应用MODIS数据研究沙尘信息定量化方法探讨

2009-05-16 00:37
应用MODIS数据研究沙尘信息定量化方法探讨
运用新一代中分辨率成像光谱仪（MODIS）数据，进行沙尘信息的遥感定量化提取方 法研究。通过沙尘信息的特征波段选择、沙尘信息与环境背景信息的分离研究，浮尘、扬沙 等弱沙尘信息的增强处理研究，探讨沙尘灾害的定量化参数提取方法，建立沙尘信息遥感定 量化提取模型，为沙尘灾害预报、监测、防治提供理论方法支持和依据。
应用MODIS数据研究沙尘信息定量化方法探讨
作者: 熊利亚，李海萍，庄大方 (中国科学院地理科学与资源研究所，北京〓100101)
摘 要： 运用新一代中分辨率成像光谱仪（MODIS）数据，进行沙尘信息的遥感定量化提取方法研究。通过沙尘信息的特征波段选择、沙尘信息与环境背景信息的分离研究，浮尘、扬沙等弱沙尘信息的增强处理研究，探讨沙尘灾害的定量化参数提取方法，建立沙尘信息遥感定量化提取模型，为沙尘灾害预报、监测、防治提供理论方法支持和依据。
关 键 词： 沙尘信息；定量提取；方法研究
 
 
1〓引言??
1.1〓沙尘信息必须定量化
沙尘灾害泛指由浮尘、扬沙和沙尘暴等沙尘天气所造成的灾害。沙尘灾害的产生不但与沙漠、戈壁、裸露土地等沙尘源地的分布密切相关，还与不同尺度的大气环流、强风及垂直对流等大气运动现象直接相关。此外，受到人类活动不同程度影响的荒漠化地区和具有潜在荒漠化倾向的地区也与沙尘灾害的发生密切相关。我国属于中亚沙尘灾害多发区，中央气象台对近50年气象台站的观测结果分析，我国长江以北大部地区都曾出现过扬沙和沙尘暴天气，并以西北地区最为突出。新疆的塔里木盆地（塔克拉玛干沙漠）附近，柴达木盆地，阿拉善高原（巴丹吉林沙漠）及河西走廊等地区沙尘暴出现非常频繁，年平均沙尘暴日数在15天以上，塔克拉玛干沙漠地区和巴丹吉林沙漠附近最高日数在30天以上，典型的高频站如新疆民丰34天，甘肃民勤31天。沙尘天气的覆盖范围比沙尘暴更广泛，年平均日数大于10天的范围到达淮河流域［1］。
沙尘灾害发生的时间相对较短，但对社会经济及生态环境所产生的危害却较大，对人类健康也会造成不良影响。一次特强沙尘暴天气所造成的灾害损失，不亚于中等强度的地震所造成的损失。将沙尘灾害作为特有的气象灾害进行专门研究，国外始于20世纪20年代，我国从20世纪70年代末开始，并以危害较为严重的沙尘暴研究为主，对浮尘和扬沙等沙尘灾害的专门研究则很少。目前对沙尘灾害的形成和发展规律、长距离输送机制以及监测预报等研究基本处在定性或半定量研究阶段，且主要集中在沙尘发生频度和持续时间统计及强度描述等方面，这对于空间区域差异较大的沙尘研究来说显然是不够的。而测定反映沙尘强度及环境危害的沙尘浓度分布、影响高度、输沙量、大气中不同粒径大小的沙尘含量、沙尘气溶胶特性及大气能见度等十分必要。
1.2〓遥感是重要研究手段
运用卫星遥感数据进行沙尘参数的定量化信息提取，不仅弥补了地面观测数据因站点限制时空分辨率的不足，提高各种沙尘参数的反演精度，还对拓展卫星资料的应用研究领域具有重要意义。
目前，运用遥感技术进行目标信息的定量反演主要有基于地面实测法、基于图像自身信息法和大气辐射传输模式法［2］。国外运用遥感进行沙尘定量研究的资料，大多仍以GMS（TBB）、NOAA（AVHRR）、FY-1C等气象卫星所提供的资料为主。这些卫星所载的传感器由于时空分辨率、光谱分辨率和探测方式的不同而具有不同的特点，适合作大尺度宏观研究。在遥感反演沙尘气溶胶研究方面，Hsu等(1996)、Herman等(1997)提出了一种利用TOMS两个短波波段的辐射比反演气溶胶的方法，定义了气溶胶指数（AI）这一物理量。
Nakajima等利用AI指数、AVHRR反射率、天空散射计等研究了马来西亚大火产生的气溶胶；Chiapello等（1999）利用AI指数反演了北大西洋和非洲上空沙尘气溶胶；Hsu等（1999）比较了AI指数和太阳光度计测量的光学厚度的关系，得到在已知气溶胶光学厚度、散射比和AI指数的情况下，可以确定气溶胶层出现的高度；Torres等（1998）对同时利用AI指数和反射率遥感气溶胶光学特性的可行性进行了理论研究［3］。
我国国内从1993年开始研究使用气象卫星监测沙尘暴，目前已初步掌握了对沙尘暴的监测方法。但是，与国际上其它地区相比，我国的沙尘天气研究起步较晚，缺乏对沙尘暴成因机理、预报服务、防灾减灾的系统性、综合性的研究。运用遥感方法反演大气气溶胶光学厚度及沙尘暴监测方面的研究中，毛节泰等（2000）用GMS卫星可见光通道和 TOMS仪器360nm波段的资料反演陆地上空气溶胶光学厚度的方法［4］；邱金桓等提出了卫星遥感气溶胶光学厚度的方法，并同时发展了一个综合应用地面气象能见度和水汽压信息确定中国大气柱气溶胶光学厚度的参数化模式［5］；郑新江等利用气象卫星多通道信息进行了沙尘暴监测研究，并依据遥感结构方程和大气辐射传输理论基础模拟计算沙尘性高浑浊度大气或沙尘暴的发射率，参考红外数据和有关因子解析沙尘气溶胶光学厚度，进而得出沙尘天气过程，包括沙尘暴的大气载沙量［6］；吕达仁等探索了陆地上空气溶胶定量遥感的新方法。这些方法所用的波段一般为1～2波段，定量描述沙尘参数在精度和区域广度方面有一定的局限性。
1.3〓MODIS数据特点与优势
美国新一代对地观测卫星（EOS）系列中的第一颗上午太阳同步Terra卫星于1999年12月18日发射成功，其携带的中分辨率成像光谱仪MODIS数据以广播X波段向全球免费发送，它是世界上首次进行星载飞行的仪器。我国目前已建立了数个接收站并分别于2001年3月前后开始接收数据。MODIS数据具有比气象卫星数据和陆地卫星数据更多的优势。
（1）MODIS具有较高的光谱分辨率，共分为36个波段，远大于NOAA/AVHRR的5个波段和TM的7个波段，地面分辨率分别为250 m（1~2波段），500 m（3~7波段），1 000 m（8~36波
段），高于NOAA/AVHRR（1.1 km）， 1~2天可覆盖全球一次。
（2）MODIS数据在存储格式上采用HDF-EOS（Hierarchical Data Format）数据格式。各通道输出的量化等级为12比特，温度分辨率可达0.03度，比NOAA/AVHRR的10比特精度提高4倍。??
（3）MODIS首次使用了复杂的可见光通道星上校准技术，使长期观测的稳定度得到保障。根据以上MODIS数据的几大特点，尤其是较宽的光谱范围和空间覆盖以及随时间变化的资料连续覆盖，MODIS更适合于对地球上大气、海洋和陆地进行表面特性、云、辐射、气溶胶、辐射平衡等的综合信息的分析研究。这对于沙尘暴研究向纵深方向发展具有重要意义，有可能部分地解决沙尘暴研究中由于对基本事实了解不足和没有完备、精确的数据集供分析、模式输入、检验的问题，在沙尘信息提取方面有很大潜力。
目前MODIS数据研究在国内外均尚处起始阶段,没有成熟的文献和经验可参考,以现有遥感信息定量化提取方法、大气辐射传输理论、大气气溶胶反演算法、地面能见度理论为基础进行沙尘参数提取方法研究，在理论上是可行的。随着MODIS接收站的不断发展和完善，数据获取会更加方便，利用近3年接收的数据进行沙尘信息定量化的监测和研究也是可行的。
2〓沙尘信息定量化研究的内涵
利用Terra/MODIS数据进行沙尘参数遥感信息的定量化研究，应包括提取 MODIS数据中与沙尘信息相关的主要特征波段；将沙尘信息与环境背景信息进行分离的图像处理方法以及浮尘和扬沙等弱沙尘信息的增强处理方法；建立沙尘信息定量化提取模型；在特定区域进行沙尘信息实证研究。
（1） 从沙尘的遥感信息机理分析入手，通过对地区地表光谱特征的分析研究，确定MODIS影像中适合进行沙尘参数提取的特征波段，进一步分析沙尘信息与环境背景信息的谱间结构特征，研究沙尘信息在MODIS各波段中与环境背景信息的可分性。
（2）沙尘气溶胶光学厚度的光谱变化研究，沙尘气溶胶光学厚度的光谱变化可以反映沙尘气溶胶的一些特性，利用它可以获取沙尘气溶胶粒子的谱分布。
（3）以大气辐射传输理论、大气气溶胶理论、能见度理论为基础，建立大气上界观测辐射与地表双向反射率之间的关系，根据沙尘气溶胶散射相函数和散射反射率确定反演沙尘气溶胶光学厚度的算法，进行沙尘气溶胶光学厚度与沙尘浓度、沙尘含量等参数的相关性研究，构建基于MODIS影像的沙尘含量定量提取模型。
（4）选择特定地区作为实验区，通过对实验区沙尘灾害的背景特征研究，不同地区不同沙化程度地表光谱特征及其光谱响应机制研究，探讨沙尘灾害的时空分布特征及定量化参数的环境背景值。
（5）沙尘含量的定量反演。通过分析沙尘气溶胶光学厚度和环境背景气溶胶光学厚度之间的差异，研究沙尘灾害发生时沙尘气溶胶与沙尘含量之间的相互关系。
（6）不确定性和误差分析研究，利用已有地面气象能见度和水汽压观测数据确定大气柱气溶胶光学厚度的参数化模式，得出气溶胶粒子浓度的垂直分布特征，与遥感所得到的数据进行对比分析和相互验证。
（7）结合已有的各种辐射传输模式和气溶胶反演算法并根据区域特征，进行实验区沙尘参数的遥感提取方法实证研究。
3〓沙尘信息定量化研究方法设计
3.1〓研究方法
根据大气气溶胶的有关理论，气溶胶光学厚度也可称为大气浑浊度,可以定量反映大气环境污染的程度。因此，借鉴大气气溶胶遥感反演方法、地面能见度及其他参数确定大气气溶胶光学厚度的方法，对不同类型沙尘灾害（浮尘、扬沙、沙尘暴）以及环境背景的光谱特征进行研究，再根据地面观测记录查找沙尘天气发生时的影像记录，选择质量较好的影像进行分析，确定不同浓度沙尘在影像上的特征。根据 MODIS具有36个波段的中光谱分辨率特征，先对可见光、近红外、热红外波段上的光谱特征分别进行分析，找出沙尘和环境背景的最大差异波段，以区分出沙尘和环境背景，将沙尘特征从环境背景中提取出之后，再重点研究可反映沙尘特征的最佳波段或进行波段组合，在此基础上利用陆地和海洋对流层
大气中气溶胶光学厚度和尺度分布的算法，进行MODIS沙尘含量定量化研究（如图1所示）。
图1〓沙尘信息定量提取研究流程图??
Fig.1〓Technique Flow Chart of sand??dust quantitative extraction
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3.2〓研究特点与关键问题
采用1999年发射的美国新一代对地观测卫星（EOS）系列中的第一颗上午太阳同步卫星Terra卫星所载的中分辨率成像光谱仪（MODIS）数据资料进行沙尘灾害的遥感定量分析，是此项研究的特点。
以前因波段限制没有真正尝试反演全球陆地上空气溶胶和沙尘含量。
而MODIS的蓝波段使反演气溶胶光学厚度的可靠性和区域扩大具有了可能性。将具有高时间分辨率、高空间分辨率和较高光谱分辨率的Terra/MODIS数据应用于沙尘灾害信息定量化提取，在理论和方法上有明显的创新和突破。此项研究将可以从宏观和深层次上揭示沙尘灾害发生、发展、消亡的动态演变过程及内在机理，还可推动遥感技术、大气辐射传输和能见度理论的综合应用。??
此项研究将解决以下关键问题：利用新型遥感传感器数据（MODIS）研究沙尘灾害中的基本参数如沙尘浓度、沙尘含量等的提取方法；沙尘气溶胶反演算法；沙尘参数定量提取模型的构建；反演过程中的误差和不确定性因素分析及质量控制。??
3.3〓实证研究
选定华北地区作为实验区，利用MODIS 500 m分辨率影像中可识别的官厅、密云、怀柔、于桥等像元较多的水体以及渤海湾等表面反照率较低的目标作为背景参照，在实验区内用Terra/MODIS多通道数据分别反演出环境背景和沙尘发生时的气溶胶光学厚度，并对各通道反演出的结果进行定量对比分析和相关性分析，确定能反映沙尘气溶胶的主要波段，再根据相关的地面能见度观测数据和不同参数化经验公式计算沙尘气溶胶光学厚度，进行不同方法的不确定性和误差分析研究，找出沙尘气溶胶光学厚度和沙尘含量（沙尘浓度）的定量关系。同时地面能见度反演的气溶胶光学厚度可以为沙尘含量的提取提供验证方法，因此，用Terra/MODIS 数据进行沙尘含量信息的定量化提取是有可靠依据的，研究是可行的。图版Ⅳ中图2、图3分别为MODIS 500 m分辨率1、4、3波段彩色合成影像。
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