基于MODIS数据与HJ星的气溶胶光学厚度反演研究

摘要

近年，空气质量污染的相关研究及治理已受到普遍关注，本文应大气环境质量的高分辨率、大范围、实时监测需要，运用经典暗像元法对南宁市MODIS、HJ星数据进行气溶胶光学厚度反演。得到2013年反演结果并与 AERONET网站的观测数据进行精度验证，再进行相关内容的研究与分析。考虑到气溶胶模式很大一部分取决于气溶胶源涉及的成分以及周边地区的气溶胶类型，所以本次将南宁市所在北部湾地区的特殊地理位置、气候条件考虑在内。根据前人对 AOD与 PM地面监测值相关性的研究，本文也提出进行气溶胶厚度反演值与PM值拟合模型的建立，实现利用遥感反演进行大范围空气质量、PM含量的监测。最后，基于前人对气溶胶光学厚度与下垫面情况的探讨，本文将2013年南宁市土地覆被数据、数字高程数据与2011-2013年 HJ星的气溶胶光学厚度反演值进行分析，研究不同季节下不同土地利用类型、不同高程下的气溶胶厚度值变化。
　　其中对于MODIS数据受云层干扰大的特点，采用波段组合式的云掩膜算法预处理数据，而对于 HJ星数据采用逐像元推算几何参数的方法进行数据处理。反演结果与 AERONET（Aerosol Robotic Network）网站公布的2013年Bac_Giang(北江)、MuKdahan（穆达汉）和 Hongkong_poly（香港）站的气溶胶观测结果进行精度验证。对比显示，两者的反演结果均能达到研究所要求的精度，其中MODIS反演结果相关系数为0.626，HJ星反演结果相关系数为0.764。且HJ星的反演精度比MODIS数据反演精度提高了10.45％。
　　由于其特殊的地理位置以及受气候影响的关系，进行不同季节采用不同气溶胶模式进行反演研究。得出：采用的大陆型气溶胶模式反演的北部湾春、秋、冬季气溶胶光学厚度与AERONET网站上公布的结果具有好更的相似性，而采用的海洋型气溶胶模式反演的北部湾夏季气溶胶光学厚度与AERONET网站上公布的结果能更好的吻合。再利用此不同气溶胶模式对南宁市2004年、2006年、2008年、2010年进行反演。可以看出,自2006年气溶胶厚度高值向东南方向移动，并在2008、2010年呈现向周边扩散趋势。
　　本文采用2013年10个月份的MODIS反演结果及南宁市环境监测站8个站点监测值进行分析，得出：AOD与PM2.5的相关性要大于AOD与PM10的相关性；对于AOD与PM2.5，夏、秋两季选用一元二次函数能更好的拟合，春季则适合用对数函数拟合，冬季用线性函数拟合；对于AOD与PM10，春、秋、冬三季均适合一元二次函数拟合，而夏季适合用对数函数拟合。
　　从相关研究表明：春季农用地与城镇用地气溶胶值较高，其余用地气溶胶值较低；夏季高温，全市气溶胶厚度值整体有所下降；秋季城镇用地气溶胶厚度值仍较高，农用地气溶胶厚度值明显增加；冬季，城镇用地与农用地的气溶胶光学厚度有明显增加。而高程与气溶胶光学厚度呈现出负相关，气溶胶光学厚度随着高程的增加而减少。从总体看，平原地区气溶胶厚度值高于丘陵地区，这是由于本身平原地区开阔易于气溶胶扩散，但平原地区多分布城镇，故受气溶胶源的影响，123m以下平原地区气溶胶值明显高于其他地形。春季相对其他季节气溶胶厚度值随高程变化起伏较大，夏季由于受到春季气溶胶高值区影响，327m至486m处丘陵相对秋、冬季较高，但高值部分低于春季。秋季气溶胶光学厚度值整体随高程值的增加而减小，其中，0至123m处平原的气溶胶厚度值较高达到1以上，在123m至208m处平原气溶胶值下降较明显。冬季气溶胶厚度高值区整体较秋季有所下降，趋势与秋季相似，总体随高程值增加而降低。486m以上山地的气溶胶厚度值减小速度较秋季快。

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第一章绪论

1.1研究意义和选题依据

1.2国内外研究现状

1.3研究内容

第二章 研究区概况及数据源简介

2.1区域概况

2.2数据源简介

第三章 气溶胶光学厚度反演原理

3.1工作平台

3.2反演原理

3.3气溶胶模式分析

第四章基于MODIS数据气溶胶光学厚度反演及相关研究

4.1数据预处理

4.2气溶胶反演计算

4.3气溶胶光学厚度反演

4.4与地基观测值对比

4.5 基于不同季节不同气溶胶模式下的反演研究

4.6气溶胶光学厚度与PM2.5、PM10的拟合研究

4.7结论

第五章 基于HJ-1CCD数据气溶胶光学厚度反演及相关研究

5.1数据预处理

5.2气溶胶光学厚度反演计算

5.3气溶胶光学厚度反演

5.4与地基观测值对比

5.5 与MODIS数据反演结果对比

5.6南宁地区气溶胶光学厚度与LUCC和DEM关系分析

5.7结论

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2创新点

6.3展望

参考文献

附录

附录一

附录二

附录三

附录四

附录五

附录六

攻读硕士期间发表论文及参与项目：

致谢