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)變化對于研究水循環(huán)、全球氣候變化、天氣預(yù)報、遙感大氣校正等具有重要意義。缺乏精確、穩(wěn)定、長期的水汽數(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“以點代面”會使模式模擬結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。衛(wèi)星遙感反演的面狀分布特點,使得衛(wèi)星資料估計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，LSensor(?)為傳感器所獲得的入瞳輻射亮度，LSun(?)為大氣頂層太陽輻射亮度，T(?)為總的大氣透過率，是指輻射從太陽到達(dá)地表再從地表到達(dá)傳感器所經(jīng)過的大氣路徑的總的透過率，?(?)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）右邊第一項可以看作是地表直接反射的太陽輻射項，用LDirect表示。而將LSensor(?)/LSun(?)定義為表觀反射率，用?(?)表示。因此式（1）又可以改寫為：

*

*

?(?)?

LSensor(?)LSun(?)

?T(?)?(?)?

LPath(?)LSun(?)

（2）

總透過率T(?)包含了在太陽-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，對程輻射LPath(?)的主要貢獻(xiàn)是氣溶膠的散射。同時在1?m附近，LPath(?)相對LDirect來說是非常小的一部分。由于大多數(shù)氣溶膠和水汽均位于大氣底層的約2km處，因此水汽也會對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)厚度非常小的時候可

以忽略LPath(?)。這樣的假設(shè)可以讓我們在反演氣柱水汽含量時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確定水汽的透過率困難比較大。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波段是恒定不變的，那么，我們可以利用這兩個波段的比值來確定相應(yīng)水汽吸收波段的透過率。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線性的變化，那么可以再加上一個大氣窗口波段，利用3波段比值來確定水汽吸收波段的透過率，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。實際上，式（5）中的分母是在沒有水汽的情況下利用0.85微米和1.24微米兩個波段估計的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輸出的大氣透過率曲線以獲得這幾個MODIS波段的模擬透過率值，利用式（4）或式（5）所述的公式計算波段比值。在MODTRAN的輸入?yún)?shù)中可以指定不同的水汽含量來獲得不同水汽含量下的透過率曲線，也就可以計算響應(yīng)水汽含量下的波段比值，這樣就可以建立一個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。下面是一個計算透過率曲線的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Lambert Conformal Conic, Datum = WGS84, SD1 = 25D, SD2 = 47D, Central Meridian = 105D）。

2.3 計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。這樣計算出來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為太陽天頂角，?V為衛(wèi)星天頂角。*

在反演水汽時，這里只反演無云地區(qū)的。而且在反演時，對于陸地區(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微米這三個波段中，大氣水汽具有不同的吸收系數(shù)。因此，這三個波段對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，從這三個波段所獲取的水汽是不同的，可以對這三個波段進(jìn)行加權(quán)平均處理來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)是從模擬的透過率曲線的中透過率變化率與水汽含量變化率的比值獲得的。

四．精度

為了驗證反演結(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個像素的間隔均勻的在x和y方向上提取水汽值，這個數(shù)據(jù)集稱為wv_retrived；以同樣的方法在MODIS水汽產(chǎn)品上對應(yīng)的提取水汽值，這個數(shù)據(jù)集稱為wv_mod05。表1是這兩組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計值。圖2中則是這兩組數(shù)據(jù)的散點圖。

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沒有根據(jù)實際的地表溫度選擇合適的大氣模型，這個在以后會改正。

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

圖 2 本文反演水汽結(jié)果與MODIS水汽產(chǎn)品對比圖

參考文獻(xiàn)：

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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

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