两种算法反演四川大气光学厚度及对比分析

王春和1刘远春2银春3

（1.越西县气象局四川越西616650）

（2.会东县气象局四川会东615200；3.越西县生态环境局四川越西616650)

摘要：分析大气光学厚度不同算法的特点和差异对于研究这一地区气溶胶具有很大意义。本研究通过卫星遥感信息和遥感图像处理技术，运用扩展暗像元法和V5.2算法反演该地区的气溶胶光学厚度，并由这两种算法得到的结果作对比分析。结果表明：（1）用扩展暗像元法反演得到的结果比V5.2算法得到的结果大；（2）水体对扩展暗像元法反演得到的结果影响很大；（3）成都及其周边地区、德阳等地区气溶胶光学厚度较大。

关键字：大气光学厚度；扩展暗像元法；V5.2算法；遥感

引言

随着社会经济快速发展，大气中气溶胶浓度猛增，严重影响人们生活、工作，并对气候变化起着直接强迫和间接强迫作用。大气气溶胶光学厚度在一定程度上可反映城市空气污染程度。20世纪90年代以来，中国已经成为仅次于欧洲和北美第三大酸雨区，而四川盆地已成为我国主要酸雨区。四川盆地是我国重要气溶胶光学厚度大值区之一，且年变化保持上升趋势，气溶胶光学厚度增加是年平均气温变冷趋势主要原因。四川盆地以其独特地理、气候和资源特征在西部大开发中具有举足轻重战略位置，其气候特征会对长江中下游产生影响，对我国的经济社会发展发挥关键作用，因此对此地区进行监测和研究非常必要。

1数据处理

1.1反射率计算过程

ETM+的地面反射率反演的数学模型为：

2气溶胶光学厚度反演方法介绍

2.1扩展暗像元法

对于干旱、半干旱及城市等高反射率地区，气溶胶光学厚度反演还是存在不少困难，主要因为在以上地区地表非均一性使地表反射率精确确定非常困难。当地表反射率升高时，气溶胶指示作用降低。通常，地表反射率较低时，传感器接收的辐射值随气溶胶增多而迅速增大，浓密植被法就是利用在浓密植被地区红、蓝波段地表反射率和气溶胶光学厚度这种关系来反演光学厚度的。随着地表反射率增大，辐射值随气溶胶增加而增幅变慢，当反射率增大到一定程度时，辐射值将不随气溶胶增加而变化，或出现随气溶胶增加而降低趋势。

2.2V5.2算法

最新反演算法称为V5.2，该方法进行以下一些假设：包括VIS/SWIR(可见光和近红外通道的反射率比值)表面反射率参数化，对于某些光学厚度较小区域地区，新方法所反演出的气溶胶光学属性要比以前算法精确。具体来讲，对光学厚度反演误差范围是。MODIS反演值与AERONET的观测值之间满足关系式y=1.01x+0.03，相关系数为0.90。该方法可针对光学厚度较小区域进行反演，有效去除云、海拔及非均一性地表影响，使得反演结果更加合理。地表反射率与气溶胶无关，但是与几何条件有关，理论上可利用卫星观测可见光和近红外通道反射率比值(VIS/SWIR)对表面反射率进行参数化，使其成为植被指数和散射角函数。

2.3反演结果

本次反演所选取的Landsat/ETM+传感器在2005年3月5日遥感数据，范围大致为31.4°N103.7°E、30.8°N105.3°E、29.8°N103.0°E、29.2°N105.6°E斜矩形，位于四川盆地中西部，包括成都、德阳、广汉什邡等大中型城市。

3利用扩展暗像元法和V5.2算法对比反演结果

现在主要用于遥感数据的气溶胶光学厚度反演算法有单通道算法、双通道算法、结构函数法、暗像元算法及其衍生扩展暗像元算法和最新的v5.2算法等，这里采用的是扩展暗像元法和V5.2算法。

①成都市区及其周边地区、新津、新都、广汉、德阳及什邡地区，还有沿着主要河流地区和部分区域气溶胶光学厚度相对较大，最大值达0.75，有的地方真实反应了这一情况，如在成都、德阳范围和沿着主要河流这一区域，由于人们活动频繁、工业发达产生大量人为气溶胶使得这一地区的气溶胶光学厚度远大于其它地区，大值区域则是由于云影响，由此可见，云对反演结果影响很大，位于岷江大值区域则应该是由于水汽影响造成的。

②气溶胶大值区域依然出现在成都及其周边区域、德阳、什邡沿着主要河流及其图像正下方，最大值达0.48。而几个小的气溶胶小值区域，是由于该地区是一些水库等较大区域水面，反射率很低造成的，而一些沿着河流出现大值，则是由于河流上方水汽影响的。而四川大部分地区气溶胶值都介于0.2-0.4。这也和四川地区气溶胶分布情况基本相符。

③两种算法在大部分区域数值差别都很小（小于0.05），在个别区域也有V5.2算法得到的结果大于暗像元的结果，差值非常小（0.01左右），但成都、新都、德阳等地出现较大算法差值区域，差值最大值达0.20。出现这种差值原因多种，算法不同是其主要原因，成都及其周边、德阳区域复杂下垫面也是其中一个原因，差值较大区域则是由于云影响，位于岷江也出现反演差值的大值，这主要是由于水体上方大量水汽分子引起的，这也说明大量水汽分子对暗像元法影响很大，对V5.2算法影响相对较小。

④结果分析。总体来说，扩展暗像元法反演得到的结果比V5.2算法得到的结果偏大。用两种算法均反映出了一块气溶胶大值区域，是由于那里有很厚云层引起的。两种算法反映出来的最大值均在成都、新津、新都、德阳、什邡广汉等地区，在沿着一些主要河流也有小范围气溶胶大值区域，这是由于这些区域人口密度大、工业发达，导致污染严重造成的。

4结论

利用卫星资料进行高反射率地区气溶胶光学厚度的反演一直是难点问题，而哪种方法更适合反演四川这个具有特殊地理环境的地区大气光学厚度，一直没有明确研究成果，更不能满足相关研究需要。用暗像元法反演得到的光学厚度值比用V5.2算法得到的值大，气溶胶大值区域如新津、新都、广汉等区域用V5.2算法没能很好表现出来，实际上这些区域工业发达，应该是气溶胶大值区域且更集中，这更符合四川地区实际情况，所以该方法相比于V5.2算法应该更适合于四川大气气溶胶光学厚度反演。但是云层对该方法影响很大，所以在做数据处理时去云是非常必要的。

参考文献：

[1]李成才,毛节泰,刘启汉.用MODIS遥感资料分析四川盆地气溶胶光学厚度时空分布特征[J].应用气象学报，2003，14（1）.

[2]宋薇,张镭.大气气溶胶光学厚度遥感研究概况[J].干旱气象，2007，25（3）.

第一作者简介：王春和（1988-），男，汉，四川安县人，本科，助理工程师，从事气象观测和预报服务工作。