陆地气溶胶光学厚度反演原理与方法

气溶胶光学厚度遥感反演方法研究气溶胶光学厚度是指大气中可见光波段的气溶胶对光的吸收和散射能力，是研究大气污染和气候变化的重要参数之一。

随着遥感技术的发展，气溶胶光学厚度的遥感反演方法也越来越多样化。

本文将围绕气溶胶光学厚度的遥感反演方法展开探讨，并介绍其中几种常用的方法。

首先，我们来介绍一种基于太阳辐射的反演方法，即通过观测太阳辐射在大气中的衰减程度来推导气溶胶光学厚度。

该方法的基本原理是：利用太阳辐射的特定波段观测数据，与大气传输模型进行比对，通过比较模型计算的大气透过率和实际观测得到的透过率之间的差异，推导出气溶胶光学厚度。

这种方法的优点是简单且操作直观，但是需要准确的大气传输模型和太阳辐射观测数据。

另一种常用的反演方法是利用遥感数据中的多光谱信息进行反演。

这种方法利用多光谱数据中不同波长的光谱信息和气溶胶光学特性之间的关系，从而反演出气溶胶光学厚度。

常用的多光谱遥感数据包括MODIS卫星的数据和Landsat卫星的数据。

这种方法的优点是获取的数据较全面和准确，但是对大气参数和气溶胶光学特性的准确性要求较高。

此外，还有一些基于亮温数据的反演方法。

亮温是指地物在遥感图像中反射和辐射出的热能，不同的地物有不同的亮温值。

利用亮温数据可以推导出地表和大气的温度分布，从而推导出气溶胶光学厚度。

这种方法适用于全球遥感数据，但是对地表和大气温度的准确性有一定要求。

在不断深入研究中，一些新的反演方法也得到了发展。

例如，基于人工神经网络的反演方法。

通过训练神经网络，能够从遥感数据中学习到气溶胶光学厚度和其他大气参数之间的复杂非线性关系，从而实现准确的反演。

这种方法的优点是能够适应复杂的遥感数据，减少传统方法中的模型假设和参数要求，提高了反演的准确性。

综上所述，气溶胶光学厚度的遥感反演方法多样化且不断发展。

通过太阳辐射观测、多光谱数据分析、亮温数据推算和人工神经网络等方法，可以准确地反演出气溶胶光学厚度。

未来随着遥感技术的不断进步，反演方法将更加精细化和高效化，为大气污染和气候变化研究提供更加可靠的数据支持。

陆地气溶胶光学厚度反演原理与方法陆地气溶胶光学厚度遥感监测原理与方法大气气溶胶是由大气介质和混合于其中的固体或液体颗粒物共同组成的多相体系。

粒子的直径多在10-3～102μm之间。

气溶胶光学厚度指无云大气铅直气柱中气溶胶散射造成的消光程度，是大气遥感的重要指标，也是衡量大气污染的重要指标。

利用卫星遥感进行气溶胶监测主要有暗目标法（Kaufman et al,1988）、结构函数法(Tanréet al.,1988)、多角度偏振法(Herman et al,1997)等。

目前环境一号卫星CCD相机和超光谱相机的波段设置条件下，暗目标法可得到较好的应用，同时环境一号卫星CCD相机的高空间分辨率，为结构函数法的应用提供了可能。

由于环境一号卫星各相机的工作方式的（非偏振）限制，目前尚无法应用多角度偏振方法，环境一号后续星将加入偏振传感器。

1.暗目标法在可见近红外波段，传感器接收到的信号，既是气溶胶光学厚度的函数，又是下垫面地表反射率的函数。

当地表反射率很小时，卫星观测的辐射值主要是大气的贡献，能够提取大气气溶胶信息，暗目标法就是利用浓密植被地区红蓝波段的辐射值和气溶胶光学厚度的这种关系反演气溶胶光学厚度。

2.结构函数法对于高反射率地区，地表反射率较大，传感器测量的辐射值主要是地表的贡献项，对气溶胶的变化不再敏感，这时使用基于地表反射率的方法反演气溶胶光学厚度非常困难。

结构函数法是早期研究陆地污染气溶胶采用的卫星遥感算法。

该算法假设同一个地区一段时间内地表反射率是不变的，利用“清洁日”大气作为参考，反演“污染日”大气的气溶胶光学厚度。

利用结构函数法可以反演城市地区的气溶胶分布状况。

3.多角度偏振方法大气中的气溶胶和大气分子与入射太阳辐射相互作用，除了可以散射和吸收入射辐射，还可以使入射辐射发生偏振，卫星通过测量后向散射的偏振特性，可以得到气溶胶信息。

利用偏振信息进行气溶胶反演，具有受地表影响小、能够反演气溶胶物理性质的优势。

暗像元法反演气溶胶原理
暗像元法反演气溶胶原理
气溶胶是指微观粒子悬浮在大气中的细小液滴、固体粒子和它们的复合体。

这些微粒子对空气质量和天气的影响非常显著，因此对气溶胶的研究显得至关重要。

暗像元法（DARK）是一种用于实现气溶胶的光学探测的技术，其反演原理是基于独特的光学散射过程。

暗像元法反演气溶胶原理主要分为以下几个步骤：
1.制备样品
首先需要制备一个模拟真实大气环境的样品，以获得粒子分布情况。

样品制备的方法是根据实际大气中的分布数据来确定颗粒物的类型、大小和浓度，然后通过特定的技术手段将颗粒物分散到空气中。

2.测量样品的散射和透射特性
使用适当的仪器对样品进行测量，包括反射、散射、透射和吸收四个方向。

这些被测量的数据需要计算出本底散射信号，用于后续的暗像元法反演计算。

3.计算暗像元
暗像元法的独特之处在于它可以利用散射和透射信号的比值（R/T）来计算出暗像元。

暗像元指的是样品中一个离散物质的散射和透射的比值。

要计算暗像元，需要对样品中多个离散物质进行测量，并对信号
进行处理。

最终，计算出的暗像元将作为反演算法的输入参数。

4.反演大小和浓度
利用计算得到的暗像元和经验模型推算气溶胶的大小和浓度。

反演结果有两种形式：一种是把结果以图像的形式呈现出来，另一种是将结果以数值的形式输出。

反演的结果将有助于分析气溶胶的来源、成分和分布。

暗像元法反演气溶胶原理是基于光学散射计算的，并且具有高精度、非侵入性和实时性等优点，已逐渐成为研究气溶胶的主要手段之一。

利用 AVHRR 数据反演陆地气溶胶光学厚度高玲;张里阳;李俊;陈林;孙凌;李晓静【摘要】The moderate-resolution imaging spectroradiometer (MODIS)onboard NASA EOS Terra and Aqua satellites,advanced very high resolution radiometer (AVHRR)onboard NOAA series provide important aerosol measurements.MODIS provides atmosphere aerosol optical depth (AOD)product since 2000,and AVHRR also provides AOD product since 1981 but only over ocean.Developing AOD retrieval algorithm which can also obtain AOD from AVHRR over land is very important for establishing a long term AOD da-ta record for climate studies.As 2.1 μm band is absent,an algorithm which is different from MODIS is in-troduced to retrieve AOD over land from AVHRR.With this method,the surface target is assumed to re-main radiometrically invariant over a certain time period and some of observations are made under clear-sky background aerosol conditions.When background aerosol conditions are given,surface reflectance can be estimated by extracting the second minimum reflectance during the previous 22 days and the future 22 days.The second darkest reflectance is chosen to reduce cloud shadow contamination.After surface reflec-tance is selected,AOD is retrieved from a look up table (LUT)generated with the second simulation of the satellite signal in the solar spectrum (6S)radiative transfer model.The AOD over part of China (15°—45°N,75°—135°E)from AVHRR in 2009 is obtained based on this algorithm.The distribution pattern of AOD from this work is consistent withthat of MYDO04 from MODIS in North China and East China,but has some difference in Northwest China.The daily regional mean AOD from AVHRR in the Yangtze Delta (28°—36°N,112°—122°E)agrees well with MODIS AOD with all correlation coefficients larger than 0.5 for four seasons,even up to 0.8 in winter.The correlation coefficients are 0.70 in Beijing,0.63 in Xiang-he and 0.61 in Taihu when AOD from AERONET are used to validate the AVHRR AOD retrievals.To compare temporally varying AERONET data with spatially varying AVHRR,the time match window is limited within 30 minutes and the spatial distance is limited within 0.10.The monthly variation of AOD from AVHRR in the Yangtze River Delta is consistent with that from MODIS,but the former is larger. Error sources about this retrieving algorithm are also discussed,including different satellite zenith angles in the selected period,surface reflectance,aerosol types,background AOD,calibration and sensor noise and so on.According to these results,this algorithm has the potential for deriving long-term AOD climate data record over land from AVHRR although some uncertainties stillexist.Quality control and error char-acterization will be further investigated in the future.%开发 AVHRR 可见光通道反演陆地气溶胶光学厚度（AOD）的算法对于研究长时间序列 AOD 的变化有重要意义。

Aerosol Optical Depth Retrieval over Land Using MODIS Visible Bands Imagery 作者： 郭强[1] 唐家奎[1] 何文通[1] 田媛[1] 于新菊[1,2]
作者机构： [1]中国科学院大学,北京100049 [2]中国科学院遥感与数字地球研究所,北京100101
出版物刊名： 地理与地理信息科学
页码： 38-43页
年卷期： 2015年 第2期
主题词： 气溶胶光学厚度 遥感 MODIS 地表反射率
摘要：利用Herold等建立的地表反射率库及MODIS遥感影像研究城市区和非城市区典型地物在可见光红蓝波段地表反射率的比值特性。

在此基础上,利用MODIS 1km分辨率遥感影像红蓝可见光波段实现了气溶胶光学厚度的反演,采用卫星过境时间前后半小时北京和香河AERONET站的气溶胶光学厚度观测平均值作为验证参考。

结果显示,66.67%的反演结果处于±0.05±0.15τ的误差界限内,反演算法不受地表反射率的限制,而且只利用了可见光红蓝波段,避免缺少近红外波段数据的限制。

气溶胶定量遥感反演的方法气溶胶定量遥感反演技术是通过遥感卫星获取的气溶胶光学特性数据，结合气象和大气光学模型，利用数学方法反演出大气中气溶胶的浓度、粒径分布和透明度等信息的一种方法。

下面将详细介绍几种常用的气溶胶定量遥感反演方法。

1.基于比值法的反演方法：比值法是通过计算多个波段之间的比值来反演气溶胶光学厚度或光学透明度。

比值法的基本原理是假设大气的气溶胶光学特性在不同波段之间具有一定的关联性，通过计算不同波段之间的比值，可以消除大气气溶胶光学特性之间的差异，得到气溶胶的浓度信息。

比较常用的比值法有Blue-SWIR方法、Blue-Red方法和Red-NIR方法等。

2.基于反射率统计关系的反演方法：反射率统计关系是指大气底层和表面反射率之间的统计关系，基于这种关系可以反演出气溶胶的浓度和粒径分布。

该方法需要利用地表特征的反射率数据，通过建立气象和辐射传输模型，以及利用大量的地表反射率样本来建立反射率统计关系，从而反演出气溶胶的光学厚度和粒径分布。

3.基于颜色指数的反演方法：颜色指数是指在可见光和近红外波段之间的光谱变化指标，通过计算颜色指数可以反演出气溶胶的浓度和类型。

常见的颜色指数有NDVI（归一化植被指数）、SAVI（改进型土地覆盖指数）和EVI（增强型植被指数）等。

通过分析不同颜色指数之间的关系，可以反演出气溶胶的浓度和种类。

4.基于光谱反演和逆向传输模型的反演方法：光谱反演和逆向传输模型是指通过建立大气辐射传输模型，将遥感获取的多光谱数据与模型模拟的光谱进行比较，通过调整气溶胶的光学参数反演出气溶胶的浓度和透明度。

该方法需要利用气象和大气光学模型对大气辐射传输过程进行建模，然后通过数值计算的方法，反演出气溶胶的光学特性。

总的来说，气溶胶定量遥感反演方法有很多种，每种方法都有其适用的条件和限制。

不同的方法结合以及综合应用可以提高反演结果的准确性和可靠性，从而更好地满足对气溶胶浓度、粒径分布和透明度等信息的需求。

气溶胶光学厚度定义及相关因素大气气溶胶是指悬浮在地球大气中的具有一定稳定性，沉降速度小，尺度范围在10吗∥m到102“m之间的分子团、液态或固态粒子所组成的混合物。

气溶胶光学厚度(aerosol optical thickness—AOT)是气溶胶的光学属性之一，表示的是单位截面的垂直气柱上的透过率，有时候又叫大气混浊度，它是一个无量纲的正值拴1(DtlBois，2002)。

在有些文章里AOT也写为AOD(aerosol optical deepness)。

数值范围在0’1之间，0代表完全不透明大气，1代表完全透明的大气，气溶胶光学厚度越大，大气透过率越低。

值的大小主要由气溶胶质粒的数密度、尺度分布、气溶胶类型等物理、光学属性来决定。

下面我们就根据近年南海北部海域的气溶胶光学厚度来深度了解气溶胶的相关学问。

此图是三亚湾口实验站气溶胶光学厚度随时间的变化曲线，可看出该站点单日内10~15时气溶胶的数值变化非常明显，以870nm波段为例，11时左右气溶胶光学厚度值最小为0.132，11时后气溶胶的光学厚度逐渐增大，13:00是左右达到最大值为0.247，而后光学厚度的值又有所下降，全天平均光学厚度的均值为0.189。

分析其他站位的数据，发现几乎所有站位的气溶胶的光学厚度的值日变化都非常明显，并且大多数站的数据与图中的变化趋势类似，两拨动变化，一些站位的曲线还出现了多个波峰波谷，870nm波段最小值可达0.1，最大值可达0.6。

这说明南海上空大气变化较快，气溶胶光学厚度的值变化比较剧烈。

这张12天日平均光学厚度随波长的变化关系，可以看出南海北部海域的气溶胶人平均光学厚度位于0.2~0.6之间，只有9月9、14日得光学厚度明显高于这个范围，27日数值则偏低，结合原始气象数据发现，其数据受到云量和风速的影响都会偏大。

总体而言，日平均光学厚度较集中在0.2~0.9之间，日平均光学厚度随波长的增加而减小。

而根据以下两张图我们可以更加清楚的看到风速对气溶胶光学厚度的影响，如下图中“14日三亚湾口站位气溶胶光学厚度”可看出随着风速的增大，气溶光学厚度呈上升趋势，风速越大，上升趋势就越明显，而相较17日图中光学厚度与风速的变化没有明显的关系，随着风速的增大，有些波段的气溶胶光学厚度甚至出现了降低的现象，结合当时原始记录，我们可发现风从海南岛方向吹来，较多陆源的沙尘、污染物等物质被输送到观测粘上空，从而引起气溶胶浓度分布的变化，导致光学厚度增大。

气溶胶反演气溶胶反演方法利用环境小卫星多光谱数据反演：方法一：1. 利用SPSS计算出大气光学厚度与大气参数（ρ（大气的路径辐射项等效反射率）、S（大气下界的半球反射率）、T(μs )T(μv)(大气上行下行透过率)）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，得到大气光学厚度。

2. 构建查询表利用6S模型构建气溶胶光学厚度查询表，输入参数为：太阳天顶角，气溶胶模式，550nm波长处气溶胶光学厚度的等级，查找表计算的波段（第一和第三波段），海拔高度。

3. 数据预处理（1）重采样，为了加快运算速度和提高信噪比；（2）辐射定标，将图像的DN值转化为表观反射率。

4. 结果反演根据获得的表观反射率计算出NDVI（用于识别暗目标），利用获得的太阳高度角对查找表进行插值，得到要计算波段的不同大气光学厚度下的大气参数：ρ0、S、T(μs)T(μv)。

5. 图像平滑与成图输出在获得大气光学厚度后，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，制成专题图。

方法二：1.对要反演气溶胶光学厚度的卫星图像惊醒地理和辐射率校正2.然后用MODTRAN模型模拟生成τ（气溶胶光学厚度）和ρ（地表反射率）的查找表3.接着判断卫星观测到的地表像元反射率Lobs与MODTRAN模拟的大气总辐射Ltotal是否相等。

4.如果不等，就改变ρ，再用MODTRAN重新计算Ltotal，再判断是否相等。

5.如果相等，则根据ρ和τ的关系曲线，由反演出的地表反射率ρmap，计算到气溶胶光学厚度分布τmap。

利用环境小卫星高光谱数据反演：方法：1.选择用于反演的波段2.假设利用某种气溶胶模式条件下，计算红波段和近红外波段表观反射率，不考虑临近效应影响。

大气散射在可见—近红外波段影响是比较大的，在可见波段影响最大，其次是近红外波段，在中波红外接近于零，因此，在利用近红外波段反演气溶胶光学特性之前，可以在清洁大气的假设下利用6S或者MODTRAN辐射传输模型进行大气校正。

基于MODIS数据的气溶胶光学厚度遥感反演及灰霾关联性分析谢元礼1管理1高志远1黄永红2黄帅1蒋广鑫1（1.西北大学城市与环境学院陕西西安7101272.西安星测数码信息技术有限公司陕西西安710054）摘要：基于MODIS L1B数据，利用暗像元法和6S模型，对西安地区2014年10月5日至2014年10月12日一次典型灰霾期间的气溶胶光学厚度进行了反演，并对反演结果进行了验证分析，研究了气溶胶光学厚度与灰霾的关联性。

研究表明，反演方法具有一定的可行性，气溶胶光学厚度与空气质量指数具有较强的关联性，可以通过气溶胶光学厚度的遥感反演来研究灰霾的时空迁移特性。

关键词：气溶胶遥感反演灰霾时空变化基金项目：陕西省自然科学基础研究计划（2017JM4035）1引言辐射在介质中传播时，被大气中固体或液体小质点形成的气溶胶散射、吸收而削弱，气溶胶光学厚度（aerosol optical depth，AOD）或（aerosol optical thickness，AOT）指一段路径上消光系数的积分，是大气气溶胶的重要光学特性，是反映大气污染状况的指标。

根据使用遥感数据的不同，气溶胶光学厚度反演的算法可以分为结构函数法、单通道算法、多角度多通道算法、偏振方法等。

暗像元算法属于多通道算法，经过多年的发展和改进已经成为气溶胶光学厚遥感反演的普遍方法。

由于植被覆盖较好的地区，地表反射率较低，该方法常被用于陆地区域的环境研究[1-6]。

电磁波进入大气后，一方面其路径方向多，另一方面其与介质和下垫面作用变化情况也复杂，因此同其他遥感反演模型一样，暗像元算法同样不具有地域的普适性[6]，对于西安或关中地区的适用性以及反演结果与空气质量的关联性有必要进行探索。

西安作为中华古都文化国际旅游目的地，空气质量在全国重点区域及74个城市空气质量状况排名中常处于后10名。

在针对西安地区的大气污染研究中，大多集中在利用地面观测数据对西安地区的气溶胶特性进行对比分析[7][8]，也开始利用遥感数据产品MODIS-AOD来研究西安地区及关中盆地气溶胶的时空变化[9]，但是利用气溶胶遥感反演的方法进行灰霾天西安地区的污染物空间格局变化研究较少。

第2章 气溶胶光学厚度反演的原理和方法气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth ）简称AOD ，定义为介质的消光系数在垂直方向上的积分，描述的是气溶胶对光的消减作用[7]。

它是气溶胶最重要的参数之一，表征大气浑浊程度的关键物理量，也是确定气溶胶气候效应的重要因素。

通常高的AOD 值预示着气溶胶纵向积累的增长，因此导致了大气能见度的降低。

现阶段对于AOD 的监测主要有地基遥感和卫星遥感两种方法。

其中地基遥感又有多种形式：多波段光度计遥感、全波段太阳直接辐射遥感、激光雷达遥感等。

其中多波段光度计遥感是目前地基遥感研究中采用的最广泛的方法。

美国NASA 和法国LOA-PHOTONS 联合建立的全球地基气溶胶遥感观测网AERONET 所使用的就是多波段太阳光度计（Sun/SkyPhotomerers ），在全球共布设1217个站点长期观测全球气溶胶的光学特性，积累了大量的AOD 数据，并用作检测气溶胶光学厚度反演精度的标准。

而近年来卫星遥感技术的快速发展，多种传感器被用来研究气溶胶特性，加上经济发展带来的大气污染问题使得利用卫星遥感资料反演AOD 成为热门课题。

2.1 气溶胶光学厚度反演的基本原理大气光学厚度是指沿辐射传输路径单位截面上气体吸收和粒子散射产生的总消弱，是无纲量值。

在可见光和近红外波段，它可以由下列公式计算得出：)()()()()()(a 21m λτ+λτ+λτ+λτ+λτ=λτμωω (2-1)其中)(λτ表示大气总的光学厚度，)(m λτ表示整层大气的分子散射光学厚度，)(1λτω表示氧气的吸收光学厚度，)(2λτω表示臭氧的吸收光学厚度，)(λτμ表示水汽的吸收光学厚度，)(a λτ表示气溶胶光学厚度[21; 22]。

卫星遥感反演大气气溶胶是利用卫星传感器探测到的大气顶部的反射率，也称为表观反射率，可以表示为[23]：F /L s s *μπ=ρ (2-2)其中，L 表示卫星传感器探测到的辐射值，F s 表示大气上界太阳辐射通量，μs 表示太阳天顶角θs 的余弦值。

专利名称：基于高光谱图像的气溶胶光学厚度反演方法
专利类型：发明专利
发明人：李传荣,王宁,刘耀开,马灵玲,高彩霞,钱永刚,王新鸿,朱博
申请号：CN201410222395.X
申请日：20140523
公开号：CN104279967A
公开日：
20150114
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供了一种基于高光谱图像的气溶胶光学厚度反演方法。

该气溶胶光学厚度反演方法通过选择高光谱连续波段中对气溶胶光学厚度AOD比较敏感的波段，将气溶胶光学厚度AOD作为未知量引入到反演过程中进行求解不需要从图像中选取暗目标就能够反演气溶胶光学厚度AOD，适用于不同地表类型覆盖区域的气溶胶光学厚度AOD反演。

申请人：中国科学院光电研究院
地址：100094 北京市海淀区邓庄南路9号
国籍：CN
代理机构：中科专利商标代理有限责任公司
代理人：曹玲柱
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