一种细粒子气溶胶光学厚度和气溶胶类型同时反演方法

摘要

本发明公开了一种细粒子气溶胶光学厚度和气溶胶类型同时反演方法，具体为：1)根据东亚气溶胶类型和RT3矢量辐射传输模型建立气溶胶参数查找表；2)依据Maignan BPDF模型确定地表偏振反射率；3)结合PARASOL载荷观测的辐射亮度、气溶胶参数查找表和BPDF模型，反演同时得到PARASOL载荷细粒子AOD和气溶胶类型；4)利用AERONET北京站、香河站地面观测数据验证反演的PARASOL载荷细粒子AOD和气溶胶类型精度；5)利用ArcMap软件制作PARASOL载荷细粒子AOD专题地图。本发明可以精确的反演华北区域空气质量状况，提高了PARASOL细粒子AOD的精度和空间分辨率，同时了解了研究区域的气溶胶类型，为华北区域大气质量监测提供技术支撑。

说明书

技术领域

本发明涉及遥感领域，尤指一种细粒子气溶胶光学厚度和气溶胶类型同时反演方法。

背景技术

大气气溶胶一般指悬浮在大气中直径为10^-3～100um的微粒，是大气的重要组成成分。气溶胶通过散射与吸收太阳短波和地球长波辐射对气候产生直接影响；气溶胶又与云相互作用对气候产生间接影响。此外，近地面气溶胶影响到环境和人类健康，同时还会导致交通事故。因此针对这些问题，需要研究气溶胶分布及其来源等特性。

由于气溶胶散射辐射具有强偏振特性，而大多数陆地表面反射辐射具有弱偏振特性且其时空变化较小，因此利用偏振信息可以有效的将气溶胶和地表的贡献区分开。PARASOL是法国国家空间研究中心研究的多角度偏振载荷，其观测数据可以用来反演细粒子气溶胶光学厚度(AOD)，然而细粒子AOD反演算法存在以下问题：1)气溶胶类型是影响AOD反演精度的关键因素。我国华北区域大气污染严重，气溶胶类型复杂多样，在其反演算法中应用的气溶胶物理和光学参数主要是基于欧洲清洁大气环境观测的结果，不能代表我国华北区域的气溶胶特征。2)目前的PARASOL卫星偏振载荷缺乏气溶胶类型产品。3)PARASOL官方算法反演得到的PARASOL细粒子AOD产品空间分辨率为18.5×18.5km²，空间分辨率低，不能满足城市间的大气环境监测需求。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于多角度偏振技术的细粒子AOD和气溶胶类型同时反演方法。

为实现上述目的，本发明的基于多角度偏振遥感的细粒子AOD和气溶胶类型同时反演方法，具体为：1)基于东亚细粒子气溶胶类型，根据矢量辐射传输模型建立气溶胶参数查找表；2)依据地表偏振反射率模型(BPDF)，结合太阳观测几何和卫星观测几何计算地表偏振反射率；3)结合PARASOL载荷观测的辐射亮度、气溶胶参数查找表和BPDF模型反演同时得到PARASOL载荷细粒子AOD和气溶胶类型。4)利用AERONET北京站、香河站地面观测数据验证反演的PARASOL载荷细粒子AOD和气溶胶类型的精度。5)制作PARASOL载荷细粒子AOD专题地图。

进一步，步骤1)基于东亚细粒子气溶胶类型，采用RT3矢量辐射传输程序进行辐射传输计算，得出多组具有偏振信息和强度信息的大气参数组合而成的气溶胶参数查找表。

进一步，步骤2)所述的BPDF模型为Maignan.(2009)BPDF模型，在BPDF模型中输入太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角、α经验系数计算得到地表偏振反射率。

进一步，步骤3)具体为：基于构建的气溶胶参数查找表、PARASOL一级数据的太阳、卫星观测几何参数、偏振反射率、反射率和BPDF模型反演同时得到高空间分辨率的细粒子AOD和气溶胶类型。

进一步，步骤4)具体为：将PARASOL卫星过境前后半小时的AERONET北京站、香河站等CE318仪器观测的Level 1.5/2.0级数据进行平均，用于验证反演的细粒子AOD和气溶胶类型精度。

进一步，步骤5)具体为：利用ArcMap软件制作PARASOL载荷细粒子AOD专题地图。

本发明的基于多角度偏振技术的细粒子AOD和气溶胶类型同时方法可以精确的反演华北区域空气质量状况，提高了PARASOL细粒子AOD的精度和空间分辨率，同时了解了研究区域的气溶胶类型，为华北区域大气质量监测提供精确的专题信息图，同时为高分五号卫星中的多角度偏振载荷的成功应用提供技术支撑。

附图说明

图1为PARASOL细粒子AOD和气溶胶类型同时反演技术路线图；

图2左)PARASOL真彩色图像；右)PARASOL细粒子AOD(2010.10.06)

图3左)PARASOL真彩色图像；右)PARASOL细粒子AOD(2010.10.25)

图4为本发明方法反演的细粒子AOD与AERONET反演的AOD对比验证图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种基于多角度偏振技术的细粒子AOD和气溶胶类型同时反演方法，包括基于东亚气溶胶类型和矢量辐射传输模型建立气溶胶参数查找表，再结合PARASOL观测信息和BPDF模型反演同时得到PARASOL细粒子AOD和气溶胶类型。反演流程如下：

1)首先，选择东亚细粒子气溶胶类型，利用MIE散射理论计算细粒子气溶胶的偏振特性和散射特性，东亚6种细粒子气溶胶类型如表1：

表1 东亚6种细粒子气溶胶类型(Lee et al.，2010)

其中，r_m为气溶胶粒子中值半径，S为标准差，C为粒子浓度；m_r为复折射指数的实部，m_i为复折射指数的虚部，SSA为单次散射反照率。

其次，根据东亚细粒子气溶胶类型和RT3矢量辐射传输模型建立气溶胶参数查找表；查找表是通过设定不同的太阳和卫星观测几何参数：21个太阳天顶角、20个观测天顶角、37个相对方位角、不同的大气气溶胶参数：东亚6种细粒子气溶胶类型、12个0.865μm处的细粒子AOD(0.0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0和1.5)，考虑要观测数据所在的波段，使用RT3矢量辐射传输模型进行计算得出的多组具有偏振信息和强度信息的大气参数组合而成的气溶胶参数查找表。

2)利用Maignan BPDF模型及其α经验系数，在BPDF模型中输入PARASOL观测的太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角以及地表类型，计算得到PARASOL观测的地表偏振反射率。

3)具体为：①选取云量较少的晴天PARASOL原始数据，利用Anapol软件将PARASOL原始数据转换为hdf或者txt文件，其空间分辨率为6×7km²或12×14km²。②利用Breon&Colzy(1999)方法对其PARASOL数据进行云去除，从而提高反演的PARASOL细粒子AOD精度。③基于Anapol软件生成的PARASOL一级数据，选择一种东亚气溶胶类型的气溶胶参数查找表，根据读取的太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角，在气溶胶参数查找表选取相应的数据，进行一次双线性插值和一次线性插值，计算得到不同波段、不同气溶胶光学厚度情况下对应的气溶胶偏振反射率值。④将PARASOL载荷同一个像元多个角度(≤16个)真实测量的表观偏振反射率减去步骤2)计算的地表偏振反射率的结果，并与指定观测几何下对应的气溶胶偏振反射率值进行比较，偏振反射率相差最小对应的细粒子AOD值即为所求。⑤针对6种气溶胶类型的参数查找表，重复步骤③和④，计算得到每一种气溶胶类型对应的细粒子AOD和偏振反射率差值，其中偏振反射率相差最小对应的细粒子AOD值即为最终的细粒子AOD和气溶胶类型，其空间分辨率为6×7km²或12×14km²。

4)首先选取PARASOL载荷指定经纬度位置的细粒子AOD和气溶胶类型反演结果，再选取PARASOL卫星过境前后半小时的AERONET北京站、香河站等CE318仪器观测的Level 1.5/2.0级数据，并对CE318仪器观测的Level 1.5/2.0级数据进行平均，评价反演的细粒子AOD和气溶胶类型精度。

5)基于反演的PARASOL细粒子AOD文件，利用ArcMap软件将反演的PARASOL细粒子AOD制成专题图。

如图2的反演结果图显示，2010年10月6号本发明方法反演的PARASOL细粒子AOD结果与PARASOL真彩色图像具有很好的一致性。2010年10月6号，华北区域东南部的污染较严重，细粒子AOD值最高为1.0，其中山东省大气污染最严重；华北区域西北部的细粒子AOD值较低，空气质量较好。如图3的反演结果图显示，2010年10月25号本发明方法反演的PARASOL细粒子AOD结果与PARASOL真彩色图像具有很好的一致性。2010年10月25号，整个华北区域细粒子AOD值最高仅为0.29，空气质量较好，其中河北省的南部区域空气质量较差。图2和图3有效的显示了华北地区气溶胶污染源的空间变化情况，为华北区域空气质量监测提供了技术支撑。

为了评估本发明方法的性能，使用AERONET的地基观测数据进行对比验证。所有地基数据与PARASOL载荷数据的时间相差都在30分钟以内，以保证地基观测与卫星过境之间大气状况的稳定。采用2013年2月至10月的数据进行验证，其中AERONET北京站和香河站与PARASOL反演结果匹配的数据分别有41个和39个。利用本发明方法反演的细粒子AOD和AERONET的对比验证拟合结果见图4，图4给出了线性拟合的斜率、截距、相关系数(R)和均方根误差(RMSE)，AERONET北京站和香河站的R分别为0.91和0.89，RMSE均为0.07，拟合斜率分别为0.96和0.81，这些结果显示了本发明方法的精度高，可以有效的用于华北区域空气质量监测。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本说明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。