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基于MODIS 2.1um通道与可见光反射率的相关性
在气溶胶遥感中的应用
摘要：关于气溶胶遥感在土地和地球图像大气校正的一项新技术正在开发。它是基于检测的暗面目标的蓝色和红色通道，如在以前的方法中使用2.1micro;m通道，而不是他们的检测的3.75micro;m。2.1micro;m的通道是目前计划的ADEOS OCTS和GLI，EOS-MODIS和EOSP，和一个类似的陆地卫星遥感上的2.2micro;m的通道。2.1micro;m通道比3.75micro;m米通道上的优势在于它没有受到辐射的影响。大多数的气溶胶类型（除灰尘）在2.1 micro;m通道是透明的，因此可以用来检测暗面目标。从附近的圣迭戈地面和轻型飞机在美国东部缅因州和加利福尼亚获得光谱数据在蓝色（0.49micro;m），红色（0.66micro;m），和2.1micro;m的反射表面建立Landsat TM和AVIRIS收集到的航空图像的大气校正，从各种表面的结果表明，在0.49micro;m（）和0.66micro;m（)的表面反射率，可在2.2micro;m（）在=0:006为le;0:10预测到，使用=/4和=/2。在0.006个表面的反射误差对应于遥感气溶胶光学厚度,,~0.06。这些关系，利用光谱数据接近地表的植被在不同气候地区的验证。该方法扩展应用的暗目标遥感气溶胶的亮度，非森林植被。表面的高反射在2.2micro;m比3.75micro;m甚至可以使遥感的灰尘以上表面的反射率=0.150.05。对于这个反射率范围内的尘埃辐射效应在2.2micro;m是小的，在蓝色和红色通道的表面反射率可以检索到。
关键词：气溶胶，大气校正，遥感。
1 简介
常规每日遥感气溶胶从卫星在大陆和海洋的设想是获得一个全球大气气溶胶的主要手段，并确定人为排放的贡献，为了能够评估气溶胶辐射强迫的气候[19][26]。由于短的气溶胶寿命[2]，以及由此产生的强烈的空间变化的气溶胶浓度，地面站不能评估全球气溶胶的趋势。
它们是非常重要的测量气溶胶物理和光学特性[8][17][24][35]。近来在气溶胶的辐射强迫的气候阳光空间直接反映[2][20][26]，由他们自己的云微物理和反照率效应的兴趣复苏[3][11][18][22][37]。建模中的不确定性，这迫使被认为是在气候模拟中的最大的不确定性之一[6]。遥感气溶胶信息也需要进行大气校正的卫星图像的表面覆盖[15][31]几个卫星传感器，在未来几年内推出，旨在测量全球气溶胶浓度和性能，使用的光谱，反射太阳辐射的角度或偏振特性。光谱特性的EOS-MODIS强调（地球观测系统中分辨率成像光谱仪）[21][32]和ADEOS-OCTS和GLI（先进地球观测系统的海洋水色水温扫描仪和全球成像仪）传感器。角的特点是强调通过EOS-MISR（多角度成像光谱仪)[23]和ADEOS-POLDER（极化和地球的方向反射）[4]和EOS-EOSP（地球观测扫描仪）和POLDER的偏振测量。
对海洋进行遥感气溶胶是通过AVHRR [10][29]进行的，但未试过土地。然而，对土地的遥感气溶胶是很重要的，因为人为来源地位于土地，所以辐射强迫的很大一部分集中在那里[11][20]。遥感气溶胶对土地不做操作由于反射的阳光的可变表面覆盖可以与后向散射的气溶胶层混淆。地球表面反射的太阳光也影响到空间的极化信号，从而影响到探测气溶胶的极化[4]。表面反射率越低，其表面性质的不确定度越低，其表面性质的影响不确定度或偏振度。因此，它是必要的，发展的方法来检测暗面覆盖，并估计其反射率的阳光下的气溶胶层。
Kaufman和 Sendra[14]建议用浓密植被，通常是绿色的森林，为暗目标与探测利用植被指数（由辐射在红光和近红外通道）在顶部的大气测量。由于植被指数影响着的气溶胶[7]的阈值，定义了密集的植被变化从图像到图像取决于气溶胶浓度。这种严重的限制是缓解[ 9 ]和[ 13 ]，他使用了3.75micro;m通道来检测密集的植被。这种长波长的优势在于它不是由积累型气溶胶，如硫酸盐和有机颗粒[13]，它是由灰尘的影响[1]。在这个通道中的测量的反射率可以用来检测森林植被或茂密的植被像素，是最黑暗的像素的土地。为了开发一种通用阈值检测森林, Kaufman和Sendra[13]建议修正热发射该通道的亮度使用红外通道在11micro;m的辐射。此校正是复杂的表面发射率的不确定性和大气吸收的红外[30]。
利用中红外探测暗面像素的技术可以在几个方面得到改善：
- 探测在较短的中红外光谱通道，不受发射的红外辐射，但对其影响的气溶胶仍然没有抑制暗像素的检测。
- 增加的暗像素容许反射率范围，因此气溶胶遥感在土地通过预测在红色和蓝色通道，利用检测到的反射中红外而不是使用一个阈值的表面反射率的空间覆盖。红色和蓝色通道用于检测的气溶胶光学效应和负载。
- 开发一种可以适用于尘埃的遥感技术。
在本文中，我们使用2.2micro;m的通道，在陆地卫星专题制图仪（TM），表明2.1micro;m通道计划的MODIS，OCT，GLI，和ACE的传感器，可以比3.75micro;m通道检测
暗目标，估计在蓝色和红色通道的反射率，并使用它们的气溶胶遥感。
植被光谱的2.1micro;m和2.2micro;m之间的平坦的，使用TM 2.2micro;m波段和2.1micro;m波段的MODIS数据应用程序之间的差别不大。
目前还没有模型来描述从植被土壤的目标作为一个函数的植物自我阴影和液体水含量，所以本文提出的关系是完全经验。他们观察到保持平均面积的各种黑暗的场景，植被的目标。
2 2.2micro;m与0.49micro;m和0.66micro;m表面反射率对比
2.2micro;m通道是在下一个大气窗口的3.75micro;m通道窗口短。它的波长已经足够短，从300K的地球表面发射没有明显的表面反射率的影响。因此，将不会受到影响，如3.75micro;m通道，通过在发射校正的不确定性虽然会被大气吸收的影响。2.2 micro;m波长比大多数气溶胶类型的大小大得多（烟、硫酸盐等）使这些气溶胶对太阳辐射的透明在2.2micro;m。与发射修正不同的是，一旦在同一颗卫星上测量了该列中的水蒸气的量，有更大的确定性校正水蒸汽吸收的影响。为了测试它的使用，用于检测暗目标和遥感的气溶胶，我们需要知道在2.2micro;m上在何种程度上的红色和蓝色部分的光谱的地球的表面反射率相关。还有一个需要测试的残留效果的气溶胶在这个通道。一旦探测到黑暗的目标和他们的反射率估计，遥感气溶胶可以继续使用[9]和[14]概述的方法。
我们预计在蓝色或红色的光谱通道和2.2micro;m的通道的表面反射率之间的相关性，同样的原因，这样的相关性，预计和测量之间的红色和3.75micro;m通道[13]。阴影，存在的植被，并在土壤中的湿度的存在，都倾向于减少在中红外和可见光的反射率。原因是在吸收太阳辐射的红色和蓝色通道中的叶绿素，植被吸收的液态水在2.2micro;m和3.75micro;m波段。在2.2micro;m比3.75micro;m的吸收较小。潮湿的土壤，而在这些中红外通道由于水的吸收，而在光谱的可见部分，因为两者之间的差异，因为土壤颗粒的折射率和它们之间的空间是减少时的空间被提出的水。这增加了散射，所以使土壤表面变暗。
此气溶胶检测方案的物理基础，如图1所示。在本图的右侧的四个图像是在一个相当明确的一天在弗吉尼亚，巴西阿尔塔弗洛雷斯塔烟雾事件在左边的图片。
两组图像的蓝色、红色和2.2micro;m图像的灰度范围是相等的。弗吉尼亚三图像中的红色，蓝色，和2.2micro;m的通道，除了在蓝色和红色通道大气反射，看起来彼此相似，说明相关反射在这些波段的地表植被。请注意，中间0.86micro;m通道看起来不同。两个可见光波长的阿尔塔弗洛雷斯塔图像只显示气溶胶散射，但2.2micro;m的图像不是由气溶胶的影响，揭示的地表。气溶胶的检测方案是基于事实上的植被覆盖下气溶胶的蓝色和红色的反射可以从2.2micro;m的反射率估计。在红色/蓝色和这一估计的表面反射率的测量的反射率之间的差异是由于气溶胶。
图1：利用2.2micro;m通道遥感气溶胶的演示。右边的四幅图像进行了相当清楚的一天在弗吉尼亚。左边的四人超过阿尔塔弗洛雷斯塔烟雾事件期间，巴西。左列中的每个行的图像的频谱通道中给出的。还给出了可见光波长图像的光学深度。
为了找到在可见光和2.2micro;m之间的反射率的关系，我们收集了几个AVIRISL 和 Landsat TM影像，有蓝（0.49micro;m），红色（0.66micro;m）和2.2micro;m的通道。六幅图像是SCAR-A试验期间收集的（硫酸盐云和辐射实验大西洋）同时测量太阳/天空辐射计的气溶胶光学厚度低的气溶胶以及总降水量的柱。对图像进行校正，包括气体吸收在2.2micro;m的剩余大气效应。卫星图像校正是利用已知的瑞利高度的目标和6S辐射传输代码[38]进行的。通常情况下，由于路径辐射的反射率是约0.08的蓝色，在红色的0.03，和2.1micro;m的0.001。传输是约0.7-0.8的所有三个波长。大气校正的精度可以估计，德拉蒙德在2.1米处的一个后校正后的反射率的估计。水应在2.1micro;m处具有零反射率，所以这一反射系数估计的大气校正质量。这些图像，收集在七月1993在美国东部，代表绿色和潮湿的表面条件。一个AVIRIS图像是1990年九月从森林地区Howland，ME，和1992年八月的一个在Linden，干区CA，为了增加地表覆盖类型范围。对于这2个图像的气溶胶浓度没有测量，但这些位置被称为是低的气溶胶。每个图像的许多具体的表面目标的确定和大气校正表面光谱反射率的存储。表1总结了有关图像的信息和对每个图像的表面光谱特性分析的主要结果。
表1：六幅AVIRIS图像和两幅LANDSAT TM的图像的地点和时间的分析。在0.49micro;m和0.66micro;m和2.2micro;m以及给出针对反射率的截距斜率和截距的大气校正后的反射率2.1micro;m≦0.15。给出了平均值的斜坡（分别是0.25和0.51）和标准偏差。解释为一个残留的气溶胶效果或以上的修正，但具有可忽略不计的斜率的影响。
在0.49micro;m（），0.66micro;m（）和2.2micro;m（）的AVIRIS和TM影像的表面反射率之间的平均坡度关系，表1中给出的是边坡比标准偏差大三倍和六倍。对于平均坡度和的反射率，可以预测使用来计算
和 （1）
不确定性分别是值的1/3和1/6（列如；）。
截距在，和之间，被解释为残留的气溶胶效应或对气溶胶效应校正结果。截距很小，大约为0.005，同时获得的气溶胶数据比没有数据的图像小得多。在大气校正中的这些错误主要是在每个图像中的红色或蓝色的光辉，因此有一个可以忽略不计的影响在斜坡上的偏差。注意，截距的平均值远小于他们之间的标准偏差。因此，零平均截距是一个可能的值，表明该截距可能是在大气校正的不确定性的结果。为了清除大气污染物，在本文中的分析中图像的截距被去除。
在这些图像中的特定目标表面反射率之间的关系：，和的关系绘制在图2中。不同的符号被用于每个AVIRIS或Landsat TM影像。只有的数据被画在图中。结果表明在可见光和中红外通道的表面反射率之间的相关性。在预测的表面反射率在可见光信道使用的反射率在2.2micro;m的错误，随着反射率的增加而增加。表2总结了反射率、平均绝对误差（1）预测了的几个波段范围的红色和蓝色通道。对于，0.49micro;m和0.66micro;m通道的预测误差为。更亮的表面误差加倍（为）。要注意到在派生的气溶胶光学厚度（）的错误使用的预测值的表面反射率，通常是。因此。对于，这是一个典型的贡献的不确定性的表面性质的错误遥感气溶胶。
为了推广全球应用的结果，预测的表面反射率的平均绝对误差被认为是分别为不同的表面覆盖类型，并总结在表3。有四种不同类型的森林。“森林”是一个密，落叶林冠大多见于弗吉尼亚图像。“高地森林”是马里兰州西部丘陵地形的混合森林。“松树”是新泽西松林中松树林。“密集的植被”是一个较深，密集的土地表面类型穿插在新泽西的松树林。有四类“自然植被”对应的四个不同的地理区域：新泽西、弗吉尼亚州、缅因州、马里兰州。“自然植被”是一种表面类型，在可见光是绿色的，但比森林类和视觉上的明亮，是不被耕种的领域。五分之一种天然植被是指定的“丛林”，代表着毛茸茸的，在加利福尼亚的内华达山脉山麓的灰褐色的植被。“田”代表耕地所在的行或皱纹识别或在土地利用格局强烈建议培养。“作物田”的目标跨度从一个密集的绿色大棚，大多是裸露的土壤或茬。“城市”代表住宅诺福克和包括建筑物、街道、园林绿化。“土”是非常光明的目标相邻的森林或马里兰或弗吉尼亚的自然植被。“沙”指的是类似的明亮的目标，但位于新泽西，那里的土壤是非常沙地。
在表3中，从所有的图像在这项研究中所使用的表面目标，被合并为相同的类的表面覆盖。每个通道的平均反射率和标准偏差，以及测量（）和预测值（）的表面反射率在和之间的差异。这些条目是组织的，在2.2micro;m的反射率增加。
表2：在可见光通道的反射比和2.2micro;m的通道，在0.49micro;m和0.66micro;m的平均反射率，和平均绝对误差预测反射使用反射率在2.2micro;m（1）。大于0.01的错误都以黑体字强调。
图2：0.49micro;m（），0.66micro;m（）和2.2micro;m（）的表面反射率之间的散射图。不同的符号用于每个TM或AVIRIS图像（在底部的图看符号）。一般的关系和也绘制。只有第一个7月16日马里兰州的数据集绘制。
预测（）的错误不同，但它是小于或约
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