在区域大气环境遥感方面

在区域大气环境遥感方面，由于卫星遥感监测大气环境污染的巨大优势，
利用卫星遥感监测大气环境的技术得到了较快的发展，自20 世纪70 年代开始
到现在，欧美等发达国家在使用卫星遥感技术监测大气气溶胶、颗粒物（TSP、
PM10）与沙尘暴、臭氧（O3）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）等方面取得了显著的进展，其中对大气气溶胶、臭氧、沙尘暴等的监测已经基本达到业务化应用程度。

遥感监测就是利用仪器对远距离以外的目标和现象进行观测，是一种不需要
直接接触目标物和现象而能获取重要信息，从而进行有效识别、分析和判断的高
度自动化监测手段。

它最重要的优势是不需要采样而直接可以进行区域性跟踪观
测，反演污染状况，快速定位污染源，描述污染物在大气中的空间分布、扩散变
化特征等，从而获得全面的综合信息（程立刚等，2005）。

但由于在遥感信息中，
大气污染信息十分微弱，提取非常困难，因此利用卫星遥感数据定量反演大气环
境污染物方法比较复杂，且反演结果精度不高。

气溶胶光学厚度与可吸入颗粒物浓度（PM10）存在较高的线性相关性，可以用来表征大气污染情况。

经过广大科学工作者的多年努力，发展了许多利用卫星遥感数据提取大气气溶胶、二氧化硫（SO2）和二氧化氮（NO2）浓度的方法技术和算法。

1）气溶胶遥感反演
气溶胶不仅影响全球气候变化和能量辐射收支平衡，而且也是影响区域大气
环境质量的主要因素。

气溶胶遥感的主要的问题是如何排除影响表观反射率的云
层，并确定地表反射率和气溶胶类型。

国际上利用卫星遥感气溶胶的理论时域20
世纪70年代。

1977年，NOAA开始利用高分辨率辐射计A VHRR可见光第一通道
（0.63 ）进行海洋上空气溶胶光学厚度的遥感监测。

近年来，随着对气溶胶物
理、化学和光学特性的深入研究，利用卫星遥感气溶胶也得以不断的发展，各种多角度、多光谱、偏振传感器的应用为气溶胶特性遥感反演提供了更加全面的信息，先后出现了多种卫星遥感反演气溶胶的方法，如单通道和多通道反射比、浓密植被暗背景、多角度成像偏振和陆地粒子谱的反演和紫外方法（主要用于TOMS资料）等。

利用卫星遥感反演气溶胶发展到现在，已经形成一个非常丰富的研究体系，由于卫星传感器获得的辐射值是大气和地表的综合信息，复杂的地表类型和气溶胶类型使得气溶胶光学厚度的反演面临多种困难，各类气溶胶光学厚度反演的方法都是根据地表类型和气溶胶组成的差异从不同的角度实现气溶
胶光学厚度的反演，比较有代表性的几种主要的气溶胶反演算法以下几种：
暗像元算法：在地表反射率较低的情况下，气溶胶光学厚度一般随波长的
增大而减小，因此在短波红外波段(2~4μm)的光学厚度比可见光波段(0.47 和0.66μm)小3—30 倍（Kaufman Y J et.al，1988）；其次，太阳光谱波段的地表反射率与波长相关。

在这种变化关系的基础上，Kaufman 等（Kaufman Y J et。

al，1988）利用经过大气校正的卫星资料和地面、航空等光谱资料，建立了可见光
红或蓝通道地表反射率与中红外波段的线性关系，去除地表贡献，反演稠密植
被上空气溶胶光学厚度。

王新强等基于6S 大气辐射传输模型计算的查找表，
利用MODIS 数据采用暗像元算法自动反演了中国江西省中部地区的大气气溶胶光学厚度，并用当地的气象能见度验证了计算结果。

王中挺等基于暗像元算
法利用环境一号卫星CCD 数据反演陆地气溶胶光学厚度，因缺少短波红外通道，应用改进的暗目标法，利用6S 辐射传输方程构建查找表，对CCD 相机数据进行图像重采样和辐射定标处理，进而对查找表进行插值，获得气溶胶光学
厚度(AOD)分布。

通过AERONET 地基数据的验证及与MODIS 气溶胶产品的对比表明，环境一号卫星CCD 相机对陆地气溶胶的监测结果在AOD 较大(>0.2) 时，精度与MODIS 相近; 在AOD 较小(<0.2) 时，结果欠理想。

这种方法一般在较暗的表面能得出理想的结果(Ichoku et al，2002; Matsui et al，2004)，但同样可能导致较大的偏差，尤其是在沿海和干旱、半干旱的亮地表地区(Abdou et al，2005)。

一般情况下，当地表反射率较低时，传感器接收的辐
射亮度值随气溶胶的增多而迅速增大。

随着地表反射率的增大，辐射亮度值随
气溶胶的增加而增大的幅度变小，当地表反射率达到一定值时，气溶胶指示作
用降低，辐射值将不随气溶胶的增加而增大，甚至出现单调递减的趋势。

因此，在干旱、半干旱和城市等高反射率地区气溶胶光学厚度还存在不少困难。

为解
决这一问题，Kaufman 等在MODIS 半年报告中给出了陆地气溶胶光学厚度获取的验证，对暗像元法进行了扩展：对于星下点，暗像元可以用于反演中红外
表观反射率小于0.4 的陆地地表，而对于非星下点，考虑了太阳和卫星几何参数，暗像元法可以扩展到中红外通道表观反射率小于0.125 ×（−1+ 0−1/2）的地区，（其中为卫星天顶角的余弦，0为太阳天顶角的余弦），红、蓝波段
的地表反射率和中红外波段的线性关系依然成立。

在这个原理基础上，可以把
暗像元算法应用于较亮地表地区的气溶胶光学厚度的反演。

结构函数法：在一个亮表面上空，气溶胶的存在既可以使卫星所测反射率
增加，也可以使之明显减小，为了解决高地表反射率对气溶胶监测的限制，出
现了新的气溶胶监测方法，结构函数法。

对于中高纬度地区冬季或干季，大多
数陆地地表反射率相对较高，即为亮地表，在暗地表上以大气程辐射为主的反
演算法用于亮地表上会产生很大的反演误差。

对比法是基于同一地区一段时间
内地表反射率不变的假设基础之上，以“清洁日”大气为参考，可以反演出“污
染日”大气气溶胶光学厚度。

Tanre 和Holben 在采用对比法时，引入了结构函数概念形成结构函数法，主要利用表观反射率的地表贡献反演气溶胶光学厚度。

结构函数法在应用于反演过程中，需要以干净的背景气溶胶作为已知。

通过地面观测的或其他途径来确定“清洁日”气溶胶光学厚度，假定地表目标无变化，由透射函数的变化就能获取其他“污染日”的气溶胶光学厚度。

这一方法依赖于单次散射反照率及不对称因子，相对于散射相函数有较好的独立性。

结构函数法由于较少受到地面反射率大小的限制，为在干旱、半干旱地区和城市地区等亮地表上空的气溶胶光学厚度反演提供了有效途径。

孙林构建城市地区的BRDF 模型结合结构函数法反演了北京地区的气溶胶光学厚度，反演结果与地面观测结果比较一致。

深蓝算法：深蓝算法与常用的暗像元算法类似，不同的是，与暗像元算法
相比，深蓝算法反演气溶胶光学厚度适用于更广泛的地表类型，所能反演的像元的地表反射率远高于暗像元算法限定的最高地表反射率。

Hsu 等发现，在高地表反射率地区，红（0.66μm）、蓝（0.47μm）和中红外波段地表反射率之
间的线性关系不成立。

相比较与陆地浓密植被地区，沙漠和半沙漠地区的地面BRDF（双向反射率分布函数）相对较弱，尤其是蓝波段最弱。

参考典型地物
标准波谱数据，在深蓝（412nm）波段，大部分地物的地表反射率都在0~0.1
之间，明显低于其它波段。

通过MODTRAN 等相关辐射传输模拟大气辐射传输过程进行敏感性试验表明：传感器在天顶位置接受到的包含气溶胶的大气表观反射率和仅包含大气分子散射时的表观反射率相比，412nm 波段的信号差别最为明显。

这主要是因为在紫外波段气溶胶吸收将减弱了卫星传感器接收到的信号强度，而在更长的可见光及红外波段较高的地表反射率成为表观反射率的主要贡献成为，从一定程度上减弱了卫星传感器接收信号对气溶胶吸收和散射的敏感性。

并且当卫星观测天顶角较大时，由于大气散射路径的延长，减小了地表反射率影响，此时490nm 波段的辐射亮度值与412nm 波段差别非常小。

此外深蓝波段分子散射和吸收都小于紫外波段，因此相比于紫外波段，利用深蓝波段反演气溶胶光学特性受气溶胶垂直廓线的影响显著偏低，因此利用深蓝波段卫星观测的表观反射率反演气溶胶光学厚度是一个行之有效的方法。

多星协同反演算法：为克服气溶胶反演过程中未知参数较多，亮地表气溶
胶信息难以从卫星信号中分离出来的困难，唐家奎等提出了基于TERRA 和AQUA 双星的MODIS 数据的协同反演算法，双星协同反演算法无需事先假定气溶胶类型等参数，无须估算地表反照率，而将地表反射率与气溶胶同时反演，可以应用于水体、城市、干旱等各种地表反射率类型。

但是该算法在气溶胶光学厚度反演时局限性较大，如难以求得方程解析解、计算速度慢，而且有些象元可能会出现不收敛或结果误差较大等问题。