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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。
MODIS气溶胶光学厚度空气污染指数的关系研究随着我国国民经济迅速发展，城镇化加速，城市化进程中的问题也随之显现。
同时随着生活质量的提高，空气污染问题日益受到民众的重视。
本文试图利用MODIS遥感卫星数据得到的气溶胶光学厚度（AOT），以及由地面检测得到的空气污染指数（API）数据，分析两者之间的关系，对两者进行回归分析，建立两者之间的回归模型，最终可以由遥感得到的AOT数据计算得出地面API的数据。
由于AOT数据会受到气象因素和季节的影响，在建立回归模型的过程中，会分季节建立回归模型并引入一些主要的气象因子（风速、气压）对回归模型进行校正，以期获得较好的回归模型。
通过研究可以得到结论如下：1.没有气象因子参与时，夏季和秋季的拟合精度相对较高，分别为0.7215和0.6693。
2.考虑了气压和风速后，对模型精度提高显著，其中秋季和冬季的拟合精度都可以达到0.7258。
3.对气象要素分组后发现，在气压低于1010hpa的情况下，模型的预测精度相对较高，可达0.7349。
1.1相关概念简介1.1.1 MODIS简介从1991年起，美国NASA启动了为期20年的地球观测系统(EOS)计划。
在这个计划中，把区域性地表覆盖变化的趋势和模式、人类活动影响的观测分析、全球初级生产力动态变化以及自然灾害监测研究等作为长期地球环境变化研究的重要内容。
MODIS ( Moderate Resolution Imaging Spectrometer，中等分辨率成像光谱仪)是EOS计划中重要的传感器，现已搭载于两颗EOS卫星上（TERRA 卫星和AQUA卫星），于2000年上半年开始进行数据服务。
TERRA卫星是装载有MODIS传感器的极地轨道环境遥感卫星，发射于1999年12月18日。
TERRA卫星从北京地区上空的过境时间，一般在10:30 (北京时)之间，并呈周期变化。
它的地面重复周期为16天(即16天后卫星将于地方时的同一时间出现在同一地点的上空)。
利用MODIS数据反演大气AOD及PM2 .5浓度空气质量是人们生活中的重要问题，特别是在一些大城市，PM2.5浓度高的情况经常发生，导致了严重的健康问题。
因此，对于大气PM2.5浓度的监测和预测就显得尤为重要。
近年来，利用遥感技术反演大气PM2.5浓度的方法越来越受到关注，这种方法的优点是可以获取全球范围内的PM2.5数据，具有实时性和全面性，可以更好地开展大气环境管理工作。
本文主要介绍利用MODIS数据反演大气AOD及PM2.5浓度的方法。
一、MODIS数据简介MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）是由美国宇航局（NASA）和国家航空航天局（NOAA）合作设计并发射的一种用于地球观测的卫星传感器。
它的主要任务是提供高分辨率、全球性、高时空分辨率的遥感数据，为全球大气、海洋和陆地环境监测提供支持。
MODIS传感器包含36个波段，覆盖范围包括可见光、近红外和红外波段。
MODIS数据是用于大气、海洋、陆地和冰盖研究的主要遥感数据之一，已经成为全球监测与预测大气和海洋轨迹、地表覆盖变化等研究的重要工具。
二、大气AOD反演方法大气AOD（大气消光系数）是指在大气中传播的光线在一定路径上能量损失的程度，是一个衡量大气透明度的指标。
通过对AOD的反演，可以得到某一航迹上特定时刻的大气光学厚度，从而可以估算出大气中颗粒物的浓度。
目前，主要的AOD反演方法有两种：基于空间变化模型的方法和基于统计模型的方法。
基于空间变化模型的反演方法主要是基于能见度和光学理论，利用空间变化的模型来研究AOD的反演。
这种方法基于空间密集的监测站点，利用气象观测数据、大气动力学模型和光学研究，通过统计学分析来估算出大气AOD。
这种方法需要高空间密度的监测台站，但是可以估算出时空分布更为准确的AOD数据。
基于统计模型的反演方法是利用遥感数据和实地监测数据，通过建立统计模型来真实地估算AOD。
MODIS影像气溶胶反演一、MODIS 影像的辐射校正在ENVI 5.0中打开MODIS影像的HDF文件就已经做了辐射校正，打开HDF文件的方法是File---->Open As---->EOS---->MODIS打开后在数据列表中可以看到三个文件，第一个是发射率Emissive(band20-band36)，第二个是辐射率Radiance(band1-band26),第三个是反射率Reflectance(band1-band26)，如图所示。
二、几何校正2.1 发射率文件的几何校正(1)Georeference MODIS 工具ENVI5.0下有对特定传感器进行几何校正的工具，其中就有专门针对MODIS数据的几何校正， Geometric Correction——>Georeference by sensor——>Georeference MODIS(2)选择发射率文件(3)Georeference MODIS 参数设置Georeference MODIS Parameters对话框中，选择投影信息见图，其中要注意保存GCP控制点以及对MODIS影像做双眼皮去除(在MODIS 1 B图像中,存在着重叠现象,俗称“双眼皮”现象(bow-tie effect) ,严重地影响着MODIS图像的应用)，然后点击OK。
(4)发射率几何校正参数设置Registration Parameters对话框中，注意分辨率是1000(默认)选择保存路径点击OK即可。
(5)发射率几何校正结果2.2 反射率文件的几何校正(1)Wrap from GCPs:Image to Map Registration 工具发射率文件几何校正之后，可以利用导出的GCP控制点来校正其他文件。
在工具箱中找 Geometric Correction——>Registration——>Wrap from GCPs:Image to Map Registration 工具。
利用MODIS资料反演北京及其周边地区气溶胶光学厚度的方法研究一、概括本文针对北京及其周边地区的气溶胶光学厚度（AOD）进行了研究，探讨了利用MODIS（MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer）资料反演AOD的方法。
气溶胶是大气中粒径小于或等于微米的颗粒物，对环境、气候和人类健康具有重要影响。
AOD 是衡量气溶胶光学特性的重要参数，可反映气溶胶的分布、浓度和谱分布等信息。
文章首先介绍了大气气溶胶的基本概念和重要性，然后分析了几种常见的MODIS AOD反演方法，包括辐射传输模型（ATM）、神经网络模型、经验统计方法和遥感影像融合技术。
对这些方法进行了简要评述，并提出了研究中需要解决的关键问题和技术难点。
通过实际观测数据和对比分析，验证了所提出方法的准确性和可行性。
1.1 研究背景与意义随着社会的快速发展，大气污染问题日益凸显，尤其是气溶胶粒子的污染。
气溶胶粒子不仅影响太阳辐射的吸收和散射，还对人类健康、气候变化等产生重要影响。
准确、实时地了解大气气溶胶光学厚度（AOD）对于大气污染监测、气候变化研究和环境评估具有重要意义。
遥感技术在大气污染监测领域得到了广泛应用，尤其是利用MODIS（MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer）数据反演气溶胶光学厚度。
MODIS是 NASA 下属的地球观测与地球系统实验室（EOS），具有高时间分辨率和高空间分辨率的遥感数据。
通过 MODIS 数据反演气溶胶光学厚度，可以为政府和相关部门提供有力的决策支持。
北京及其周边地区作为中国的政治、经济和文化中心，以及重要的交通枢纽，大气污染物排放量大，气溶胶光学厚度时空变化复杂。
研究该地区气溶胶光学厚度的分布特征、影响因素及其对大气污染的影响，对于深入理解区域大气污染机制、制定科学合理的大气污染治理措施具有重要意义。
1.2 MODIS资料的特点与优势高时间分辨率：MODIS数据具有一天内多次更新的潜力，为捕捉气溶胶光学厚度的变化提供了便利。
利用MODIS的L1B数据反演气溶胶的流程如下反演气溶胶的流程主要包括以下几个步骤：1.数据预处理在反演之前，需要对MODIS的L1B数据进行预处理。
预处理的主要目标是去除地表反射和大气效应，从而得到大气透过度（transmittance）的估计。
首先，需要获取MODIS的L1B数据，包括红外和可见光的辐射数据。
然后，根据MODIS的观测参数和大气传输模型，去除地表反射和大气效应，得到大气透过度的估计。
2.运用反演算法根据获取的大气透过度的估计，通过合适的反演算法来计算气溶胶的光学厚度（optical depth）。
常用的反演算法包括逐像元反演、多角度反演和辐射传输模型反演等。
逐像元反演主要利用可见光波段的数据，根据大气散射和吸收的光谱特征，计算气溶胶的光学厚度。
多角度反演利用不同方向的观测数据，根据气溶胶在不同观测角度下的散射特征，计算气溶胶的光学厚度。
辐射传输模型反演是模拟辐射传输过程，通过与实测数据的比较，调整模型参数，最终得到气溶胶的光学厚度。
3.雾化比例得到气溶胶的光学厚度后，还需要计算气溶胶的雾化比例（aerosol fraction）。
雾化比例描述了气溶胶的粒径和分布情况。
雾化比例可以通过计算不同波段的辐射比值来获得。
对于非球形粒子的气溶胶，雾化比例通常与气溶胶光学厚度呈负相关。
4.结果验证最后，需要对反演结果进行验证。
验证的方法包括与地面测量数据的比较、与其他遥感数据的对比以及利用气象模型进行验证等。
与地面测量数据的比较可以评估反演结果的准确性。
与其他遥感数据的对比可以验证反演结果与其他参数的关系。
利用气象模型进行验证可以评估反演结果的适用性和稳定性。
总结起来，利用MODIS的L1B数据反演气溶胶的流程主要包括数据预处理、反演算法应用、雾化比例计算和结果验证。
这一流程可以提供气溶胶的空间分布、光学性质等重要信息，为气溶胶的研究和应用提供支持。
高分一号数据的气溶胶光学厚度反演和验证许研;张炜;司一丹;李莘莘【摘要】针对高分辨率卫星遥感反演气溶胶光学厚度地表噪声难以分离的问题,利用国产“高分一号”(GF-1)的数据特点,提出了一种气溶胶光学厚度反演方法和处理流程.该方法分别基于暗像元和深蓝算法去除了浓密植被和城市亮目标地区的地表贡献,并应用于我国污染较为严重的京津冀、长三角、珠三角等示范区域.利用北京、杭州、香港AERONET地基观测数据,对GF-1反演得到的气溶胶光学厚度进行验证,结果表明:气溶胶高值均集中在三大区域工业排放大和人类活动密集的核心城市,年均光学厚度值在1左右.卫星和地基的相关性总体较好,三大区域的相关系数分别达到了0.71、0.55、0.54.受云识别、亮地表覆盖和气溶胶模式假设等影响,GF-1反演的气溶胶光学厚度存在一定程度的偏差.【期刊名称】《遥感信息》【年(卷),期】2016(031)005【总页数】6页(P60-65)【关键词】高分一号;暗像元算法;深蓝算法;气溶胶光学厚度;反演;AERONET【作者】许研;张炜;司一丹;李莘莘【作者单位】安阳工学院计算机科学与信息工程学院,河南安阳455000;中国科学院遥感与数字地球研究所遥感科学国家重点实验室,北京100101;安阳工学院计算机科学与信息工程学院,河南安阳455000;中国科学院遥感与数字地球研究所遥感科学国家重点实验室,北京100101;中国科学院遥感与数字地球研究所遥感科学国家重点实验室,北京100101;中国科学院遥感与数字地球研究所遥感科学国家重点实验室,北京100101【正文语种】中文【中图分类】P208气溶胶是指均匀分散于大气中的固体微粒和液体微粒所构成的稳定混合体系。
气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth，AOD)代表了整层大气内气溶胶颗粒物对可见光的衰减，是垂直方向上消光系数的积分。
尽管气溶胶在大气中的含量相对较少，但它在大气过程中所起的作用却不容忽视，影响着地球的气候和生态系统，导致地面能见度下降、空气质量恶化，并对公众健康造成威胁[1]。
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。
MODIS气溶胶光学厚度反演的西安市颗粒物浓度研究郑俊;杨志强;张凯南;高旺旺【摘要】利用Terra卫星携带的传感器MODIS卫星遥感数据,基于暗像元法反演具有1 km分辨率的气溶胶光学厚度(AOD)产品,并进行精度对比验证工作.再利用ECMCF分析资料中的边界层厚度和相对湿度分别进行垂直订正和湿度订正,建立MODIS气溶胶光学厚度与地面颗粒物浓度间的关系模型.实验选取陕西省西安市为研究区域,获取西安地区2017年气溶胶分布图及AOD与颗粒物浓度的关系模型.结果表明:MOD02反演结果与NASA提供的MOD04气溶胶产品具有很高的一致性,相关系数达到0.88,具有非常显著的相关性;MODIS光学厚度与地面PM2.5、PM10浓度的直接相关性较差,经过湿度订正与垂直订正后得到的相关性进一步提高,相关系数达到0.71、0.62,可用于估算地面颗粒物浓度并监测区域环境空气质量.【期刊名称】《测绘工程》【年(卷),期】2018(027)012【总页数】6页(P19-23,30)【关键词】MODIS;大气颗粒物浓度;垂直订正;暗像元反演;湿度订正;气溶胶光学厚度【作者】郑俊;杨志强;张凯南;高旺旺【作者单位】长安大学地质工程与测绘学院 ,陕西西安 710054;长安大学地质工程与测绘学院 ,陕西西安 710054;长安大学地质工程与测绘学院 ,陕西西安710054;长安大学地质工程与测绘学院 ,陕西西安 710054【正文语种】中文【中图分类】P228大气气溶胶是指大气中的固体和液体微粒与气体载体共同组成的多相体系，大气气溶胶可以影响地球的辐射收支平衡和温室气体的浓度和分布，同时气溶胶的大量存在会严重污染大气质量进而影响人类健康[1-2]。
气溶胶作为大气辐射和大气光学中的重要物理量，一定程度上表征了整层大气中颗粒物的浓度和光学特性。
流行病学研究表明，PM10或PM2.5浓度(空气动力学直径分别小于10 μm或2.5 μm)与公共疾病、呼吸系统疾病和心血管疾病死亡率密切相关，PM浓度已成为衡量大气污染程度的重要指标，受到世界各国环保、卫生、科学等行政管理部门的重视。
基于MODIS数据的安徽省气溶胶光学厚度及其时空变化分析作者：蒋旭霞方刚邓大保朱锋曹时成来源：《山西能源学院学报》2020年第04期【摘要】本文以2018年3月到9月的Aqua/MODIS MYD02七景影像作为数据源，以安徽省为研究区，采用暗像元法和6S大气辐射传输模型对安徽省气溶胶光学厚度进行反演，将Aqua -MYD04_L2气溶胶产品与反演的AOD进行精度验证，并对其时空变化进行分析。
研究结果表明：①3、4、5、8月份的大气光学厚度数值偏低，6、7、9月份的大气光学厚度数值偏高。
②AOD值自北向南呈“低-高-低”趋势，皖南和皖北（较皖中）的AOD数值明显偏低。
③反演的AOD数据空间分辨率较高，与Aqua -MYD04_L2气溶胶产品反演结果基本一致，二者相关系数为0.96。
【关键词】遥感;气溶胶光学厚度;MODIS数据;时空变化分析【中图分类号】 P237 【文献标识码】 A【文章编号】 2096-4102（2020）04-0097-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：1引言近年来，运用遥感影像反演气溶胶光学厚度已成为高效、便捷获取气溶胶光学厚度的一种重要方法。
气溶胶是指大气中悬浮粒径在0.001μm到100μm之间的固态或液态颗粒物的总称。
Kaufman等研究成果表明，MODIS遥感气溶胶产品达到一定精度，可用来反映气溶胶区域分布，且气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）可用来反映地面空气质量;气溶胶浓度与空气质量息息相关，且大气中的气溶胶浓度随时间和空间变化较大。
2研究区概况安徽省（114°54′～119°37′E，29°41′～34°38′N）位于华东腹地，北临山东，南临江西，东临江苏与浙江，西临湖北和河南，辖16个省辖市、7个县级市、54个县、44个市辖区和4个国家级高新区，总面积为14.01万平方公里。
利用MODIS卫星资料反演北京地区气溶胶光学厚度杨东旭;韦晶;钟永德【摘要】大气气溶胶是影响城市环境空气质量的重要因素,同时对人类健康具有重要影响.传统的气溶胶遥感反演方法多适用于海洋及植被等地表反射率较低的区域,对于城市等高亮地表区域,地表反射率较高且难以确定,气溶胶反演面临巨大挑战.针对该问题,提出一种新的地表反射率的确定方法,将下垫面划分为暗地表和亮地表两种类型,分别使用可见光与短波红外的线性关系和利用长时间序列MODIS表现反射率数据使用最小值合成技术构建先验数据集的方法,确定其地表反射率,然后基于辐射传输方程理论利用查找表方法,进行气溶胶光学厚度反演.选择下垫面复杂、空气污染问题严重的北京市作为研究区,应用MO-DIS数据进行气溶胶反演实验,最后使用北京站、香河站、北京CAMS站和北京RADI站4个AERONET气溶胶地基观测数据和MODIS气溶胶产品对反演结果进行对比验证.结果表明该算法气溶胶反演结果与地基观测数据具有较高的一致性(R2 =0.902),能以较高精度实现城市等高反射率地区的气溶胶反演,反演精度与空间连续性上较MOD04有显著提高.【期刊名称】《光谱学与光谱分析》【年(卷),期】2018(038)011【总页数】6页(P3464-3469)【关键词】气溶胶光学厚度;高亮地表;城市地区;MODIS;AERONET【作者】杨东旭;韦晶;钟永德【作者单位】中南林业科技大学旅游学院,湖南长沙410004;浙江旅游职业学院,浙江杭州311231;北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院,北京100875;清华大学地球系统科学系,北京 100084;中南林业科技大学旅游学院,湖南长沙410004【正文语种】中文【中图分类】P405引言大气气溶胶是指悬浮在大气中尺度范围约为10-3～102 μm的固态、液态微粒与气态载体共同组成的多相体系。
气溶胶对太阳辐射的吸收和散射，直接影响大气辐射平衡，不仅对局部地区生态环境、全球气候变化产生重要的影响，而且能够直接危害人体健康[1-2]。
《MODIS气溶胶光学厚度产品在地面PM10监测方面的应用研究》篇一一、引言随着工业化和城市化的快速发展，空气质量问题日益突出，其中颗粒物（PM）污染成为关注的焦点。
PM10作为颗粒物污染的重要指标之一，其浓度的准确监测对于环境保护和公众健康具有重要意义。
传统的地面PM10监测方法虽然具有一定的准确性，但存在空间覆盖范围小、成本高等问题。
近年来，遥感技术为PM10的监测提供了新的手段，其中MODIS（中分辨率成像光谱仪）气溶胶光学厚度产品以其高时空分辨率和广覆盖范围的特点，在地面PM10监测方面展现出巨大的应用潜力。
本文旨在研究MODIS气溶胶光学厚度产品在地面PM10监测方面的应用，为空气质量监测和治理提供科学依据。
二、MODIS气溶胶光学厚度产品概述MODIS是搭载在卫星上的遥感仪器，能够获取地球表面及大气层的信息。
气溶胶光学厚度是描述大气中气溶胶粒子对光的散射和吸收能力的物理量，与颗粒物的浓度密切相关。
MODIS气溶胶光学厚度产品通过遥感技术获取，具有高时空分辨率和广覆盖范围的特点，能够为地面PM10的监测提供有力的数据支持。
三、MODIS气溶胶光学厚度产品在地面PM10监测中的应用1. 数据获取与处理本研究首先从MODIS网站获取所需的气溶胶光学厚度产品数据，然后进行预处理，包括数据格式转换、投影转换、去云去噪等操作，以获得高质量的数据。
2. 模型构建与验证基于MODIS气溶胶光学厚度产品数据，构建地面PM10浓度的反演模型。
通过对比地面PM10实测数据与模型预测结果，验证模型的准确性和可靠性。
3. 结果分析根据模型预测结果，分析MODIS气溶胶光学厚度与地面PM10浓度的关系。
通过对比不同地区、不同时间的气溶胶光学厚度和PM10浓度数据，探讨其空间分布和时间变化规律。
四、实验结果与讨论1. 实验结果实验结果表明，MODIS气溶胶光学厚度产品能够有效地反映地面PM10的浓度变化。
通过构建反演模型，可以实现地面PM10浓度的快速预测。
基于MODIS数据的北京气溶胶光学厚度(AOD)遥感反演发布时间：2021-06-17T14:03:25.527Z 来源：《基层建设》2021年第7期作者：程卫华[导读] 摘要：以近年来中国空气污染最严重的地区之一北京作为研究区域，采用目前较为成熟的气溶胶光学厚度（AOD）遥感反演研究方法-暗像元算法为依托，选取天气比较晴朗MODIS卫星遥感影像作为研究区域的数据源，进行气溶胶光学厚度遥感反演研究。
重庆交通大学重庆 400000摘要：以近年来中国空气污染最严重的地区之一北京作为研究区域，采用目前较为成熟的气溶胶光学厚度（AOD）遥感反演研究方法-暗像元算法为依托，选取天气比较晴朗MODIS卫星遥感影像作为研究区域的数据源，进行气溶胶光学厚度遥感反演研究。
结果显示，暗像元算法可以较好的完成对于气溶胶光学厚度的监测，反演出某一时刻北京市的气溶胶光学厚度，从而一定程度上反应某一时刻北京市大气污染状况。
关键词：气溶胶；AOD；北京；暗像元算法；MODIS0前言近年来全国各地频现的雾霾天气，不但制约和影响着我们国民经济的发展, 更威胁着我们每个人的生命健康。
气溶胶是雾霾形成的基础和前提，人类活动排放的污染物中包括直接排放的气溶胶和各种气态污染物，通过光化学转化，这些物质可形成二次气溶胶，这就使得危害人体健康的细颗粒物PM2.5的浓度进一步升高。
目前我国大气环境常规监测手段仍是通过建立地面监测站的方式，我国幅员辽阔，想要监测大区域尺度的空气质量状况，实现区域、全球的大气环境质量监测，显然现有的地面监测站的数量远不能满足需求[1]。
卫星遥感监测手段为我们提供了天地一体化的监测体系，卫星遥感在大气环境监测方面具有广覆盖、连续性、空间性和预测性的独特优势，能够在更大尺度的空间范围内快速、实时、准确地获取大气环境状况。
气溶胶光学厚度是气溶胶胶体的重要光学特征，通过对气溶胶光学厚度的反演，建立其和地基空气质量监测的PM2.5浓度的关系模型，可以获得大尺度区域的近地表PM2.5的浓度[2]，弥补了地基空气质量监测中由于地面监测站的数量有限而无法监测大范围区域空气质量指标的不足。
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。
利用MODIS遥感数据进行气溶胶反演研究雾霾现象是影响大气气候和环境质量的一个重要因素。
这些雾和霾都是悬浮在大气中的气溶胶粒子，混浊度是其主要光学性质之一，可用光学厚度来表征。
现阶段，对气溶胶光学厚度的监测多是基于地面气象站点的实测数据。
实测数据多是以点监测为主，无法测得气溶胶的范围和变化趋势。
随着遥感技术的发展，特别是气溶胶遥感技术的发展和革新，给气溶胶卫星监测提供了技术依据。
利用卫星数据资料可以实现气溶胶的面监测，通过多期数据的分析比较能实现变化趋势研究。
论文在深入分析气溶胶反演的理论和方法的基础上，利用北京及周边地区的MODIS卫星遥感影像资料进行了气溶胶反演的实验验证。
文中主要研究内容和结果如下：(1)遥感数据的选择。
由于MODIS数据具有较高的光谱分辨率和时间分辨率，而且对外免费开放下载，具有较好的经济适用性，所以本文选择以MODIS影像作为实验基础数据。
(2)大气模式的选择。
在气溶胶的反演的过程中，大气模式参数与气溶胶模型参数的设定影响反演的精度。
通过实验研究，选择用6S模式模拟大气模式参数和气溶胶模型，能够提高反演精度。
(3)根据气溶胶反演的理论基础，在反演过程中需要建立地表反射率与气溶胶光学厚度之间的定量关系。
论文基于暗像元法估算地表反射率，并进一步根据6S模式模拟通过IDL语言编程实现了与气溶胶光学厚度相关的七参数对应关系的计算，利用这种七参数对应关系可以实现气溶胶光学厚度的反演。
(4)利用MODIS影像数据对北京及其周边地区的气溶胶光学厚度分布进行了反演实验，通过AERONET已知数据对反演结果进行了精度验证，并进一步根据7期数据的反演结果完成了气溶胶光学厚度分布的变化趋势分析。
实验结果表明，利用MODIS数据根据暗像元法以及6S大气模式能够很好的反演出陆地上空的气溶胶光学厚度。
这为城市地区快速监测大气污染提供了经济适用的方法。
Retrieval, Validation of High Resolution MODISAerosol Optical DepthsWei Chen, Lei Yan, Hongzhao Tang Institute of Remote Sensing and GISPeking UniversityBeijing, Chinawchen@Chengcai Li School of Physics Peking University Beijing, China ccli@Abstract—Atmospheric correction plays an important role in quantitative application of remote sensing images. And aerosol particles are the most uncertain factor in atmospheric correction. NASA has been distributing 10km resolution Aerosol Optical Depths (AOD) product for most area of globe since 2000 after the launching of MODIS. And this AOD product has been applied to image atmospheric corrections. However, aerosol varies tremendously and 10km resolution AOD product may not be adequate in atmospheric correction of local scale. For correcting images more accurately, we retrieve 1km resolution AOD product with MODIS operational algorithm. The result demonstrates that the two product prove to be similar in large scale but 1km resolution AOD product could be able to illustrate the dramatic variations of local scale while 10km resolution AOD product could not.Keywords-MODIS;AOD;Retrieve;Atmospheric CorrectionMODIS高分辨率气溶胶光学厚度反演及验证陈伟1，晏磊1，李成才2，唐洪钊11.北京大学遥感与地理信息系统研究所，北京，中国，1008712.北京大学物理学院，北京，中国，1008711.wchen@,2. ccli@【摘要】遥感影像的大气效应校正是影响其定量化应用的重要环节。
大气中的气溶胶颗粒是大气校正中最不确定因子。
目前NASA已经利用MODIS发布全球绝大部分地区10km分辨率的AOD（Aerosol Optical Depths）产品，并已经广泛应用在遥感图像的大气校正中。
但是气溶胶在空间变化较大，10km分辨率的AOD产品在进行小尺度地区大气校正上尚有一定的缺陷。
为了更好更精确地进行大气校正，本文利用MODIS气溶胶业务化算法反演了1km分辨率的AOD产品。
结果显示，两者在宏观上趋势相同，但1km分辨率的AOD产品更能表达局部的气溶胶的剧烈变化。
【关键词】MODIS；AOD；反演；大气校正1 引言大气气溶胶通过指悬浮于大气中的微小粒子，粒径范围可以从0.001到100μm。
大气气溶胶对地球表面辐射收支平衡有着重要影响[1]。
目前卫星遥感使得全球大气气溶胶监测成为可能[2]。
目前NASA每天提供全球绝大部分地区的10Km分辨率的AOD产品。
但10km分辨率AOD 产品更适合于较低分辨率且较均一的地表进行大气校正，而对于更高分辨率遥感影像的校正则需要更高分辨率的AOD产品。
本文采用Kaufman等人提出的暗目标法[5]，利用MODIS影像反演出地表1km分辨率AOD产品。
并将反演所得1km分辨率AOD产品与NASA发布10km分辨率AOD产品结合地面实测CE318实测数据进行对比分析，结果发现两者与地面实测数据吻合度均较高。
进一步分析2010 International Conference on Remote Sensing (ICRS)978-1-4244-8729-5/10/$26.00 ©2010 IEEE ICRS2010发现两种分辨率AOD产品在宏观上分布趋势相同，但1km分辨率AOD产品更能反映气溶胶在局部剧烈变化[3]。
2 MODIS高分辨率气溶胶反演方法2.1 反演原理假设地表为均匀朗伯体，则传感器接收到的卫星表观反照率由路径辐射项和地表辐射项构成，可表示为：()()()()其中，为整层大气反射率，()和()分别表示从太阳到地面、从地面到卫星两个方向大气层总的透过率（直射和漫射），系数代表地面和大气层多次散射的作用。
卫星观测到的表观反射率既是气溶胶光学厚度的函数，又是下垫面反射率的函数，如果已各了下垫面地表反射率并且已经得各了本地气溶胶模型，就可以通过辐射传输模型模计算出气溶胶光学厚度。
本地气溶胶模型可以查阅气象资料推算，也可以根据辐射传输模型中的默认模型设置。
而下垫面地表反射率目前一般通过暗目标法计算。
2.2 暗目标的选取由于地表的非均一性及陆地上空的气溶胶的空间分异性，反演陆地上空的气溶胶光学厚度较反演海洋上空气溶胶光学厚度更为复杂。
Kaufman通过大量的观测实验指出[6]，由于植被在红光波段与蓝光波段对太阳光强烈的吸收，地表浓密植被在0.62~0.67（MODIS第1通道）反射率以及0.46~0.48（MODIS第3通道）反射率与2.1~2.6（MODIS第7通道）反射率呈较好的线性关系。
由于气溶胶主要影响的短波波段的地表反射信号，在一般情况下可认为2.1~2.6（MODIS第7通道）几乎不受气溶胶影响，即在MODIS第7通道，地表反射率与卫星表观反射率相等。
根据MODIS第1通道、第3通道与第7通道的线性关系可以计算出这两个波段的地表反射率[4]。
为了有效反演1km分辨率MODIS AOD产品，首先需要采用较10km分辨率AOD产品更为严格的去云算法，即只有严格清洁的像元方可被作为暗像元进行处理。
且只在当 2.1μm中红外波段的表观反射率满足判据时，确定0.47μm和0.66μm的波段地表反射率及：。
为使云团残余和表面污染的影响最小化，将选取的暗像元进一步处理，剔除其中50%最亮的像元及20%最暗的像元，确定暗像元及其对应的地表反射率值。
假定当地气溶胶模型在一定时间内不变，利用预设的气溶胶模型及确定的地表暗目标反射率值，利用6S建立多维查找表，可以计算出1km分辨率MODIS AOD产品。
3 反演结果与分析本文反演了2001年4月顺义遥感综合实验期间的1km分辨率MODIS AOD产品，并与之与NASA发布的10km分辨率AOD产品进行了对比。
Figure 1. MODIS 10-km AOD of Beijing图1. 北京地区MODIS 10km分辨率AOD产品3.1 反演AOD产品对比分析图1表示反演得到的北京地区2001年4月17日MODIS 10km AOD产品，结果显示在北京城区的气溶胶光学厚度较高，MODIS 10-km分辨率气溶胶光学厚度产品基本可以反映北京地区气溶胶光学厚度由南向北递减，由城区向郊区递减的规律。
图2表示反演得到的北京地区2001年4月17日MODIS 1km AOD产品。
结果显示北京地区气溶胶光学厚度整体偏高，除在城区地区气溶胶光学厚度均超过1以外，在密云水库附近以及官厅水库附近的延怀盆地也出现了气溶胶光学厚度的较大值。
本文所得1kmAOD产品与NASA发布的10km AOD产品的值域分别为0~1.44和0.06~1.25，两者反演结果取值范围较为接近，说明1km产品与1-kmAOD产品在反演结果上具有较好的对应性。
Figure 2. MODIS 1-km AOD of Beijing图2. 北京地区MODIS 1km分辨率AOD产品在气溶胶光学厚度最大值产生的地方，如北京市城区，延怀盆地地区，10km AOD产品较1km产品会低估气溶胶光学厚度值0.1~0.2，最大可达0.5左右。
由图1及图2对比可知，1km产品比10km产品的空间分异性更为明显，可能更加适合于分析局部气溶胶分布，而10km 产品更适合于大尺度宏观分析。
3.2 反演AOD与地面光度计值验证EOS Terra星在北京上空过境时间一般在上午10点至11点之间，为了比较MODIS反演的1km与10km气溶胶光学厚度产品与在地面太阳光度计所测之值之间的误差，选取太阳光度计在实验日期内10点至11点所测之气溶胶光学厚度与MODIS反演的气溶胶光学厚度进行比较。
结果如图3所示。
Figure 3. Comparison of retrieval AOD and measured data by sunphotometer图3. 反演AOD与地面光度计测量值对比图从图中可知，在4月1日地面太阳光度计测量值与MODIS反演值有较大的误差，可能是仪器出现故障或因卷云的影响而造成的。
而在4月1日，10km分辨率MODIS气溶胶光学厚度产品与地面太阳光度计测量误差较大，4月15日则是1km分辨率MODIS气溶胶光学厚度产品与太阳光度计误差较大，在其他时间序列中，MODIS反演的气溶胶光学厚度与地面太阳光度计之值相差较小，可见无论是10km分辨率MODIS气溶胶光学厚度产品与1km分辨率气溶胶光学厚度产品都与真实值有较好的吻合度，反演精度都较高。
但在图3中并无法分别出10km分辨率MODIS气溶胶光学厚度产品与1km分辨率气溶胶光学厚度产品之间的优劣，其原因是在实验进行的4月，北京地区地表植被长势尚不良好，对于暗像元的第一优先级的选取数量并不够多，导致第二第三优先级的暗像元数量增加，使得反演的气溶胶光学厚度的精度受到很大的影响。
因此后续实验尚需在地表植被长势良好的时候进行相关实验并进一步验证两者之间的精度。
4 结论MODIS 10-km分辨率AOD产品已经广泛运用在大气校正中，并在全球变化监测中发挥着具大的作用。
但由于气溶胶在空间上分异明显，10km里尺度内气溶胶变化已经较大，且10-km分辨率AOD产品是对10km * 10km尺度内的所有无云像素所计算的气溶胶光学厚度产品进行的平均，平滑了在10km范围内的气溶胶光学厚度的剧烈变化。
