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；MODIS
0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。
1研究概况与数据源
本次研究区域是以北京市为主，简称京，是中华人民共和国首都、也是中国4个直辖市之一；北京是国家中心城市、世界著名古都和现代化国际城市。同时，也由于其近年来较为严重的空气污染问题受到了全国乃至全世界范围内的广泛关注。北京位于华北地区，中心位置东经116°20′、北纬39°56′，东与天津毗连，其余均与河北相邻，北京市总面积16410.54平方千米。截至2019年9月，北京市下辖16个市辖区。北京地势西北高、东南低。西部、北部和东北部三面环山，东南部是一片缓缓向渤海倾斜的平原。本次研究数据选取了由美国NASA官网https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/提供的2012年6月MODIS L1B级1km分辨率的MOD021KM.A2012156.0255.005.2012156094454。
2研究原理与方法
目前利用遥感手段进行气溶胶光学厚度研究应用最广泛的算法是暗像元算法[3]，这种算法是Kaufinan和Sendra在反演浓密植被上空气溶胶光学厚度时提出的,利用暗像元算法进行气溶胶光学厚度反演的基本原理是：
（1）对于地表反射率较低的植被覆盖度较高的地方，其在短波红外波段的反射率和红光、蓝光波段的反射率有比较好的线性关系[4]；
（2）大气气溶胶对短波红外波段的削减作用比对可见光波段的削减作用小10-25倍，削减作用基本可以忽略不计，所以短波红外波段的地表反射率和其表观反射率近似相等。由此可知，要获得红光及蓝光波段的地表反射率，只要知道短波红外波段的表观反射率即可，之后利用红光和蓝光波段的表观反射率减去通过短波红外波段间接得到的两个波段的地表反射率，从而获得由于大气气溶胶存在使得能量损失的部分，这样就可以通过大气的三个参数ρ0、S、T(
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)T(
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)最终求得气溶胶光学厚度。
3数据预处理与分析
利用MODIS L1B 1KM的数据进行大气气溶胶光学厚度反演首先需要对 MODIS数据进行预处理，具体包括影像的辐射校正及几何校正，合成裁剪等，其主要技术流程如下图（2）所示。
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图2 主要技术流程图
Fig.2 Main technical flow chart
3.1气溶胶光学厚度反演结果
要得出最终的大气气溶胶光学厚度反演结果，需要云剔除数据、最终合成的角度数据、查找表数据，使用ENVI5.3的扩展工具MODIS AerosolInversion进行反演，反演结果如下图9所示。
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图9 北京市2012年6月5日气溶胶光学厚度反演结果
从反演结果可以看出2012年6月5日北京市气溶胶光学厚度值的区间范围在0〜2之间,大致可以分为7个层级。由于研究领域关于气溶胶光学厚度值的单位并没有给出统一的量纲，所以气溶胶光学厚度的值没有单位。此次气溶胶光学厚度反演时所用到的LUT查找表规定：0代表在理想状态下，太阳辐射在穿过大气层时没有任何损失存在，即不会发生大气对太阳辐射的吸收、散射等作用，光线可以径直通过大气层；2代表在理想状态下，太阳辐射在穿过大气层时会受到来自大气层的一切可能的削减作用，以至于没有任何光线可以通过大气层。0和2两个值是两种极限状态，0说明大气状况最好，没有气溶胶粒子的存在；2表示大气当中充满了气溶胶粒子以至于没有任何光线可以穿过大气层。
4结论
本实验简单描述了通过暗像元算法，利用 MODIS 数据进行2012年6月5日北京大气气溶胶光学厚度的反演。通过实验可以得出以下结论：
（1）从反演结果中可以明显看出，北京市的丰台区、西城区、东城区、朝阳区、通州区等中南部大部分主城区气溶胶光学厚度值位于1.5-2.0之间，空气质量较差，污染较为严重。其主要原因是北京市中南部地区人口较为稠密，是北京市否主要人口聚集区。这里高楼林立，植被覆盖度相对较低，城市废气排放严重及污染源众多，导致了这些地区的气溶胶光学厚度值普遍比较高。
（2）与之形成明显对比的是北京的西北部地区，比如门头沟、延庆区、怀柔区等郊区气溶胶光学厚度值基本≤0.25，大部分区域气溶胶光学厚度值在0.00005-0.0001之间，空气质量显然比较好，受污染程度较低。这主要是因为北京市的西北部多为山地，植被覆盖度较高，尤其是在6月春夏时节，山区上丛林密布，植被覆盖度较高，受人类活动的影响较小，污染源比较少，大气环境质量较好，所以气溶胶光学厚度值很小。
参考文献：
[1]刘佳雨.北京市MODIS气溶胶光学厚度雨PM2.5浓度关系研究[D].成都理工大学，2015,06:1-64.
[2]王中挺,陈良富,张莹.利用 MODIS数据监测北京地区气溶胶[C].遥感技术与应用,2008,06:284-288.
[3]李正强，许华，张莹，李莉，李东辉等.基于卫星数据的灰霾污染遥感监测方法及系统设计[J].中国环境监测.2014, 6, 30(03)： 159-165.
[4]范辰乾.基于MODIS数据的气溶胶光学厚度与PM2.5浓度关系研究-以济南市为例[D]. 山东：山东师范大学，2014.