国际性。 煤烟型大气污染的主要污染物有大气颗粒物和二氧化硫，其次煤烟型大气污染的主要污染物有大气颗粒物和二氧化硫，其次是氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳和多环芳烃等。我国大气污染的是氮氧化物、一氧化碳、

4、二氧化碳和多环芳烃等。我国大气污染的研究一开始对颗粒物的表征较为重视，发展较快。研究一开始对颗粒物的表征较为重视，发展较快。 1 1、大气颗粒物、大气颗粒物 2 2、二氧化硫、二氧化硫 我国燃煤二氧化硫排放的总量上升较快，城市大气中二氧化硫我国燃煤二氧化硫排放的总量上升较快，城市大气中二氧化硫浓度居高不下，二氧化硫排放量与地域性酸沉降污染强度呈显著的浓度居高不下，二氧化硫排放量与地域性酸沉降污染强度呈显著的正相关。正相关。 氮氧化物不仅能转化为酸雨，在阳光下与碳氧化物或挥发性有氮氧化物不仅能转化为酸雨，在阳光下与碳氧化物或挥发性有机物机物(VOC)(VOC)作用产生臭氧，从而引起呼吸道的疾病。

5、它与二氧化硫作用产生臭氧，从而引起呼吸道的疾病。它与二氧化硫一样也是通过燃煤产生，还有雷电和自然界有机物的腐烂发酵，更一样也是通过燃煤产生，还有雷电和自然界有机物的腐烂发酵，更大量地来源于工业废气。大量地来源于工业废气。 随着交通道路事业的发展，汽车排放氮氧化物的量有逐年增加随着交通道路事业的发展，汽车排放氮氧化物的量有逐年增加的趋势，汽车尾气污染己成为影响大气环境质量的重要因素之一。的趋势，汽车尾气污染己成为影响大气环境质量的重要因素之一。汽车尾气产生的氮氧化物在紫外线作用下可能形成光化学烟雾，对汽车尾气产生的氮氧化物在紫外线作用下可能形成光化学烟雾，对人体和生态系统产生更大的危害。人体和生

6、态系统产生更大的危害。 3 3、氮氧化物、氮氧化物(NOx(NOx) ) 二氧化碳和其它温室气体二氧化碳和其它温室气体(GHG)(GHG)的大量排放引起地球表面变暖的大量排放引起地球表面变暖, ,成为人类共同关注的国际问题。目前大气中二氧化碳含量为成为人类共同关注的国际问题。目前大气中二氧化碳含量为6.06.010105 5g/mg/m3 3，比，比1919世纪中期（世纪中期（5.25.210105 5g/mg/m3 3）约高）约高25%25%，现在每年以现在每年以3.24mg/m3.24mg/m3 3的平均浓度上升。二氧化碳等温室气体形的平均浓度上升。二氧化碳等温室气体形成的温室效应，引起科

7、学家的广泛兴趣，二氧化碳的大量排放将导成的温室效应，引起科学家的广泛兴趣，二氧化碳的大量排放将导致全球变暖，海平面上升和未来气候的变化，从而危害人类的生存致全球变暖，海平面上升和未来气候的变化，从而危害人类的生存环境；或将使地球再经历一次冰川时期。环境；或将使地球再经历一次冰川时期。 4 4、二氧化碳、二氧化碳 石油、煤等化石燃料及木材、烟草等有机物在不完全燃烧过程石油、煤等化石燃料及木材、烟草等有机物在不完全燃烧过程中会产生多环芳烃（中会产生多环芳烃（PAHsPAHs），火山爆发也会产生多环芳烃。多环），火山爆发也会产生多环芳烃。多环芳烃在环境中分布很广，它的存在是致癌或诱变性因素之一，对人

8、芳烃在环境中分布很广，它的存在是致癌或诱变性因素之一，对人类危害较大。空气中的多环芳烃可以和臭氧、氮氧化物、硝酸等反类危害较大。空气中的多环芳烃可以和臭氧、氮氧化物、硝酸等反应，转化成致癌或诱变作用更强的化合物。因而，多环芳烃分析在应，转化成致癌或诱变作用更强的化合物。因而，多环芳烃分析在空气污染监测和控制中十分重要。空气污染监测和控制中十分重要。 5 5、多环芳烃、多环芳烃当前大气污染的主要问题当前大气污染的主要问题臭氧层破坏臭氧层破坏温室效应温室效应酸雨酸雨汽车尾气污染汽车尾气污染 大气与悬浮其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系；大气与悬浮其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系；指悬浮在

9、大气中，具有一定稳定性，沉降速度小，尺度范围在指悬浮在大气中，具有一定稳定性，沉降速度小，尺度范围在0. 001m0. 001m数十数十m m 之间的分子团、液态或固态粒子的混合物；之间的分子团、液态或固态粒子的混合物；通常所指的烟、雾、尘等都属于气溶胶，它对大气中发生许多通常所指的烟、雾、尘等都属于气溶胶，它对大气中发生许多物理化学过程有着重要影响。物理化学过程有着重要影响。 研究大气污染、气候变化重要参数，影响地气系统辐射平衡。研究大气污染、气候变化重要参数，影响地气系统辐射平衡。也是遥感影像大气校正重要参数之一，只有得到与像元尺度相也是遥感影像大气校正重要参数之一，只有得到与像元尺度相当

10、的大气气溶胶性质参数，才能进行逐像元的大气效应纠正，实现当的大气气溶胶性质参数，才能进行逐像元的大气效应纠正，实现完全意义上的定量遥感分析与反演。完全意义上的定量遥感分析与反演。 大气气溶胶大气气溶胶2大气遥感概述大气污染物扩散受气象条件影响严重，时空易变，基于地面的大气污染物扩散受气象条件影响严重，时空易变，基于地面的常规大气环境监测需要投入大量人员、设备和资金，且只能在有限常规大气环境监测需要投入大量人员、设备和资金，且只能在有限点上进行，覆盖范围小，时效性差。点上进行，覆盖范围小，时效性差。遥感技术：遥感技术：长期动态监测；长期动态监测；发现常规方法难以揭示的污染源及其扩散的状态；发现常

11、规方法难以揭示的污染源及其扩散的状态；快速、实时、动态监测大范围大气环境变化和大气污染；快速、实时、动态监测大范围大气环境变化和大气污染；实时、快速跟踪和监测突发性大气污染事件的发生、发展，实时、快速跟踪和监测突发性大气污染事件的发生、发展，及时制定处理措施，减少大气污染造成的损失。及时制定处理措施，减少大气污染造成的损失。遥感监测作为大气环境管理和大气污染控制的重要手段之遥感监测作为大气环境管理和大气污染控制的重要手段之一，正发挥着不可替代的作用。一，正发挥着不可替代的作用。 一、传统大气环境质量监测 20世纪世纪50年代开始大规模开展年代开始大规模开展 20世纪世纪50年代，以美国为首的发

12、达国家，对空气中主要污染物年代，以美国为首的发达国家，对空气中主要污染物纳入常规监测，主要为纳入常规监测，主要为SO2，CO， TSP，NOX，O3，总，总HC等等6个个项目；空气监测对象由气体一种形态扩展到气体、蒸气、颗粒物项目；空气监测对象由气体一种形态扩展到气体、蒸气、颗粒物3种不同形态。种不同形态。 1953年后，随着大流量空气采样器的使用，开展空气监测的地年后，随着大流量空气采样器的使用，开展空气监测的地区和城市大幅增加，不少城市还划定空气质量控制区并建立一批空区和城市大幅增加，不少城市还划定空气质量控制区并建立一批空气监测站点，初步组成空气监测网；分析手段也发生重大变化，由气监测站

13、点，初步组成空气监测网；分析手段也发生重大变化，由40年代的以化学法为主，过渡到以分光光度法为主的新时代。年代的以化学法为主，过渡到以分光光度法为主的新时代。除了定点采样外，较为先进和准确的方法是步建立和完善的全除了定点采样外，较为先进和准确的方法是步建立和完善的全球大气监测自动化系统。球大气监测自动化系统。 该项目涵盖地面观测、高空探测、特种观测、新型遥感探测、该项目涵盖地面观测、高空探测、特种观测、新型遥感探测、信息传输和技术保障等诸多内容，是一个大型的综合工程。探测系信息传输和技术保障等诸多内容，是一个大型的综合工程。探测系统将建设地面、高空、特种观测和新一代天气雷达四个分系统，还统将建

14、设地面、高空、特种观测和新一代天气雷达四个分系统，还包括用于传输大气监测信息的信息传输系统和对监测系统提供技术包括用于传输大气监测信息的信息传输系统和对监测系统提供技术支持的技术保障系统。支持的技术保障系统。目前大气环境质量监测仍然延续定点采样的方法，包括在城市目前大气环境质量监测仍然延续定点采样的方法，包括在城市建立固定的大气环境监测站。建立固定的大气环境监测站。随着分析手段的日益增多，在大气常规监测中，监测的内容不随着分析手段的日益增多，在大气常规监测中，监测的内容不断扩大，监测的精度和范围也有所提高。断扩大，监测的精度和范围也有所提高。二、遥感大气环境质量监测现状 20世纪世纪60年代，

15、随着遥感技术的蓬勃发展，大气遥感成为发年代，随着遥感技术的蓬勃发展，大气遥感成为发展最为迅速的学科分支之一。展最为迅速的学科分支之一。 1960年美国的第一颗气象卫星上天标志着大气遥感的开始。年美国的第一颗气象卫星上天标志着大气遥感的开始。它的发展一方面取决于气象与大气科学研究和应用发展对全球和区它的发展一方面取决于气象与大气科学研究和应用发展对全球和区域大气特征的时空连续观测的需求，另一方面也是近代物理学、传域大气特征的时空连续观测的需求，另一方面也是近代物理学、传感器与计算机信息技术、大气物理学密切结合的产物。感器与计算机信息技术、大气物理学密切结合的产物。大气遥感的研究者最早根据污染地区

16、地物反射率产生的变化、大气遥感的研究者最早根据污染地区地物反射率产生的变化、边界模糊的情况来对大气污染情况进行估计。边界模糊的情况来对大气污染情况进行估计。由于在遥感信息中，大气污染信息叠加于多变的地面信息之上，由于在遥感信息中，大气污染信息叠加于多变的地面信息之上，信息微弱，提取非常困难，一般信息提取方法不适用，多年来研究信息微弱，提取非常困难，一般信息提取方法不适用，多年来研究进展缓慢。进展缓慢。2020世纪世纪9090年代以后，开始对大气环境进行遥感定量描述。年代以后，开始对大气环境进行遥感定量描述。 如日本千叶大学、美国马里兰州大学环境研究所等利用气象卫如日本千叶大学、美国马里兰州大学

17、环境研究所等利用气象卫星、水色卫星和高光谱等遥感数据进行了青藏高原的水蒸气、云、星、水色卫星和高光谱等遥感数据进行了青藏高原的水蒸气、云、气溶胶和珠江三角洲的大气污染等相关研究，取得了较好的成果。气溶胶和珠江三角洲的大气污染等相关研究，取得了较好的成果。2020世纪世纪8080年代人们开始尝试间接的方法。年代人们开始尝试间接的方法。 如范心坍等人根据城市热岛情况对城市大气污染进行估计。如范心坍等人根据城市热岛情况对城市大气污染进行估计。 Fujii HisaoFujii Hisao等人根据树叶等人根据树叶SOSO含量与植被指数的关系估计大气含量与植被指数的关系估计大气污染，但这均是一些定性描述

18、或者是间接结果。污染，但这均是一些定性描述或者是间接结果。国内，中山大学和中国科学院大气所等亦取得了一些成果。国内，中山大学和中国科学院大气所等亦取得了一些成果。 王雪梅，邓孺孺等人以王雪梅，邓孺孺等人以TMTM数据为源，将数据为源，将TM1TM1至至TM5TM5波段数据波段数据经大气修正，将像元信息概化为土壤、植被、水体等基本信息类型经大气修正，将像元信息概化为土壤、植被、水体等基本信息类型的线性集合，然后与污染气体信息叠加，将的线性集合，然后与污染气体信息叠加，将S0S02 2和和NONOx x废气信息从废气信息从遥感影像提取出来。遥感影像提取出来。 近年来，研究者试图只提取大气影响的主要

19、因子之一近年来，研究者试图只提取大气影响的主要因子之一光学光学厚度，以此来表示区域大气质量。厚度，以此来表示区域大气质量。 李成才等将李成才等将MODISMODIS气溶胶光学厚度用于污染分析，通过北京气溶胶光学厚度用于污染分析，通过北京地区地区AODAOD与气象能见度观测资料，得到不同季节气溶胶与气象能见度观测资料，得到不同季节气溶胶“标高标高”，利用统计的不同季节气溶胶标高，从光学厚度季节分布得到能见度利用统计的不同季节气溶胶标高，从光学厚度季节分布得到能见度季节分布，从而直观地再现污染物区域分布和输送规律。季节分布，从而直观地再现污染物区域分布和输送规律。 除了将遥感影像作为数据基础进行大

20、气参数的反演、达到大气除了将遥感影像作为数据基础进行大气参数的反演、达到大气监测目的外，也有直接利用光谱技术对大气污染进行监测，其中最监测目的外，也有直接利用光谱技术对大气污染进行监测，其中最主要的是傅立叶变换光谱技术。主要的是傅立叶变换光谱技术。 Nothlot等人对利用傅立叶变换光谱技术遥感大气监测做了大量等人对利用傅立叶变换光谱技术遥感大气监测做了大量研究，对温室气体以及痕量气体进行了遥感监测。研究，对温室气体以及痕量气体进行了遥感监测。 近年来，对各种特殊污染源的污染气体监测如燃油发动机尾气测近年来，对各种特殊污染源的污染气体监测如燃油发动机尾气测定等方面，遥感傅里叶变换红外光谱分析测

21、试技术越来越显示出重定等方面，遥感傅里叶变换红外光谱分析测试技术越来越显示出重要的应用价值。要的应用价值。 魏合理，胡欢陵等利用地面可见光魏合理，胡欢陵等利用地面可见光(430-450nm)(430-450nm)波段的太阳光波段的太阳光谱和大气上界参考太阳光谱，反演大气中谱和大气上界参考太阳光谱，反演大气中NONO2 2的柱总含量，得到该的柱总含量，得到该地区上空地区上空N0N02 2含量及其变化。含量及其变化。 另外还有许多光谱技术可供使用，如激光诱导荧光光谱、激光另外还有许多光谱技术可供使用，如激光诱导荧光光谱、激光质谱、激光拉曼光谱、差分光学吸收光谱等光谱技术，也在大气监质谱、激光拉曼光

22、谱、差分光学吸收光谱等光谱技术，也在大气监测定量分析中发挥这重要的作用。测定量分析中发挥这重要的作用。19961996年亚特兰大奥运会期间，年亚特兰大奥运会期间，GamileGamile等人采用等人采用OP-FTIROP-FTIR光谱光谱仪和紫外示差吸收光谱仪仪和紫外示差吸收光谱仪(UV -DCOAS )(UV -DCOAS )成功对奥运村附近上空的成功对奥运村附近上空的臭氧进行了监测，该研究表明：臭氧进行了监测，该研究表明：OP-FTIROP-FTIR光谱仪和光谱仪和UV-DOASUV-DOAS可连续、长期对人口密集地区上可连续、长期对人口密集地区上空的空的OO3 3，SOSO2 2和和NO

23、NOx x等污染气体进行定性和定量监测，实测等污染气体进行定性和定量监测，实测OO3 3平均平均浓度误差小于浓度误差小于10%10%。三、三、 城市大气环境质量时空格局及成因机制城市大气环境质量时空格局及成因机制 对城市大气环境质量时空格局研究，使用数据不同，研究方法对城市大气环境质量时空格局研究，使用数据不同，研究方法也有所差异。也有所差异。 对于大气环境质量地面监测站据，主要是利用常规的统计分析对于大气环境质量地面监测站据，主要是利用常规的统计分析方法，根据监测的大气成分，如方法，根据监测的大气成分，如SO2， NO，PM 10(TSP )，CO等等浓度变化情况，研究大气成分浓度的时间变化

24、规律，以及在城市内浓度变化情况，研究大气成分浓度的时间变化规律，以及在城市内部同一时间各站点数据作为大气环境质量的时空格局特征。部同一时间各站点数据作为大气环境质量的时空格局特征。对空间范围进一步扩展，可研究更大尺度空间的大气环境质量对空间范围进一步扩展，可研究更大尺度空间的大气环境质量差异状况，根据其时空格局特征，可对其成因机制进行定性研究，差异状况，根据其时空格局特征，可对其成因机制进行定性研究，总结规律。总结规律。城市热环境与大气污染之间的相关关系，一直是大气环境质量城市热环境与大气污染之间的相关关系，一直是大气环境质量遥感研究的热点领域。遥感研究的热点领域。 研究者根据城市热岛形成原理

25、，通过热波段遥感影像，结合下研究者根据城市热岛形成原理，通过热波段遥感影像，结合下垫面性质，对城市热环境进行时空格局的研究，并对格局产生机制垫面性质，对城市热环境进行时空格局的研究，并对格局产生机制进行深入探讨，揭示人类活动对城市热环境的影响。进行深入探讨，揭示人类活动对城市热环境的影响。另有学者从大气科学与光学的角度出发，根据遥感反演大气中另有学者从大气科学与光学的角度出发，根据遥感反演大气中的光学厚度，研究城市的大气污染状况，对大气环境质量的时间演的光学厚度，研究城市的大气污染状况，对大气环境质量的时间演变特征进行分析研究。变特征进行分析研究。或研究大气粒子的散射特性，对大气尺度的扩散模态

26、和时间特或研究大气粒子的散射特性，对大气尺度的扩散模态和时间特征进行分析，总结大气环境质量的空间格局的特征及其形成机制。征进行分析，总结大气环境质量的空间格局的特征及其形成机制。四、大气程辐射研究四、大气程辐射研究 传统意义上，研究大气程辐射的主要目的是进行大气校正，即传统意义上，研究大气程辐射的主要目的是进行大气校正，即去除传感器接收到的影响和干扰地面信息的大气影响，主要分为精去除传感器接收到的影响和干扰地面信息的大气影响，主要分为精确校正和粗略校正两种方法。确校正和粗略校正两种方法。精确校正需要找到每个波段像元亮度值与地物反射率的关系。精确校正需要找到每个波段像元亮度值与地物反射率的关系。

27、为此需要得到卫星飞行时的大气参数，以求出大气的参数：大气透为此需要得到卫星飞行时的大气参数，以求出大气的参数：大气透过率和大气程辐射遥感值。过率和大气程辐射遥感值。粗略校正是通过比较简单的方法去掉大气程辐射遥感值，从而粗略校正是通过比较简单的方法去掉大气程辐射遥感值，从而改善影像的质量。传统的方法有直方图最小值去除法、回归分析法、改善影像的质量。传统的方法有直方图最小值去除法、回归分析法、DOS法法(暗目标去除法暗目标去除法)、Modtran，Lowtran，Atocr等。等。目前，李先华等人利用与大气校正相同的基本原理研究遥感大目前，李先华等人利用与大气校正相同的基本原理研究遥感大气程辐射遥

28、感图像，以此进行像元级别的大气程辐射信息表达。气程辐射遥感图像，以此进行像元级别的大气程辐射信息表达。3大气气溶胶遥感反演一、国内外研究现状 国际上遥感反演气溶胶的研究始于20 世纪70 年代中期；早期为海洋上空气溶胶光学厚度反演，用于探测沙尘粒子；Gordon 最早考虑气溶胶在海洋水色遥感中的影响；Tanre 等的研究使人们认识到陆地遥感中去除大气，特别是气溶胶模糊效应的重要意义，并由此开始陆地上空气溶胶遥感研究。AVHRR 可见光通道遥感海洋上空气溶胶已作为NOAA 的业务运行，每周提供1 次全球海洋上空气溶胶光学厚度分布。MODIS运行以来，已为全球气溶胶分布提供大量数据产品。 POLD

29、ER、MISR 和EOSP 传感器，为气溶胶研究作了特别设计。目前为止，利用遥感气溶胶已经形成一个丰富的研究体系。国内对气溶胶遥感的研究始于20 世纪80 年代。 吕达仁等1981 年提出消光角散射法遥感气溶胶分布的原理。 邱金桓提出全波段太阳直接辐射确定气溶胶光学厚度的方法。 刘广员等提出晴空、均匀下垫面上利用AVHRR 可见光和近红外通道的反射率，遥感整层大气气溶胶光学厚度的双通道方法。 毛节泰等用GMS 卫星遥感湖面上空气溶胶光学厚度。近年来，研究人员开始利用多波长、多角度和偏振方法遥感大气气溶胶，并且开展同时反演光学厚度和其他气溶胶参数的研究。二、大气气溶胶遥感反演方法分类 1 气溶胶

30、遥感的传感器分类气溶胶遥感的传感器分类 根据利用不同气溶胶遥感信息，可将目前用于气溶胶遥感的传感器分为以下几类: 利用反射光谱强度信息：EOS-MODIS、ADEOS-OCTS/ GL1； 利用角度分布反射光谱信息,如EOS-MISR； 利用光谱极化信息,如： POLDER(Polarization and Directionality of Earths Reflectances) EOS-EOSP(Earth Observing Scanning Polarimeter) 。主要可以分为单通道、多通道、反差减少、多角度多通道、偏振特性等4 大类。三、卫星遥感反演气溶胶光学厚度方法1 单通道

31、遥感和多通道遥感单通道算法物理依据：当地表反射率很小时，对表观反射率起单通道算法物理依据：当地表反射率很小时，对表观反射率起到贡献的因子按大小依次为气溶胶散射、分子散射和地表反射，对到贡献的因子按大小依次为气溶胶散射、分子散射和地表反射，对于非吸收性气溶胶，暗背景下气溶胶对反射比的贡献与气溶胶光学于非吸收性气溶胶，暗背景下气溶胶对反射比的贡献与气溶胶光学厚度成线性关系，即使对气溶胶光学厚度比较大、多次散射不能忽厚度成线性关系，即使对气溶胶光学厚度比较大、多次散射不能忽略的情况依然成立。略的情况依然成立。根据这一原理发展起来的根据这一原理发展起来的NOAA NOAA 业务运行已经成功地被用来描业

32、务运行已经成功地被用来描述全球海上平流和对流层气溶胶光学厚度的分布。述全球海上平流和对流层气溶胶光学厚度的分布。Griggs Griggs 发现海洋上空反射的太阳辐射值随气溶胶光学厚度变发现海洋上空反射的太阳辐射值随气溶胶光学厚度变化近于线性增加，基于此线性关系建立海上气溶胶光学厚度单通道化近于线性增加，基于此线性关系建立海上气溶胶光学厚度单通道反演方法，并成功用于海洋上空对流层和平流层气溶胶的分布研究。反演方法，并成功用于海洋上空对流层和平流层气溶胶的分布研究。但该方法限于如海洋等低反射率表面。当地表反射率较大时，但该方法限于如海洋等低反射率表面。当地表反射率较大时，这种线性关系不能很好成立

33、。这种线性关系不能很好成立。多通道遥感法以使用可见光和近红外波段建立两波段的模式最多通道遥感法以使用可见光和近红外波段建立两波段的模式最为常见。为常见。 Durkee Durkee 等利用等利用AVHRRAVHRR第第1 1和第和第2 2 通道反演气溶胶光学厚度，通道反演气溶胶光学厚度，晴空无云且平静的海域上，可见光至近红外波段所接收到的辐射量晴空无云且平静的海域上，可见光至近红外波段所接收到的辐射量视为主要由气溶胶的散射而来，并假设观测到的辐射强度都是单次视为主要由气溶胶的散射而来，并假设观测到的辐射强度都是单次散射散射 。所以，对太阳辐射而言，气体分子引起的雷氏散射视为常。所以，对太阳辐射

34、而言，气体分子引起的雷氏散射视为常数而忽略不计。在这样的假设下验证了卫星所接收到的辐射强度与数而忽略不计。在这样的假设下验证了卫星所接收到的辐射强度与气溶胶光学厚度有近乎线性的关系。气溶胶光学厚度有近乎线性的关系。利用反射光谱强度反演陆地气溶胶比较流行的算法是暗浓密植被利用反射光谱强度反演陆地气溶胶比较流行的算法是暗浓密植被(Dark dense vegetation) (Dark dense vegetation) 法。法。Kaufman Kaufman 等人研究发现，在非常清洁的大气条件下，绿色植被等人研究发现，在非常清洁的大气条件下，绿色植被表面的反射率在红、兰和表面的反射率在红、兰和2

35、.2m 2.2m 通道有相似的图象，表明它们之通道有相似的图象，表明它们之间存在一定关系，由于可见光通道图象仅受气溶胶散射影响，而间存在一定关系，由于可见光通道图象仅受气溶胶散射影响，而2.2m 2.2m 通道图象不受气溶胶影响，气溶胶层下方的植被覆盖区红、通道图象不受气溶胶影响，气溶胶层下方的植被覆盖区红、兰通道的反射率可以从兰通道的反射率可以从2.2m 2.2m 通道的反射率估算出来，与卫星观通道的反射率估算出来，与卫星观测的表观反射率之间的差异就是气溶胶的影响。该适用于密集植被测的表观反射率之间的差异就是气溶胶的影响。该适用于密集植被暗背景，因此又称暗背景，因此又称DDVDDV（Dens

36、e Dark VegetationDense Dark Vegetation）算法。）算法。暗浓密植被法主要基于红、蓝波段的较暗下垫面，反演获得气暗浓密植被法主要基于红、蓝波段的较暗下垫面，反演获得气溶胶的路径辐射，若已知气溶胶的折射指数、单次散射反照率、谱溶胶的路径辐射，若已知气溶胶的折射指数、单次散射反照率、谱分布等信息，可以估算气溶胶负载分布等信息，可以估算气溶胶负载( (光学厚度光学厚度) ) 以及粒度谱等信息。以及粒度谱等信息。该方法只能用于低反射率（该方法只能用于低反射率（ 2.13m2.13m0.150.15）的暗像元，且需要）的暗像元，且需要气溶胶类型等先验或假设的知识。由于陆

37、地地表的反射率通常较气溶胶类型等先验或假设的知识。由于陆地地表的反射率通常较高，暗像元分布较少，很大程度上限制该方法的应用范围和精度。高，暗像元分布较少，很大程度上限制该方法的应用范围和精度。2 2 反差减少法反差减少法 利用同一地区不同时相影像的利用同一地区不同时相影像的“模糊效应模糊效应(Blurring effect) ”(Blurring effect) ”反演相对气溶胶光学厚度。反演相对气溶胶光学厚度。该方法获得的是不同时相的同一区域的同名像素点的相对气溶该方法获得的是不同时相的同一区域的同名像素点的相对气溶胶光学厚度胶光学厚度, ,其优点是可以应用于暗像元不存在的陆地区域，缺点是其

38、优点是可以应用于暗像元不存在的陆地区域，缺点是很难找到时间间隔小且无气溶胶分布或已知气溶胶光学厚度的参考很难找到时间间隔小且无气溶胶分布或已知气溶胶光学厚度的参考影像，因此无法将反演得到的光学厚度相对值转化为绝对值。影像，因此无法将反演得到的光学厚度相对值转化为绝对值。这种方法成功地应用于这种方法成功地应用于TM TM 和和AVHRR AVHRR 干旱地表气溶胶研究。干旱地表气溶胶研究。3 多角度多通道遥感多角度多通道遥感 Martonchik Martonchik 和和Diner Diner 于于1992 1992 年提出多角度观测反演陆地地年提出多角度观测反演陆地地表物理参数以及气溶胶。表

39、物理参数以及气溶胶。多光谱对比观测的角度变化对气溶胶模型的敏感性是用来进行多光谱对比观测的角度变化对气溶胶模型的敏感性是用来进行多角度观测反演陆地气溶胶模型的理论基础。多角度观测反演陆地气溶胶模型的理论基础。陆地上使用陆地上使用2 2 种不同的方法。如果暗浓密植被存在，则结合多种不同的方法。如果暗浓密植被存在，则结合多角度观测，使用低地表反射率的暗浓密植被，反演气溶胶参数。如角度观测，使用低地表反射率的暗浓密植被，反演气溶胶参数。如果不存在，则通过空间对比和观测信号角度变化信息分离地表和大果不存在，则通过空间对比和观测信号角度变化信息分离地表和大气信号，从而得到观测区域的气溶胶参数。气信号，从

40、而得到观测区域的气溶胶参数。海洋上空，观测辐射主要取决于气溶胶散射相函数，多角度遥海洋上空，观测辐射主要取决于气溶胶散射相函数，多角度遥感提供更为详尽的信息建立海洋上空的气溶胶模型。感提供更为详尽的信息建立海洋上空的气溶胶模型。随着随着ATSRATSR2 2、POLDERPOLDER、MISR MISR 等新型多角度传感器的出等新型多角度传感器的出现，遥感气溶胶新的定性以及定量的反演方法得到了进一步发展，现，遥感气溶胶新的定性以及定量的反演方法得到了进一步发展，且精度得到了改善。且精度得到了改善。Xue and Yu Xue and Yu 利用利用ATSRATSR多角度观测数据建立遥感气溶胶的

41、模多角度观测数据建立遥感气溶胶的模型，并应用于英格兰地区，获得了较好的效果。型，并应用于英格兰地区，获得了较好的效果。 TerraTerra卫星携带的卫星携带的MISR MISR 传感器是一个多角度成像光谱仪，传感器是一个多角度成像光谱仪，可以提供可以提供9 9 个不同方向的观测。个不同方向的观测。4 偏振特性遥感偏振特性遥感 极化辐射对于地表反射率敏感性比较小，而对气溶胶粒子的有效粒径和折射率极为敏感，利用偏振特性可以同时反演气溶胶光学厚度和气溶胶粒子的有效粒径。1996 年发射的ADEOS 携带的POLDER 传感器在它的8 个通道中的3 个提供了极化观测。吕达仁在“九五”重大项目“人类活

42、动影响下内蒙古典型草原生态气候相互作用监测与基本过程研究”中发展了偏振辐射传输方程，用偏振/ 辐射联合定量反演陆地上空气溶胶。由于实际气溶胶粒子的非均一和非球形，气溶胶的偏振特性与方法假定的均一球形粒子的特性不一致，加上地表偏振特性的影响，限制该方法的应用。 红外通道受沙尘影响很大，使用8.5m、11m、12m 通道的亮温数据反演气溶胶光学厚度是可行的。这一方法是基于连续数日观测结果的对比，假设没有气溶胶存在的时候，长波辐射是定常的或随时间线性变化。当有气溶胶存在，气溶胶削弱地表的长波辐射，同时由于气溶胶散射作用削弱到达地表的短波辐射，从而使得地表温度下降，两方面因素都使射出长波辐射比没有气溶

43、胶存在时下降，增加了清洁日和污浊日的热辐射对比，它与气溶胶光学厚度相关。干旱和半干旱地区，由于地表温度一般较高、湿度低，可提供足够的热红外对比以反演沙尘气溶胶；对于沙尘外的一般气溶胶，由于红外波段对气溶胶不敏感而不适用。5 其它方法热红外方法5 其它方法其它方法紫外方法紫外方法UV 波段对气溶胶类型较大的敏感性，可以将含碳类和矿石类气溶胶从理想散射粒子类气溶胶如硫酸盐和海盐清晰地区别开来。地表反照率在近紫外波段比较低，即使对于沙漠也如此，使得其可以用于陆地包括沙漠地区，成为监测沙尘暴的有效工具。由TOMS 反演的UV 波段吸收类气溶胶光学厚度得到NASA气溶胶地基观测网（Aerosol Rob

44、otic Network-AERONET）的验证。四、MODIS 大气气溶胶遥感反演基于对气溶胶特性在全球变化、区域环境研究中的重要性的深入认识，国际上实施了一系列卫星观测计划以获取气溶胶光学特性的全球分布、气溶胶直接强迫和间接强迫的季节和年变化。地球观测系统计划(EOS) 是美国国家宇航局(NASA) 建立的一个旨在对全球变化进行观测研究的综合计划，包括发射一系列先进的卫星系统，对太阳辐射、大气、海洋和陆地进行全面综合的整体观测。作为EOS 的第一颗卫星的Terra (AM21) 发射于1999-12-18 ，于2000-02-24 开始提供全球遥感资料。EOS 的第二颗卫星Aqua (PM

45、21) 于2002 年5 月4 日成功发射。MODIS 是EOS 卫星的一个重要设备，也是Terra 上惟一的一个以X 波段向地面直接发布观测数据的系统。MODIS 探测器每天覆盖全球一次，提供了在可见光、近红外和红外共36 个通道的全球观测，为反演有关陆地、云、气溶胶、水汽、臭氧、海色、浮游植物、生物地球化学等产品提供了丰富的信息。MODIS 探测器扫描宽度2330 km ，可见光通道1 (660 nm) 和通道2 (860 nm)具有250 m 星下点的分辨率，可见和近红外的通道37 具有500 m 的分辨率，这一特点适合于气溶胶、地表和云的高分辨率监测。卫星观测到的反射率Rsat 可以由

46、下式表示： 000000(,)(; , ;,)/satSURFsatRfRLF 1 基本原理基本原理其中，F0为大气上界太阳辐射通量密度，0为整层大气光学厚度，(0,0)为入射太阳光方向，(,)是卫星观测方向，0,0, 分别为天顶角余弦和方位角，Lsat(,0,0) 为卫星接收到的辐射，它满足以下辐射传输方程：2101( ; , )( ; , )( ; , ;,)4dLLPddd 0/000( ;,;,)4F Pe 是大气（分子+气溶胶）光学厚度，P(；,；,) 为相函数。为大气单次散射反照率。如果假设下垫面是反射率为RSURF 的均匀朗伯面，Rsat 可表示为： RATM 为整层大气反射率，

47、TATM(0) 和TATM() 分别表示从太阳到地面、从地面到卫星大气层总的透过率（直射+漫射），系数1 /(1- RSURFRATM )代表地面和大气层多次散射的作用，因此卫星观测到的反射率Rsat 既是气溶胶光学厚度的函数，又是下垫面反射率的函数，如果知道了下垫面的反射率RSURF ，并假定一定大气气溶胶模型，可以反演得到气溶胶光学厚度；反之，如果已知气溶胶光学厚度和相应的大气参数，也可以反演下垫面反射率。对于最简单的情况，假设下垫面是一个黑体，则 2.3 式右边第二项为零，卫星观测到的反射率即大气反射率，只与大气气溶胶和其他大气参数有关。实际反演过程是由辐射传输模式来求解大气中的辐射过程

48、。通常首先确定大气参数，然后根据不同的太阳入射角和卫星观测角，取不同的大气气溶胶光学厚度，由辐射传输模式计算得到不同条件下卫星接收到的辐射或卫星反射率，制作一个查找表（Look Up Table）。在反演过程中，假定特定的大气条件，根据辐射的入射和接收角度以及卫星测得的辐射或反射率，由查找表查出对应的光学厚度。气溶胶的反演对云检测的精度要求较高。在反演算法中，将剔除反照率较高的像素，因此，即使云检测不完全，高反照率的云也会被剔除。而薄云在检测中往往容易疏漏，对反演影响最大，因此对云检测有较高要求。接收的原始数据为 MOD021KM 和 MOD03，可采用威斯康星大学的软件 IMAPP v1.3

49、 来生成云检测产品 MOD35， 剔除云区。云的检测2 2 反演方法反演方法 地表反照率仍然采用暗目标法来确定，即对在 2.1m 波段反照率0.15 的暗目标，其 0.66m 和 0.47m 波段地表反照率采用如下方法来确定： 0.47= 2.1/4, 0.66= 2.1/2；其中 2.1， 0.47， 0.66，分别为2.1m、0.47m、0.66m波段地表反照率。地表反照率的确定气溶胶类型确定使用双通道法判断反演区域的气溶胶类型。参考 Kaufman 等的做法，分别以光学厚度为 0.2 和 0.5 为代表，利用6s 做以下试验来确定。先假定为大陆型气溶胶，反演得到红光0.67m 和蓝光 0

50、.46m 的单次散射路径，定义如下：L = p /(uu0 )其中、 p 、 分别为光学厚度、相函数和散射比（单次散射反照率）。u 、u0 为观测方向和入射光方向天顶角的余弦。取光学厚度=0.2，分别选取不同气溶胶类型，例如沙尘型、城市工业型等，改变散射角，利用 6s 计算得到不同的相函数 p、散射比 。计算红光、蓝光单次散射路径L = p /(uu0)。得到每个散射角下红蓝光单次散射路径比Lred / Lblue。取光学厚度 0.5时，按同样方法，得到不同气溶胶类型下Lred / Lblue随散射角的变化关系。使用使用 6s 6s 内定气溶胶模型做出的内定气溶胶模型做出的L Lredred

51、/ L / Lblueblue和散射角关系图和散射角关系图6s 采用固定气溶胶模型，光学厚度 0.2 和 0.5的曲线重合。沙尘型与非沙尘型气溶胶的红蓝光单次散射路径比随散射角变化曲线有明显分离。阴影区域上边缘大约在 0.93，下边缘大约在 0.73。去除散射角过小的范围后，得到如下判别关系：（1）光学厚度red A()，沙尘型气溶胶；（3） Lred / Lblue B()，非沙尘型气溶胶。 为散射角：400 1500， A()0.93，B()0.731500 3时，前时，前3次散射光的强度次散射光的强度占总反射光的占总反射光的98 以上，一般情况下以上，一般情况下(LAI1)，前，前3次散

52、射光的强次散射光的强度大约占总反射光的度大约占总反射光的99，所以只需考虑前，所以只需考虑前3次散射即可保证精度。次散射即可保证精度。当入射和观测方向已知，干土反射率、水吸收率和单叶反射率当入射和观测方向已知，干土反射率、水吸收率和单叶反射率等较稳定参数测定后，象元反射率为植被叶面积指数等较稳定参数测定后，象元反射率为植被叶面积指数 、土壤含水量、土壤含水量 和波长的函数，故可写成：和波长的函数，故可写成：地表反射率为冠层反射和土壤反射的贡献之和：地表反射率为冠层反射和土壤反射的贡献之和：透过冠层的土壤反射光对反射率的贡献为：透过冠层的土壤反射光对反射率的贡献为：在可见光和近红外波段，卫星数据

53、的象元光谱包括天空散射光和地在可见光和近红外波段，卫星数据的象元光谱包括天空散射光和地表反射光两部分。传感器接收到的反射光谱可写成：表反射光两部分。传感器接收到的反射光谱可写成：I I0 0为入射光强，为入射光强，R Rg g为地面反射率，为地面反射率，T Ta a、T Tmm和和T Tb b分别为人为气溶胶、分别为人为气溶胶、大气分子和背景气溶胶的透过率；大气分子和背景气溶胶的透过率；I Ia a、I Imm和和I Ib b分别为人为气溶胶、大气分子和背景气溶胶的上行散射分别为人为气溶胶、大气分子和背景气溶胶的上行散射光强，光强，I Iadad和和I Ibdbd分别为人为气溶胶和背景气溶胶的

54、下行散射光强。分别为人为气溶胶和背景气溶胶的下行散射光强。u=1u=1coscos ， 为太阳天顶角。为太阳天顶角。 上式两边除以上式两边除以I I0 0并整理得：并整理得：R R为象元综合反射率；为象元综合反射率； a a、 mm、 b b分别为人为气溶胶，大气分子和背景气溶胶的上行分别为人为气溶胶，大气分子和背景气溶胶的上行散射率；散射率；md、bd分别为人为气溶胶和背景气溶胶的下行散射率。分别为人为气溶胶和背景气溶胶的下行散射率。 TmTm、 mm为常数为常数背景气溶胶在数十公里的尺度内背景气溶胶在数十公里的尺度内可认为是水平均匀的，其类型可认为是水平均匀的，其类型与所在的地理位置和季节

55、有关，与所在的地理位置和季节有关，T Tb b、 b b、 bd的的计算已有大量的研计算已有大量的研究并有成熟的计算模型，如可将相邻无污染区的能见度输入究并有成熟的计算模型，如可将相邻无污染区的能见度输入MORTRANMORTRAN计算程式就可以计算出计算程式就可以计算出Tb、b、 bd。Tb、b、 bd的计算的计算T Ta a、a和和ad取决于人为气溶胶的组成浓度。取决于人为气溶胶的组成浓度。其中其中T Ta a=exp(- =exp(- ) )， 与各类型污染气溶胶混浊度的关系与各类型污染气溶胶混浊度的关系ad 、 a和和的关系已分别给出。的关系已分别给出。由此可得地面反射率与象元综合反射

56、率由此可得地面反射率与象元综合反射率 、气溶胶混浊度、气溶胶混浊度 1 1+ + 2 2 ( (下称下称 1+21+2) )和和 3 3的函数：的函数：3 污染区人为气溶胶混浊度计算污染区人为气溶胶混浊度计算 联系叶面积指数联系叶面积指数 、土壤含水量和上述综合反射率可得、土壤含水量和上述综合反射率可得：除波长外，该方程有除波长外，该方程有4 4个未知数，将个未知数，将4 4个波段的遥感数据代入可个波段的遥感数据代入可有唯一解的方程组：有唯一解的方程组：方程组的求解可采用迭代法。方程组的求解可采用迭代法。试验采用试验采用20012001年年7 7月月6 6日日Landsat7Landsat7的

57、的TM1TM1 4 4波段数据。波段数据。卫星过境时在卫星过境时在6 6个典型污染区进行同步或准同步的气溶胶地对个典型污染区进行同步或准同步的气溶胶地对空测量。空测量。下图为市区东北部东直门至望京一带的结果。图下图为市区东北部东直门至望京一带的结果。图A A为水溶性为水溶性+ +煤煤烟型气溶胶混浊度分布图，图烟型气溶胶混浊度分布图，图B B为沙尘型气溶胶混浊度分布图。为沙尘型气溶胶混浊度分布图。两类气溶胶混浊度的分布均与地物类型密切相关，工厂、密集两类气溶胶混浊度的分布均与地物类型密切相关，工厂、密集居民区以及公路交通线上是混浊度的高值区，且均是由市区向市郊居民区以及公路交通线上是混浊度的高值

58、区，且均是由市区向市郊逐渐减小。逐渐减小。相比之下，水溶性相比之下，水溶性+ +煤烟型气溶胶混浊度，分布较为均匀，变煤烟型气溶胶混浊度，分布较为均匀，变化较为缓慢，沙尘型气溶胶混浊度分布与公路等地物更为密切，与化较为缓慢，沙尘型气溶胶混浊度分布与公路等地物更为密切，与实际规律相符。实际规律相符。4 北京市污染气溶胶TM 卫星数据提取试验图图A A 北京市东北部北京市东北部 20012001年年7 7月月6 6日污染溶胶混浊度分布图日污染溶胶混浊度分布图（水溶性水溶性+煤烟型气溶胶煤烟型气溶胶）图图B B 北京市东北部北京市东北部 20012001年年7 7月月6 6日污染溶胶混浊度分布图日污染

59、溶胶混浊度分布图（沙尘型沙尘型）表表1是是6个典型污染区人为气溶胶混浊度计算值与地面测量值的个典型污染区人为气溶胶混浊度计算值与地面测量值的误差对比。误差对比。除亦庄和遥感所除亦庄和遥感所2个点外，计算沙尘型气溶胶混浊度和总的气溶个点外，计算沙尘型气溶胶混浊度和总的气溶胶混浊度的相对误差均在胶混浊度的相对误差均在0.12以内，其中有以内，其中有3个点的相对误差在个点的相对误差在0.1以内。以内。所有观测点的绝对误差均所有观测点的绝对误差均0.11。亦庄和遥感所亦庄和遥感所2个点的相对误差稍大，分别为个点的相对误差稍大，分别为0.42和和0.32。考虑到地面观测数据与卫星过境并非完全同步，总体说来计算考虑到地面观测数据与卫星过境并非完全同步，总体说来计算值已达较高精度，说明方法是有效的。值已达较高精度，说明方法是有效的。 5 5 北京天津石家庄地区污染气溶胶北京天津石家庄地区污染气溶胶MODIS MODIS 数据提取试验数据提取试验试验地区为北京天津石家庄地区，遥感数据采用试验地区为北京天津石家庄地区，遥感数据采用20022002年年2 2月月3 3日的日的MODISMODIS数据的数据的2 25 5波段。波段。卫星过境时，地面用太阳光度计进行地基气溶胶的同步观测，卫星过境时，地面用太阳光度计进行地基气溶胶的同步观测，并将遥感数据计算结果与地基观测结果进行对比。并将遥感数据计算结果