陆地气溶胶光学厚度反演原理与方法
太阳光度计测量气溶胶光学厚度
气 溶 胶光 学 厚 度
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5
1020nm
•
气 溶 胶光 学 厚 度
4
3
2
1
0
23:13:57 03:48:09 08:40:04 01:15:27 07:25:51
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三.利用最小二乘法计算大气浑浊度系数 (β)和Angstrom波长指数(α)
2.1反演光学厚度原理
根据Beer-Lambert-Bouguer 定律,在地面直接测得 的太阳辐射E(W/ m2) 在给定波长上的表达式为: Eλ = E0λ R - 2exp ( - mτλ) Tgλ (1)
其中E0 为大气外界太阳辐照度(太阳常数) , R 为测量
时刻日地距离(天文单位,约等于1) , m 为大气光学
思考：
波长指数α反映气溶胶粒子谱分布情况，它与气
溶胶的平均半径有关，平均半径越小，气溶胶的
散射特性越趋近于分子散射,α越趋近于＿？
算:
τrλ =p/p0×0. 0088λ- 4. 05 (4) 式中p0 为标准大气压(1013. 25 hPa) , p 为实际 大气压,λ单位为μm。
在可见光、近红外波段,大气中主要存在臭氧和
水汽的吸收。选择没有水汽吸收的通道440 nm、
870 nm、1020 nm ,且这3 个通道只有气溶胶消 光和Rayleigh 散射,则式(3) 中τO3λ、τNO2λ都为 “0”。将式(2) 和(3) 结合,同时公式两边取对数, 则为:
3.2 最小二乘法线性拟合
• 设直线方程的表达式为： (2-6-1)
• 对满足线性关系的一组等精度测量数据（xi，yi），假定 自变量xi的误差可以忽略（实际实验中总有一个变量的误 差相对较小，可以忽略，作为X分量），则在同一xi下， 测量点yi和直线上的对应点a+bxi的偏差di如图（2-6-2） 所示：
气溶胶光学厚度遥感反演方法研究
气溶胶光学厚度遥感反演方法研究气溶胶光学厚度是指大气中可见光波段的气溶胶对光的吸收和散射能力，是研究大气污染和气候变化的重要参数之一。
随着遥感技术的发展，气溶胶光学厚度的遥感反演方法也越来越多样化。
本文将围绕气溶胶光学厚度的遥感反演方法展开探讨，并介绍其中几种常用的方法。
首先，我们来介绍一种基于太阳辐射的反演方法，即通过观测太阳辐射在大气中的衰减程度来推导气溶胶光学厚度。
该方法的基本原理是：利用太阳辐射的特定波段观测数据，与大气传输模型进行比对，通过比较模型计算的大气透过率和实际观测得到的透过率之间的差异，推导出气溶胶光学厚度。
这种方法的优点是简单且操作直观，但是需要准确的大气传输模型和太阳辐射观测数据。
另一种常用的反演方法是利用遥感数据中的多光谱信息进行反演。
这种方法利用多光谱数据中不同波长的光谱信息和气溶胶光学特性之间的关系，从而反演出气溶胶光学厚度。
常用的多光谱遥感数据包括MODIS卫星的数据和Landsat卫星的数据。
这种方法的优点是获取的数据较全面和准确，但是对大气参数和气溶胶光学特性的准确性要求较高。
此外，还有一些基于亮温数据的反演方法。
亮温是指地物在遥感图像中反射和辐射出的热能，不同的地物有不同的亮温值。
利用亮温数据可以推导出地表和大气的温度分布，从而推导出气溶胶光学厚度。
这种方法适用于全球遥感数据，但是对地表和大气温度的准确性有一定要求。
在不断深入研究中，一些新的反演方法也得到了发展。
例如，基于人工神经网络的反演方法。
通过训练神经网络，能够从遥感数据中学习到气溶胶光学厚度和其他大气参数之间的复杂非线性关系，从而实现准确的反演。
这种方法的优点是能够适应复杂的遥感数据，减少传统方法中的模型假设和参数要求，提高了反演的准确性。
综上所述，气溶胶光学厚度的遥感反演方法多样化且不断发展。
通过太阳辐射观测、多光谱数据分析、亮温数据推算和人工神经网络等方法，可以准确地反演出气溶胶光学厚度。
未来随着遥感技术的不断进步，反演方法将更加精细化和高效化，为大气污染和气候变化研究提供更加可靠的数据支持。
陆地气溶胶光学厚度反演原理与方法
陆地气溶胶光学厚度反演原理与方法陆地气溶胶光学厚度遥感监测原理与方法大气气溶胶是由大气介质和混合于其中的固体或液体颗粒物共同组成的多相体系。
粒子的直径多在10-3～102μm之间。
气溶胶光学厚度指无云大气铅直气柱中气溶胶散射造成的消光程度，是大气遥感的重要指标，也是衡量大气污染的重要指标。
利用卫星遥感进行气溶胶监测主要有暗目标法（Kaufman et al,1988）、结构函数法(Tanréet al.,1988)、多角度偏振法(Herman et al,1997)等。
目前环境一号卫星CCD相机和超光谱相机的波段设置条件下，暗目标法可得到较好的应用，同时环境一号卫星CCD相机的高空间分辨率，为结构函数法的应用提供了可能。
由于环境一号卫星各相机的工作方式的（非偏振）限制，目前尚无法应用多角度偏振方法，环境一号后续星将加入偏振传感器。
1.暗目标法在可见近红外波段，传感器接收到的信号，既是气溶胶光学厚度的函数，又是下垫面地表反射率的函数。
当地表反射率很小时，卫星观测的辐射值主要是大气的贡献，能够提取大气气溶胶信息，暗目标法就是利用浓密植被地区红蓝波段的辐射值和气溶胶光学厚度的这种关系反演气溶胶光学厚度。
2.结构函数法对于高反射率地区，地表反射率较大，传感器测量的辐射值主要是地表的贡献项，对气溶胶的变化不再敏感，这时使用基于地表反射率的方法反演气溶胶光学厚度非常困难。
结构函数法是早期研究陆地污染气溶胶采用的卫星遥感算法。
该算法假设同一个地区一段时间内地表反射率是不变的，利用“清洁日”大气作为参考，反演“污染日”大气的气溶胶光学厚度。
利用结构函数法可以反演城市地区的气溶胶分布状况。
3.多角度偏振方法大气中的气溶胶和大气分子与入射太阳辐射相互作用，除了可以散射和吸收入射辐射，还可以使入射辐射发生偏振，卫星通过测量后向散射的偏振特性，可以得到气溶胶信息。
利用偏振信息进行气溶胶反演，具有受地表影响小、能够反演气溶胶物理性质的优势。
暗像元法反演气溶胶原理
暗像元法反演气溶胶原理
暗像元法反演气溶胶原理
气溶胶是指微观粒子悬浮在大气中的细小液滴、固体粒子和它们的复合体。
这些微粒子对空气质量和天气的影响非常显著，因此对气溶胶的研究显得至关重要。
暗像元法（DARK）是一种用于实现气溶胶的光学探测的技术，其反演原理是基于独特的光学散射过程。
暗像元法反演气溶胶原理主要分为以下几个步骤：
1.制备样品
首先需要制备一个模拟真实大气环境的样品，以获得粒子分布情况。
样品制备的方法是根据实际大气中的分布数据来确定颗粒物的类型、大小和浓度，然后通过特定的技术手段将颗粒物分散到空气中。
2.测量样品的散射和透射特性
使用适当的仪器对样品进行测量，包括反射、散射、透射和吸收四个方向。
这些被测量的数据需要计算出本底散射信号，用于后续的暗像元法反演计算。
3.计算暗像元
暗像元法的独特之处在于它可以利用散射和透射信号的比值（R/T）来计算出暗像元。
暗像元指的是样品中一个离散物质的散射和透射的比值。
要计算暗像元，需要对样品中多个离散物质进行测量，并对信号
进行处理。
最终，计算出的暗像元将作为反演算法的输入参数。
4.反演大小和浓度
利用计算得到的暗像元和经验模型推算气溶胶的大小和浓度。
反演结果有两种形式：一种是把结果以图像的形式呈现出来，另一种是将结果以数值的形式输出。
反演的结果将有助于分析气溶胶的来源、成分和分布。
暗像元法反演气溶胶原理是基于光学散射计算的，并且具有高精度、非侵入性和实时性等优点，已逐渐成为研究气溶胶的主要手段之一。
VIIRS高分辨率地表反射率关系库支持下的气溶胶光学厚度反演
ln（乙/入）
a 二-------------
<
ln（ Ai /A 2）'
Suomi-NPP VIIRS数据反演大气颗粒物质量浓度提供了重要数据源。
关键 词：气溶胶光学厚度；遥感；可见光红外成像辐射仪；反演算法；地表反射率关系库
中图分类号：P237
文献标识码：A
DOI 编码：10.3969/j.issn. 1673-6338.2021.03.012
VIIRS Aerosol Optical Depth Retrieval Based on High Resolution Surface Reflectance Ratio Database
面矢量文件对每日过境数据进行裁剪,确保裁剪
后的同区域影像行列号一致。反演只读取晴空像
元的表观反射率和太阳天顶角 、卫星天顶角、方
位角。
1.1.2地基验证数据
在AERONET获得与卫星过境前、后半小时
相对应的大气气溶胶地基观测数据， 将其作为验
证数据。采用2018-04-15—2018-05-15研究区域
收稿日期：2021-03-24 ；修回日期：2021-04-31 o 基金项目：国家重点研发计划项目(2017YFC1200300)。 作者简介：王联霞(1996-)，女，河南洛阳人，硕士生，主要研究方向为遥感技术应用。E-mail ：wlxbykl@
296
测绘科学技术学报
2021 年
台上运行以来，已经为全球的气溶胶时空分布提 供了大量的数据和产品。VIIRS ( Visible Infrared Imaging Radiometer Suite)作为新一代对地观测传 感器，是MODIS退役后获取全球气溶胶分布的重 要传感器。
单星多角度法同时反演气溶胶光学厚度和地表反射率
单 星 多角 度 法 同时 反 演 气 溶 胶 光 学 厚 度 和 地 表 反 射 率
茆佳 佳 王振 会 陈 爱 军 ， ，
摘 要 尝试 以单 星 多 角度 卫 星 观 测 数 据 同
ｍ ｏａｉｌ０ １６ ｔｍ ａｊｊ ＠ ２ ． ｏ ｉ ａ１
二 向 反 射 分 布 函 数 （ ｉｉ ｃｏａ Ｒ ｆｃ ｎｅＤｓ ｂｔｎ Ｆ ｎｔｎ Ｂｄｒ ｔｎｌ ｅｅｔ ｃ ｉｒ ｕｉ ｕｃｏ ， ｅｉ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｉ
Ｂ Ｄ ） 尽管 洋面 反演 的光 学 厚度 与 地 基 观测 结 果有 较 好 的一 致性 ， Ｒ Ｆ，
ｌｒａｏ ） ａｉ ｔ ｎ 等多 种气 溶胶 反 演 方 法 ． ｚｉ 暗像 元 法 ¨ 需 要 预 知 气 溶 胶 类 型 ， 且仅 适用 于地 表反 射 率 较低 的 区域 ， 而 这在 一 定 程度 上 限 制 了其
应用范围， 并影 响 了反演 精度 ． 比法 ¨ 假定 一 段 时 间 内同 一地 区 对
的地 表反 射率 不变 ， 以清洁 Ｅ大气 作 参 考 ， 比反 演 污染 日大气 的气 ｔ 对
收 稿 日期 ２ １—１０ ０ ０１ －３ 资 助 项 目 国 家 自然 科 学 基 金 （ ０７ ０ ５ Ｄ ５ ４ ８ ５ １／ ０ －
溶胶 光 学 厚 度 ， 是 ， 洁 Ｅ大气 选择 的依 据 是 图像 的清 晰 程 度 ， 但 清 ｔ 这 具 有 一定 的 主观 性 ， 且 对 大 气 清 洁 日ห้องสมุดไป่ตู้像 气 溶 胶 光学 厚 度 的估 计 并
１ 南 京信 息工程 大学 气 象灾 害省部 共建 教 育部重点实验室 ， 南京 ，１０ ４ ２ ０４ ２ 南 京 信 息 工 程 大 学 大 气 物 理 学 院 ， 京 南
基于MODIS的气溶胶光学厚度反演算法及应用进展
此 开始 了陆地 气 溶胶 的遥 感研 究 。近年 来 ， 着 对 随 气 溶胶 特性 的深入 研 究 ， 用卫 星 遥 感 气溶 胶 也 得 利 到 了不 断 的发 展 ， 种传 感 器 包括 多 光 谱 、 角度 、 各 多 偏振 、 像扫 描等 功能 的应用 对 遥 感 气 溶胶 光 学 特 成 性提 供 了更加 全面 的信息 ， 先后 出现 了 多种 卫 星 遥 感 气溶胶 的方 法 ， 如单 通道 遥感 和多通 道遥感 、 比 对
用 ， 讨 了气 溶 胶 时 空 分 布 以 及 Ａ０Ｄ 与地 面颗 粒 物 浓 度 的 相 关 性研 究 。 探
关键词 ： 气溶 胶 光 学厚 度 ； 感 器 ； 演 算 法 传 反
中图分类号 ：７３ Ｘ ０
文献标识码 ： Ａ
文章 编 号 ：６ ４９ ４ （０ ２０ —１ ８０ １７ —９４ ２ １ ） ２０ ０ —４
３ 基 于 ＭＯＤＩ 演 气 溶 胶 光 学 厚 度 Ｓ反 的主要 算 法
目前利 用卫 星遥感 反演 气溶胶 光学 厚度 的方法 包括 单通道 反 射 比、 通 道 反 射 比、 集 植 被 暗 背 多 密
景 、 陆对 比及单 次散 射反 照率 的反演 、 海 多角度 成像 偏 振 和 陆 地 粒 子 谱 的 反 演 、 辐 射 对 比、 于 热 用 Ｔ ＯＭＳ资料 的紫 外 方 法 等［ 。本 文 主 要 介 绍 其 中 ９ ３ 比较有 代表性 的几 种 主要 的气 溶胶 反演算 法 。
ＡＶＨＲＲ高 ４ ， 倍 并且 采 用 了可 见光 波 段 星 上校 准
２ 遥 感 反 演气 溶 胶 理 论 的发 展
国际上 利用 卫 星遥 感 气溶 胶 的理 论 始 于 ２ Ｏ世
技 术 以确保 观测 的长 期稳 定 。由于 ＭＯ Ｓ数 据 ］ ＤＩ 具 有 多光谱 分辨率 、 时空分 辨率等 特点 ， 高 因此 它在 监测 资源 、 环境 、 害 和全球 气候变 化等 方面具 有重 灾
利用 AVHRR 数据反演陆地气溶胶光学厚度
利用 AVHRR 数据反演陆地气溶胶光学厚度高玲;张里阳;李俊;陈林;孙凌;李晓静【摘要】The moderate-resolution imaging spectroradiometer (MODIS)onboard NASA EOS Terra and Aqua satellites,advanced very high resolution radiometer (AVHRR)onboard NOAA series provide important aerosol measurements.MODIS provides atmosphere aerosol optical depth (AOD)product since 2000,and AVHRR also provides AOD product since 1981 but only over ocean.Developing AOD retrieval algorithm which can also obtain AOD from AVHRR over land is very important for establishing a long term AOD da-ta record for climate studies.As 2.1 μm band is absent,an algorithm which is different from MODIS is in-troduced to retrieve AOD over land from AVHRR.With this method,the surface target is assumed to re-main radiometrically invariant over a certain time period and some of observations are made under clear-sky background aerosol conditions.When background aerosol conditions are given,surface reflectance can be estimated by extracting the second minimum reflectance during the previous 22 days and the future 22 days.The second darkest reflectance is chosen to reduce cloud shadow contamination.After surface reflec-tance is selected,AOD is retrieved from a look up table (LUT)generated with the second simulation of the satellite signal in the solar spectrum (6S)radiative transfer model.The AOD over part of China (15°—45°N,75°—135°E)from AVHRR in 2009 is obtained based on this algorithm.The distribution pattern of AOD from this work is consistent withthat of MYDO04 from MODIS in North China and East China,but has some difference in Northwest China.The daily regional mean AOD from AVHRR in the Yangtze Delta (28°—36°N,112°—122°E)agrees well with MODIS AOD with all correlation coefficients larger than 0.5 for four seasons,even up to 0.8 in winter.The correlation coefficients are 0.70 in Beijing,0.63 in Xiang-he and 0.61 in Taihu when AOD from AERONET are used to validate the AVHRR AOD retrievals.To compare temporally varying AERONET data with spatially varying AVHRR,the time match window is limited within 30 minutes and the spatial distance is limited within 0.10.The monthly variation of AOD from AVHRR in the Yangtze River Delta is consistent with that from MODIS,but the former is larger. Error sources about this retrieving algorithm are also discussed,including different satellite zenith angles in the selected period,surface reflectance,aerosol types,background AOD,calibration and sensor noise and so on.According to these results,this algorithm has the potential for deriving long-term AOD climate data record over land from AVHRR although some uncertainties stillexist.Quality control and error char-acterization will be further investigated in the future.%开发 AVHRR 可见光通道反演陆地气溶胶光学厚度（AOD）的算法对于研究长时间序列 AOD 的变化有重要意义。
深蓝算法反演陆地气溶胶
式中选择北京为实验区，分别提取了2008-12-06、 2009-05-26两天的数据进行反演实验，获得的AOD结果 如图5所示
本算法反演得到的气溶胶光学厚度为550 nm，为用于遥 感反演结果的验证，采用Angstrom公式(Ång-ström， 1964)将AERONET/PHOTONS得到的气溶胶光学厚度转化 为550 nm。
结果反演
（1）地表反射率获取 首先，根据过境时间抽取地表反射率图像；然后，计算待 反演像元的大地坐标，投影转换为经纬度坐标，在地表反 射率图像中寻找最近点；接着，对获得的MODIS第3波段 地表反射率进行修正，获得CCD相机的地表反射率。 （2）AOD反演 根据计算得到的观测几何(太阳天顶角、观测天顶角和相 对方位角)，对查找表进行线性插值，得到不同光学厚度下 的大气参数S、ρ0和T(μs)T(μv)，代入式(2)获得不同气溶 胶光学厚度下的表观反射率；然后，利用CCD相机的地表 反射进行线性插值，得到气溶胶光学厚度。 （3）结果输出 在获得气溶胶光学厚度后，对结果图像进行平滑处理，以 消除大气的不稳定性。。
误差分析及讨论
MOD09产品的误差影响 地表反射率的精确确定对气溶胶的反演至关重要， Kaufman 等(1997)指出，0.01的地表反射率误差会带来大 约0.1的气溶胶光学厚度的误差。研究表明(Vermote和 Kotchenova，2007)，MODIS第3波段的地表反射率产品 有51.30%处于较好的水平，误差可以控制在±(0.005+5%) 的范围内。本文加入(0.005+5%)的误差进行模拟计算以研 究地表反射率误差带来的影响，结果见图8。
liu等2002hsu等人20042006根据在红光和蓝光波段aod对天顶辐亮度有显著的贡献提出了基于地表反射率库的深蓝deepblue算法利用seawifs图像建立了地表反射率库在aod较小时仅使用蓝光数据进行反演aod较大时则综合使用红光和蓝光数据进行反演此方法已成功应用于撒哈拉沙漠阿拉伯半岛等干旱半干旱地区
利用MODIS可见光波段反演陆地气溶胶光学厚度
Aerosol Optical Depth Retrieval over Land Using MODIS Visible Bands Imagery 作者： 郭强[1] 唐家奎[1] 何文通[1] 田媛[1] 于新菊[1,2]
作者机构： [1]中国科学院大学,北京100049 [2]中国科学院遥感与数字地球研究所,北京100101
出版物刊名： 地理与地理信息科学
页码： 38-43页
年卷期： 2015年 第2期
主题词： 气溶胶光学厚度 遥感 MODIS 地表反射率
摘要：利用Herold等建立的地表反射率库及MODIS遥感影像研究城市区和非城市区典型地物在可见光红蓝波段地表反射率的比值特性。
在此基础上,利用MODIS 1km分辨率遥感影像红蓝可见光波段实现了气溶胶光学厚度的反演,采用卫星过境时间前后半小时北京和香河AERONET站的气溶胶光学厚度观测平均值作为验证参考。
结果显示,66.67%的反演结果处于±0.05±0.15τ的误差界限内,反演算法不受地表反射率的限制,而且只利用了可见光红蓝波段,避免缺少近红外波段数据的限制。
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陆地气溶胶光学厚度遥感监测原理与方法
大气气溶胶是由大气介质和混合于其中的固体或液体颗粒物共同组成的多相体系。
粒子的直径多在10-3～102μm之间。
气溶胶光学厚度指无云大气铅直气柱中气溶胶散射造成的消光程度，是大气遥感的重要指标，也是衡量大气污染的重要指标。
利用卫星遥感进行气溶胶监测主要有暗目标法（Kaufman et al,1988）、结构函数法(Tanré et al.,1988)、多角度偏振法(Herman et al,1997)等。
目前环境一号卫星CCD相机和超光谱相机的波段设置条件下，暗目标法可得到较好的应用，同时环境一号卫星CCD相机的高空间分辨率，为结构函数法的应用提供了可能。
由于环境一号卫星各相机的工作方式的（非偏振）限制，目前尚无法应用多角度偏振方法，环境一号后续星将加入偏振传感器。
1.暗目标法
在可见近红外波段，传感器接收到的信号，既是气溶胶光学厚度的函数，又是下垫面地表反射率的函数。
当地表反射率很小时，卫星观测的辐射值主要是大气的贡献，能够提取大气气溶胶信息，暗目标法就是利用浓密植被地区红蓝波段的辐射值和气溶胶光学厚度的这种关系反演气溶胶光学厚度。
2.结构函数法
对于高反射率地区，地表反射率较大，传感器测量的辐射值主要是地表的贡献项，对气溶胶的变化不再敏感，这时使用基于地表反射率的方法反演气溶胶光学厚度非常困难。
结构函数法是早期研究陆地污染气溶胶采用的卫星遥感算法。
该算法假设同一个地区一段时间内地表反射率是不变的，利用“清洁日”大气作为参考，反演“污染日”大气的气溶胶光学厚度。
利用结构函数法可以反演城市地区的气溶胶分布状况。
3.多角度偏振方法
大气中的气溶胶和大气分子与入射太阳辐射相互作用，除了可以散射和吸收入射辐射，还可以使入射辐射发生偏振，卫星通过测量后向散射的偏振特性，可以得到气溶胶信息。
利用偏振信息进行气溶胶反演，具有受地表影响小、能够反演气溶胶物理性质的优势。