感技术与应用 第34卷 1基于 CBERS数据利用HOT变换实现了霾的光学厚度遥感反演结果出发,开展灰霾监测研究的 移除,结果表明HOT变换处理后的图像更为清晰。方法主要分为直接监测方法和估算大气颗粒物浓度 然而,当遥感影像蓝光、红光波段的相关性较低时,的间接监测方法 HOT变换方法检测灰霾效果的精度下降[1 3.1利用气溶胶光学厚度直接监测灰霾 2.2.2TC变换方法监测灰霾 采用此类方法的研究主要是通过对AOD大小 TC变换(也称为K—T变换)是 Kauth和To-进行分级,绘制不同灰霾污染程度空间分布图,或者 mas于1976年提出的一种经验性的多光谱图像直接分析灰霾程度与气溶胶光学厚度之间的关系 正交变换,主要针对植被、土壤和水分特征进行波谱 Sifakis等[2提出了 SIPHA算法,使用高分辨 增强的一种处理方法。 Cristo3将其引入到灰霾监率卫星图像定量估算不同区域气溶胶光学厚度,用 测应用中,通过TC变换的3个特征值,对有灰霾影于霾和气溶胶制图,该方法创新之处在于弱化了大 响的 Landsat mss图像作归一化处理,结果表明气气对辐射改变的影响过程。Le等3使用卫星数 溶胶散射量的变化会使“黄度”方向明显改变,利用据、地基太阳光度计数据和实时碳粒子分析数据分 空间滤波方法消除其他噪声影响后,“黄度”信息可析了2004年6月9日至12日韩国发生的一次灰 以作为揭示大气灰霾污染程度的一个指示因子。在霾事件,结果表明这次灰霾事件受中国东部烟尘远 此基础上, Richterη提出利用改进TC变换的第四距离传输影响明显,灰霾发生时AOD超过了2.0 分量来提取霾的空间分布,通过假定云区与非霾区Li等[21假定灰霾发生期间的地表反射率与最邻近 影像直方图相同,通过匹配二者直方图来实现薄云时间晴空环境相同,采用NASA暗像元方法,反演 或者霾的去除,然而当实际应用中假定不满足时,霾北京奥运会前夕的灰霾光学厚度,结果表明该方法 检测与去除效果不理想 可以解决暗像元方法无法确定霾天环境下中红外 2.3构建灰霾指数监测灰霾 与可见光通道反射率比值的问题,估算的灰霾光学 此类方法通过分析灰霾、非灰霾区域的光谱特厚度与地面太阳光度计CE318测量结果高度 征差异,寻找特征光谱波段,构建灰霾指数,用于从致。王中挺等[2从霾粒子物理性质出发,利用米 图像中识别提取灰霾区。为了突出灰霾区域,同时理论和RT3辐射传输模式分析了霾反射特性,借 压制地表类型的背景信息,Hu等[提出了1种背鉴气溶胶反演的深蓝算法,利用 MODIS地表反射 景压制灰霾厚度指数( BSHTI),该指数被定义为率产品建立地表反射率库,提出针对HJ-1卫星 蓝、绿、红3个波段的线性函数,模型系数通过得分CCD数据的霾反演算法与数据流程,并以北京地 函数最大加以确定,多幅TM和 QuickBird实验数区为例进行了反演试验,结果表明CCD传感器的 据的结果表明检测效果较好。Zha等[通过分析第1、2波段适合于灰霾反演,深蓝算法能够区分 灰霾、非灰霾日遥感图像上地物光谱特征变化,利用轻、中、重霾,但对于轻霾监测的误差相对较大。戴 MODIS第1、4波段定义了归一化差值灰霾指数羊羊等[2以MODS卫星遥感图像作为数据源,通 NDH,结果表明灰霾区NDHI值高于非灰霾区域,过6S传输模型与V5.2算法相结合的方法来反演 NDH与地面PM10之间的线性相关性在南京、扬气溶胶,对上海地区2013年12月的一次灰霾污染 州和苏州区域分别为0.74、0.57和0.67 进行了连续监测。 3基于气溶胶光学厚度的灰霾监测 32基于大气颗粒物浓度估算的灰霾监测 近地面大气颗粒物是灰霾污染的主要因子,对 灰霾形成主要以地面颗粒物为主要贡献者,而大气颗粒物浓度进行监测是灰霾研究重要方法之 地面颗粒物与气溶胶关系密切,因此可通过对气溶 。研究发现,AOD与近地面颗粒物浓度具有一定 胶的遥感监测开展颗粒污染物以及灰霾的监测研的相关性3。许多学者结合卫星数据、地面监测 究[1。国内外许多研究已经证实了利用气溶胶光站数据,建立AOD与污染颗粒物浓度之间的相关 学厚度进行区域尺度灰霾污染监测的重要意关系,实现灰霾污染程度及其时空变化、污染来源解 义[202。一般认为,灰霾事件发生时,气溶胶光学析、区域传送以及影响因素研究 厚度变大,如Li等2认为AOD(440nm)大于1 由于卫星遥感观测到的气溶胶光学厚度是垂直 时,灰霾事件发生;Tao等[发现在高浓度灰霾区大气柱中气溶胶消光系数随高度(从地面到大气顶) 域, MODIS AOL(550mm)的值大于1。从气溶胶的积分,而且气溶胶消光系数受相对湿度影响显著等[１４]基于 CBERS数据利用 HOT 变换实现了霾的 移除,结果表明 HOT 变换处理后的图像更为清晰. 然而,当遥感影像蓝光、红光波段的相关性较低时, HOT 变换方法检测灰霾效果的精度下降[１５]. ２．２．２ TC变换方法监测灰霾 TC变换(也称为 K—T 变换)是 Kauth和 ToＧ mas [１６]于１９７６年提出的一种经验性的多光谱图像 正交变换,主要针对植被、土壤和水分特征进行波谱 增强的一种处理方法.Crist [１２]将其引入到灰霾监 测应用中,通过 TC变换的３个特征值,对有灰霾影 响的 LandsatMSS图像作归一化处理,结果表明气 溶胶散射量的变化会使“黄度”方向明显改变,利用 空间滤波方法消除其他噪声影响后,“黄度”信息可 以作为揭示大气灰霾污染程度的一个指示因子.在 此基础上,Richter [１７]提出利用改进 TC变换的第四 分量来提取霾的空间分布,通过假定云区与非霾区 影像直方图相同,通过匹配二者直方图来实现薄云 或者霾的去除,然而当实际应用中假定不满足时,霾 检测与去除效果不理想. ２．３ 构建灰霾指数监测灰霾 此类方法通过分析灰霾、非灰霾区域的光谱特 征差异,寻找特征光谱波段,构建灰霾指数,用于从 图像中识别提取灰霾区.为了突出灰霾区域,同时 压制地表类型的背景信息,Hu等[１５]提出了１种背 景压制 灰 霾 厚 度 指 数 (BSHTI),该 指 数 被 定 义 为 蓝、绿、红３个波段的线性函数,模型系数通过得分 函数最大加以确定,多幅 TM 和 QuickBird实验数 据的结果表明检测效果较好.Zha等[１８]通过分析 灰霾、非灰霾日遥感图像上地物光谱特征变化,利用 MODIS第 １、４ 波 段 定 义 了 归 一 化 差 值 灰 霾 指 数 NDHI,结果表明灰霾区 NDHI值高于非灰霾区域, NDHI与地面 PM１０之间的线性相关性在南京、扬 州和苏州区域分别为０．７４、０．５７和 ０．６７. ３ 基于气溶胶光学厚度的灰霾监测 灰霾形成主要以地面颗粒物为主要贡献者,而 地面颗粒物与气溶胶关系密切,因此可通过对气溶 胶的遥感监测开展颗粒污染物以及灰霾的监测研 究[１９].国内外许多研究已经证实了利用气溶胶光 学 厚 度 进 行 区 域 尺 度 灰 霾 污 染 监 测 的 重 要 意 义[４,２０Ｇ２１].一般认为,灰霾事件发生时,气溶胶光学 厚度变 大,如 Li等[２２]认 为 AOD(４４０nm)大 于 １ 时,灰霾事件发生;Tao等[２３]发现在高浓度灰霾区 域,MODISAOD(５５０nm)的值大于１.从气溶胶 光学厚度遥感反演结果出发,开展灰霾监测研究的 方法主要分为直接监测方法和估算大气颗粒物浓度 的间接监测方法. ３．１ 利用气溶胶光学厚度直接监测灰霾 采用此类方法的研究主要是通过对 AOD 大小 进行分级,绘制不同灰霾污染程度空间分布图,或者 直接分析灰霾程度与气溶胶光学厚度之间的关系. Sifakis等[２４]提出了 SIPHA 算法,使用高分辨 率卫星图像定量估算不同区域气溶胶光学厚度,用 于霾和气溶胶制图,该方法创新之处在于弱化了大 气对辐射改变的影响过程.Lee等[２５]使用卫星数 据、地基太阳光度计数据和实时碳粒子分析数据分 析了２００４年６月９日至１２日韩国发生的一次灰 霾事件,结果表明这次灰霾事件受中国东部烟尘远 距离传输影响明显,灰霾发生时 AOD 超过了２．０. Li等[２６]假定灰霾发生期间的地表反射率与最邻近 时间晴空环境相同,采用 NASA 暗像元方法,反演 北京奥运会前夕的灰霾光学厚度,结果表明该方法 可以解决暗像元方法无法确定霾天环境下中红外 与可见光通道反射率比值的问题,估算的灰霾光学 厚度与地 面 太 阳 光 度 计 CE３１８ 测 量 结 果 高 度 一 致.王中挺等[２７]从霾粒 子 物 理 性 质 出 发,利 用 米 理论和 RT３辐射传输模式分析了霾反射特性,借 鉴气溶胶反演的深蓝算法,利用 MODIS地表反射 率产品 建 立 地 表 反 射 率 库,提 出 针 对 HJＧ１ 卫 星 CCD 数据的霾反演算法与数 据 流 程,并 以 北 京 地 区为例进行了反演试验,结果表明 CCD 传感器的 第１、２ 波段适合于灰霾反演,深蓝 算 法 能 够 区 分 轻、中、重霾,但对于轻霾监测的误差相对较大.戴 羊羊等[２８]以 MODIS卫星遥感图像作为数据源,通 过６S传输模型与 V５．２算法相结合的方法来反演 气溶胶,对上海地区２０１３年１２月的一次灰霾污染 进行了连续监测. ３．２ 基于大气颗粒物浓度估算的灰霾监测 近地面大气颗粒物是灰霾污染的主要因子,对 大气颗粒物浓度进行监测是灰霾研究重要方法之 一.研究发现,AOD与近地面颗粒物浓度具有一定 的相关性[２９Ｇ３３].许多学者结合卫星数据、地面监测 站数据,建立 AOD 与污染颗粒物浓度之间的相关 关系,实现灰霾污染程度及其时空变化、污染来源解 析、区域传送以及影响因素研究. 由于卫星遥感观测到的气溶胶光学厚度是垂直 大气柱中气溶胶消光系数随高度(从地面到大气顶) 的积分,而且气溶胶消光系数受相对湿度影响显著, １４ 遥 感 技 术 与 应 用 第３４卷