第一篇：基于MODIS數(shù)據(jù)近紅外波段反射大氣水汽含量技術(shù)流程

基于MODIS數(shù)據(jù)近紅外波段反演大氣水汽含量的技術(shù)流程

一．前言

水汽是大氣中重要的氣象參數(shù)，其含量隨時(shí)間和空間變化很大。水汽體積混合比的變化范圍一般在0.1%~3%之間，是大氣溫度變化范圍內(nèi)唯一可以發(fā)生相變的成分。水汽的分布、傳輸和季節(jié)變化對(duì)于研究水循環(huán)、全球氣候變化、天氣預(yù)報(bào)、遙感大氣校正等具有重要意義。缺乏精確、穩(wěn)定、長(zhǎng)期的水汽數(shù)據(jù)記錄，是阻礙深入研究氣候系統(tǒng)中水汽影響的主要原因。全球氣球探空觀測(cè)數(shù)據(jù)是離散的水汽數(shù)據(jù),需進(jìn)行空間插值擴(kuò)展后，才能應(yīng)用到氣候模式中。而“以點(diǎn)代面”會(huì)使模式模擬結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。衛(wèi)星遙感反演的面狀分布特點(diǎn),使得衛(wèi)星資料估計(jì)大氣總水汽含量的分布,受到了廣泛的重視。二．基本原理

衛(wèi)星傳感器所接收的入瞳輻射亮度的簡(jiǎn)化形式可以表示為（Hansen and Travis, 1974;Franer and Kaufman, 1985）：

LSensor(?)?LSum(?)T(?)?(?)?LPath(?)（1）

其中?為波長(zhǎng)，LSensor(?)為傳感器所獲得的入瞳輻射亮度，LSun(?)為大氣頂層太陽(yáng)輻射亮度，T(?)為總的大氣透過(guò)率，是指輻射從太陽(yáng)到達(dá)地表再?gòu)牡乇淼竭_(dá)傳感器所經(jīng)過(guò)的大氣路徑的總的透過(guò)率，?(?)是指地表的二向反射率，LPath(?)是指程輻射。式（1）忽略了光子在地表的上的多次反射，即假設(shè)光子在地表上只反射一次。式（1）右邊第一項(xiàng)可以看作是地表直接反射的太陽(yáng)輻射項(xiàng)，用LDirect表示。而將LSensor(?)/LSun(?)定義為表觀反射率，用?(?)表示。因此式（1）又可以改寫(xiě)為：

*

*

?(?)?

LSensor(?)LSun(?)

?T(?)?(?)?

LPath(?)LSun(?)

（2）

總透過(guò)率T(?)包含了在太陽(yáng)-地表-傳感器路徑上的總的水汽含量信息。LSun(?)為已知量。在1?m附近，可以忽略瑞利散射項(xiàng)，對(duì)程輻射LPath(?)的主要貢獻(xiàn)是氣溶膠的散射。同時(shí)在1?m附近，LPath(?)相對(duì)LDirect來(lái)說(shuō)是非常小的一部分。由于大多數(shù)氣溶膠和水汽均位于大氣底層的約2km處，因此水汽也會(huì)對(duì)氣溶膠的單次或多次散射造成影響。因此，LPath(?)也包含有水汽信息（Gao and Goeta, 1990）。這里我們假定在氣溶膠光學(xué)厚度非常小的時(shí)候可

以忽略LPath(?)。這樣的假設(shè)可以讓我們?cè)诜囱輾庵繒r(shí)不必去考慮單次或多次散射

效應(yīng)。因此，在忽略LPath(?)的情況下，可以將式（2）改寫(xiě)為

*?(?)?T(?)?(?)（3）

圖1（Gao and Goeta, 1990）顯示了典型土壤的光譜反射率曲線，關(guān)于在1微米附近的地標(biāo)反射率，我們從圖1中可以看出在0.85-1.25微米之間，這幾種地物基本上隨著波長(zhǎng)的增加而線性的增加。只有在富含鐵的土壤和礦物中這種趨勢(shì)不明顯。由于各種地物的地表反射率不相同，想要從單一水汽吸收波段來(lái)確定水汽的透過(guò)率困難比較大。然而，如果地物的反射率在水汽吸收波段和大氣窗口波段之間變化不明顯，即假定地表反射率在這兩個(gè)波段是恒定不變的，那么，我們可以利用這兩個(gè)波段的比值來(lái)確定相應(yīng)水汽吸收波段的透過(guò)率。如式（4）所示（Kaufman and Gao, 1992）：

Tobs(0.94?m)??(0.94?m)/?(0.865?m)（4）**

如果地表反射率隨波長(zhǎng)線性的變化，那么可以再加上一個(gè)大氣窗口波段，利用3波段比值來(lái)確定水汽吸收波段的透過(guò)率，如式（5）所示（Kaufman and Gao, 1992）：

Tobs(0.94?m)??(0.94?m)/[C1*?(0.865?m)?C2*?(1.24?m)]（5）***

其中，C1的值為0.8，C2的值為0.2。實(shí)際上，式（5）中的分母是在沒(méi)有水汽的情況下利用0.85微米和1.24微米兩個(gè)波段估計(jì)的0.94微米波段的反射率。

圖 1 五種典型土壤反射率光譜曲線（Condit, 1970;Stoner and baumgartner, 1980）：（1）有機(jī)質(zhì)含量占主導(dǎo)，紋理較細(xì)膩；（2）受有機(jī)質(zhì)含量影響，紋理較粗糙；（3）鐵含量占主導(dǎo)的紅色土壤；（4，5）富含鐵和有機(jī)質(zhì)的土壤。

三．算法描述

2.1 建立近紅外水汽反演查找表

利用MODTRAN模擬800-1300nm的大氣透過(guò)率曲線，然后利用MODIS的0.865微米、0.905微米、0.936微米、0.940微米和1.24微米的光譜響應(yīng)函數(shù)處理MODTRAN輸出的大氣透過(guò)率曲線以獲得這幾個(gè)MODIS波段的模擬透過(guò)率值，利用式（4）或式（5）所述的公式計(jì)算波段比值。在MODTRAN的輸入?yún)?shù)中可以指定不同的水汽含量來(lái)獲得不同水汽含量下的透過(guò)率曲線，也就可以計(jì)算響應(yīng)水汽含量下的波段比值，這樣就可以建立一個(gè)波段比值隨著水汽含量變化而變化的查找表（查找表包括水汽含量、兩波段比值、三波段比值）。水汽含量變化范圍為：0~6.77cm, step = 0.01cm。下面是一個(gè)計(jì)算透過(guò)率曲線的MODTRAN輸入?yún)?shù)的例子：

TS22001111111000.0000.00 ff2f0 365.00000g0.010 f t t f0.000

DATA/BMP99_01.BIN

D:dabin大氣糾正程序Modtran4例子MODISmodis_filterfunction_B1-19.txt

1100000.000000.000000.000000.000000.00000705.0000.100180.0000.0000.0000.00000800130011tnn2aa

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

搜集所需數(shù)據(jù)，包括:MODIS輻射亮度數(shù)據(jù)（MOD02）、地理定位數(shù)據(jù)（MOD03）、云掩膜產(chǎn)品（MOD35），其中地理定位數(shù)據(jù)里包括：太陽(yáng)天頂角、衛(wèi)星天頂角、海陸掩膜。由于原始的MODIS數(shù)據(jù)是Sinusoidal投影，為了便于用戶查看，需要將其進(jìn)行重新投影（投影為L(zhǎng)ambert Conformal Conic, Datum = WGS84, SD1 = 25D, SD2 = 47D, Central Meridian = 105D）。

2.3 計(jì)算垂直氣柱水汽含量

提取MOD02中的0.865微米、0.905微米、0.936微米、0.940微米和1.24微米波段，然后按照式（4）或（5）計(jì)算2波段和三波段比值。利用查找表查算程序根據(jù)波段比值查找水汽含量。這樣計(jì)算出來(lái)的水汽含量是路徑水汽含量W，而不是垂直氣柱水汽含量W。需要利

*用W?W/(1/cos(?S)?1/cos(?V))進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其中?S為太陽(yáng)天頂角，?V為衛(wèi)星天頂角。*

在反演水汽時(shí)，這里只反演無(wú)云地區(qū)的。而且在反演時(shí)，對(duì)于陸地區(qū)域使用3波段比值，2波段比值用于反演洋面耀斑區(qū)域水汽含量。

在0.905微米、0.936微米和0.940微米這三個(gè)波段中，大氣水汽具有不同的吸收系數(shù)。因此，這三個(gè)波段對(duì)于水汽具有不同的敏感性。0.936微米波段是水汽強(qiáng)吸收波段，在干燥條件下對(duì)水汽敏感。0.905微米波段是水汽弱吸收波段，在潮濕條件下對(duì)水汽敏感。0.940微米處于中間狀態(tài)。在給定大氣條件下，從這三個(gè)波段所獲取的水汽是不同的，可以對(duì)這三個(gè)波段進(jìn)行加權(quán)平均處理來(lái)獲得最后的水汽含量:

W?f1W1?f2W2?f3W3（6）

其中，W1、W2、W3分別為從0.905?m、0.936?m和0.940?m所獲取的水汽含量，f1、f2、f3分別為對(duì)應(yīng)的權(quán)重，fi定義如下：

fi??i/(?1??2??3)?i?|?Ti/?W|（7）

這些權(quán)重系數(shù)是從模擬的透過(guò)率曲線的中透過(guò)率變化率與水汽含量變化率的比值獲得的。

四．精度

為了驗(yàn)證反演結(jié)果，這里將本文所述算法的反演結(jié)果與MODIS水汽產(chǎn)品進(jìn)行比較。在本文反演水汽圖像上以50個(gè)像素的間隔均勻的在x和y方向上提取水汽值，這個(gè)數(shù)據(jù)集稱為wv_retrived；以同樣的方法在MODIS水汽產(chǎn)品上對(duì)應(yīng)的提取水汽值，這個(gè)數(shù)據(jù)集稱為wv_mod05。表1是這兩組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)值。圖2中則是這兩組數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖。

從表1和圖2中可以看出，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.9287，反演結(jié)果比MODIS水汽產(chǎn)品整體上偏低，大約在0.1487。造成這種偏差主要原因在于建立查找表時(shí)沒(méi)有根據(jù)實(shí)際的地表溫度選擇合適的大氣模型，這個(gè)在以后會(huì)改正。

表 1 反演結(jié)果與MODIS水汽產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)表

圖 2 本文反演水汽結(jié)果與MODIS水汽產(chǎn)品對(duì)比圖

參考文獻(xiàn)：

1.Fraser, R.S.and Y.J.Kaufman, The relative importance of aerosol scattering and absorption in

remote sensing, IEEE J.Geosc.Rem.Sens., GE-23, 525-633, 1985.2.Gao, B.C., and Alexander F.H.Goetz, Column Atmospheric Water Vapor and Vegetation

Liquid Water Retrievals From Airborne Imaging Spectrometer Data, J.Geophys.Res., 95, 3549-3564, 1990.3.Gao, B.C., and Y.J.Kaufman, Water vapor retrievals using Moderate Resolution Imaging

Spectroradiometer(MODIS)near-infrared channels, J.Geophys.Res., 108(D13), 4389, doi:10.1029/2002JD003023, 2003.4.Hansen, J.E.and L.D.Travis, Light scattering in planetary atmospheres.Space Science Review,16, 527-610, 1974.5.Kaufman, Y.J., and B.-C.Gao, Remote sensing of water vapor in the near IR from EOS/MODIS,IEEE Trans.Geosci.Remote Sensing， 30, 871-884, 1992.