一种气溶胶光学厚度反演方法技术

本发明专利技术提供一种气溶胶光学厚度反演方法，包括：S1获取多光谱影像和对应的MODIS影像，并进行预处理；S2对多光谱影像进行辐射定标，得到各波段表观反射率；S3剔除云像元及云阴影像元，得到待反演影像；S4计算待反演影像中各像元的归一化植被指数，按暗像元区和亮像元区分类；S5在暗像元区利用暗目标法估算红蓝波段地表反射率比值；在亮像元区，根据MODIS影像，构建逐月红蓝波段地表反射率比值库；S6建立AOD反演查找表；S7利用AOD查找表，在不同AOD值下迭代计算红蓝波段地表反射率理论比值，与逐月红蓝波段地表反射率比值库中各数值作差，将差值最小时的AOD值作为反演结果；本发明专利技术能同时获取暗、亮像元的高分辨率AOD反演结果，准确描述城市地区气溶胶变化。述城市地区气溶胶变化。述城市地区气溶胶变化。

【技术实现步骤摘要】
一种气溶胶光学厚度反演方法


[0001]本专利技术涉及大气遥感
，尤其涉及一种气溶胶光学厚度的反演方法。

技术介绍

[0002]大气气溶胶是悬浮在空气中的分散颗粒，包括初级气溶胶（以颗粒的形式直接排放到大气中）和次级气溶胶（由大气中的主要污染物转化而来），直径为0.001~100μm。大气气溶胶的浓度变化直接影响人体健康与空气质量，并通过辐射强迫的直接或间接效应影响地气收支平衡和气候变化，因此，对气溶胶的空间分布和变化进行监测非常重要。
[0003]气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）是描述气溶胶特性的重要参数之一，可表示大气的浑浊度。传统气溶胶监测多为地基监测，然而由于站点布设有限，难以获取大范围的气溶胶空间分布信息。近年来，利用具有高时效性和大尺度观测能力的卫星遥感技术可获取空间分布连续的气溶胶数据，在宏观环境和污染分布监测上具有较大潜力。AOD反演的关键是确定地表反射率信息，以便于实现地气解耦，反演算法包括暗目标算法、深蓝算法、结构函数法、偏振算法、多角度算法等。其中，结构函数法需找到“清洁日”影像作为基准且对几何校正要求较高；偏振算法仅能应用于反演细粒子气溶胶；多角度算法需要特定的传感器支持。上述3种算法的业务化应用均较为困难。近年来暗目标算法不断得到改进与应用，但其仍具有明显局限性，不仅需要短波红外波段的支持，且不适用于亮像元地区（城市、沙漠等区域）。深蓝算法可以反演出亮像元地区的AOD但其精度低于暗目标算法，而且深蓝算法反演结果受外部地表反射率数据空间分辨率限制。
[0004]传统的气溶胶反演方法中暗、亮区域空间分辨率无法兼顾。因此，如何能在不损失原有数据空间分辨率的前提下，同时反演出暗、亮像元地区气溶胶光学厚度，是当前气溶胶光学厚度反演研究的难点。

技术实现思路

[0005]鉴于上述问题，本专利技术提供一种气溶胶光学厚度的反演方法，通过构建逐月红蓝波段地表反射率比值库采用红蓝波段比值法，同时获取包括暗、亮像元的高空间分辨率AOD反演结果，空间连续性较好，能够更准确描述城市地区气溶胶空间变化情况。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]S1 获取多光谱影像和对应的MODIS影像，对多光谱影像进行预处理；
[0008]S2 对预处理后的多光谱影像进行辐射定标，得到各波段的表观反射率数据，所述波段包括蓝光波段、绿光波段、红光波段、近红外波段；
[0009]S3 对预处理后的多光谱影像进行剔除云像元及云阴影像元处理，得到待反演影像；
[0010]S4 计算待反演影像中各像元的归一化植被指数，根据预设的阈值将待反演影像中各像元按照归一化植被指数进行分类，分为暗像元区和亮像元区；
[0011]S5在暗像元区利用暗目标法估算第一红蓝波段地表反射率比值；在亮像元区，通
过谷歌地球引擎平台，根据MODIS影像中各波段的地表反射率数据，利用次最小值合成法构建逐月红蓝波段地表反射率比值库；
[0012]S6 基于大气辐射传输模型对不同卫星传感器在不同条件下探测到的表观反射率进行模拟，建立AOD查找表；
[0013]S7 利用AOD查找表，在不同AOD值下迭代计算红蓝波段地表反射率理论比值，将所述理论比值分别与第一红蓝波段地表反射率比值和逐月红蓝波段地表反射率比值库中各数值作差，取差值最小时的红蓝波段地表反射率理论比值所对应的AOD查找表的AOD值作为多光谱影像的反演结果；
[0014]具体地，步骤S5中在暗像元区，利用暗目标算法估算第一红蓝波段地表反射率比值，包括以下步骤：
[0015]在待反演影像的暗像元区，通过线性关系使用短波红外波段表观反射率估算红蓝波段地表反射率，计算公式为：
[0016][0017][0018]其中，为蓝光波段地表反射率，为红光波段地表反射率，为2.1μm短红外波段TOA表观反射率；
[0019]将蓝光波段地表反射率除以红光波段地表反射率，得到第一红蓝波段地表反射率比值 为固定值2。
[0020]具体地，步骤S5中在亮像元区，利用次最小值合成法构建逐月红蓝波段地表反射率比值库，包括以下步骤：
[0021]通过谷歌地球引擎平台获取MODIS影像；
[0022]对MODIS影像进行预处理，按最小值合成的方式将长时间序列内同日的多景影像合成为一景影像，并裁剪出与多光谱影像时空相匹配的区域；
[0023]获取每个月份的地表反射率数据，利用次最小值合成法构建逐月红蓝波段地表反射率比值库：
[0024][0025]其中，代表构建逐月红蓝波段地表反射率比值图像库；、代表一个月MODIS影像的红蓝波段地表反射率比值图像。
[0026]具体地，步骤S4包括：
[0027]S41 根据多光谱影像各像元的红光波段、近红外波段的表观反射率，计算各像元的归一化差值植被指数NDVI；
[0028]S42将NDVI＞0.55的像元，标记待反演影像上的对应像元为暗像元区；
[0029]S43 将NDVI≦0.55的像元，标记待反演影像上的对应像元为亮像元区。
[0030]1. 具体地，在步骤S7中在不同AOD值下迭代计算，不同AOD值的变化在0～2.0范围
内。
[0031]具体地，步骤S1中所述预处理包括正射、几何精校正。
[0032]具体地，步骤S3包括：
[0033]S31 通过计算得到每幅多光谱影像各像元的波段值；
[0034]S32 利用长时间序列的遥感样本，构建含有蓝光波段的晴空背景场，根据含有蓝光波段的晴空背景场以及多光谱影像的各像元的蓝光波段反射率，计算得到云检测阈值；
[0035]S33 利用云检测阈值对待反演影像进行云检测，剔除云及云阴影像元，得到待反演影像。
[0036]具体地，步骤S8包括：使用AERONET和SONET站点数据对反演所得AOD值进行精度验证，评价指标包括均方根误差、期望误差，计算公式为：
[0037][0038][0039]其中，为均方根误差，为期望误差，为反演AOD值，为站点AOD值，n为验证样本数。
[0040]本专利技术的有益效果为：
[0041]（1）本专利技术将MODIS影像分为暗像元区域和亮像元区域，针对不同区域采取不同的计算方法，能够同时获取包括暗、亮像元的高空间分辨率AOD反演结果，空间连续性较好，能够更准确描述城市地区气溶胶空间变化情况；
[0042]（2）在亮像元区域，本专利技术利用次最小值合成法构建比值库，该方法假设大多数地物的地表反射率在一个月内保持不变，剔除了影像中的负值和无效值，受云、山体、建筑物及其阴影的影响较小，提高了反演结果的精度；
附图说明
[0043]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气溶胶光学厚度反演方法，其特征在于，包括以下步骤：S1 获取多光谱影像和对应的MODIS影像，对多光谱影像进行预处理；S2 对预处理后的多光谱影像进行辐射定标，得到各波段的表观反射率数据，所述波段包括蓝光波段、绿光波段、红光波段、近红外波段；S3 对预处理后的多光谱影像进行剔除云像元及云阴影像元处理，得到待反演影像；S4 计算待反演影像中各像元的归一化植被指数，根据预设的阈值将待反演影像中各像元按照归一化植被指数进行分类，分为暗像元区和亮像元区；S5在暗像元区利用暗目标法估算第一红蓝波段地表反射率比值；在亮像元区，通过谷歌地球引擎平台，根据MODIS影像中各波段的地表反射率数据，利用次最小值合成法构建逐月红蓝波段地表反射率比值库；S6 基于大气辐射传输模型对不同卫星传感器在不同条件下探测到的表观反射率进行模拟，建立AOD查找表；S7 利用AOD查找表，在不同AOD值下迭代计算红蓝波段地表反射率理论比值，将所述理论比值分别与第一红蓝波段地表反射率比值和逐月红蓝波段地表反射率比值库中各数值作差，取差值最小时的红蓝波段地表反射率理论比值所对应的AOD查找表的AOD值作为多光谱影像的反演结果；S8利用站点地面观测数据验证反演结果的精度。2.根据权利要求1所述的一种气溶胶光学厚度反演方法，其特征在于，步骤S5中在暗像元区，利用暗目标算法估算第一红蓝波段地表反射率比值，包括以下步骤：在待反演影像的暗像元区，通过线性关系使用短波红外波段表观反射率估算红蓝波段地表反射率，计算公式为：地表反射率，计算公式为：其中，为蓝光波段地表反射率，为红光波段地表反射率，为2.1μm短红外波段TOA表观反射率；将蓝光波段地表反射率除以红光波段地表反射率，得到第一红蓝波段地表反射率比值 为固定值2。3.根据权利要求2所述的一种气溶胶光学厚度反演方法，其特征在于，步骤S5中在亮像元区，利用次最小值合成法构建逐月红蓝波段地表反射...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳阳阳，张玥珺，邹圣兵，
申请(专利权)人：北京数慧时空信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：