简介MODIS提供的AOD数据

1MODISModerateResolutionImagingSpectradiometer简介MODIS提供的AOD数据报告人：学号：2主要内容•一、MODIS概况•二、陆地AOD算法•三、MODIS产品介绍•四、MODIS产品获取以及修正3MODIS概况•EOS（EarthObservationSystem）卫星是美国地球观测系统计划中一系列卫星的简称。第一颗EOS的上午轨道卫星于1999年12月18日发射升空，发射成功的卫星命名为TERRA，主要目的是观测地球表面。TERRA卫星载有五种对地观测仪器：先进的空间热辐射反射辐射计（ASTER）云和地球辐射能量系统（CERES）（两个相同的扫描器）多角度成像光谱辐射计（MISR）中分辨率成像光谱仪（MODIS）对流层污染探测装置（MOPITT）4EOS卫星•作为这一系列对地观测卫星中有两颗卫星成为该项目中特别引起气溶胶遥感应用的瞩目：TERRA、AQUA。5EOS卫星TERRAAQUA发射时间1999年12月18日2002年5月4日运载火箭ATLASIIASDELTACLASS轨道高度太阳同步，705公里太阳同步，705公里轨道周期98.8分钟98.8分钟过境时间上午10：30下午1:30地面重复周期16天16天重量5190公斤2934公斤展开前体积3.5米*3.5米*6.8米2.68米*2.49米*6.49米星载传感器名称MODIS、MISR、CERES、MOPITT、ASTERAIRS、AMSU－A、CERES、MODIS、HSB、AMSR-E遥测S波段S波段数据下行X波段X波段总供电功率3000瓦4860瓦卫星设计寿命5年6年6AOD算法简介•上世纪七十年代以来，气溶胶参数遥感的主流算法有四种：•①单通道和多通道反射率法•②单通道和多通道对比法•③多角度反射率法•④偏正特性遥感法•在MODIS中，考虑到业务产品的时效性，采用如下算法•对陆地：暗像元法•对海洋：多通道反射率法7陆地AOD算法•1、基本原理•2、确定地表反照率•3、确定气溶胶模式•4、查找表•5、动态气溶胶模式输入•6、气溶胶光学厚度查算8基本原理•假设卫星观测的目标表面为均匀的朗伯表面，不考虑气体吸收，那么卫星观测的表现反射率为：)()(1)()(*vsvsavsTTs等式右端第一项为大气分子和气溶胶散射发生的反射率，第二项为地表和大气共同发生的反照率。当地表反射率很小时，上述公式中的卫星观测发射率主要取决于大气贡献，即第一项，当地表反照率很大时，取决于第二项。陆地气溶胶光学厚度遥感，首先需要确定地表反射率和气溶胶模型这两个问题。a06.09地表反射率确定•陆地上的稠密植被，湿土壤以及水体覆盖区在可见光波段反射率很低，在卫星图像上称为暗像元。•观测和模拟的研究结果均表明，在晴空无云的暗像元上空，卫星观测反射率随大气气溶胶光学厚度单调增加，利用这种关系反演AOD的算法，称为暗像元法。•暗像元法主要根据植被指数（NDVI）或短波红外通道（2.13μm和3.8μm）观测值进行暗像元识别，在依据一定的关系假定这些暗像元在可见光红蓝通道的地表反射率，以此来反演气溶胶光学厚度。•该方法基于表观反射率的大气贡献项，即利用卫星观测的路径辐射反演气溶胶光学厚度。10地表反射率确定•具体暗像元的确定和红蓝通道地表反射率计算公式如下：•对于10*10个星下点分辨率为1.1km以及数目更高的500m和250m分辨率的像元组成的网格区域，在中红外波段表观反射率ρ*λ1小于一个阈值（ρthλ1）的暗像元数目Nλ1根据以下优先级标准确定：•第一优先级：0.01≤ρ*2.13≤0.05的N2.13（ρ*0.47=ρ*2.13/4，ρ*0.66=ρ*2.13/2）•第二优先级：ρ*3.8≤0.025的N3.8（ρ*0.47=0.01，ρ*0.659=0.02）•第三优先级：0.01≤ρ*2.13≤0.10的N2.13（ρ*0.47=ρ*2.13/4，ρ*0.659=ρ*2.13/2）•第四优先级：0.01≤ρ*2.13≤0.15的N2.13（ρ*0.47=ρ*2.13/4，ρ*0.659=ρ*2.13/2）•这些标准只用在不包括水体、云、冰和雪的陆面。11确定气溶胶模式反演过程中采用动态气溶胶模式输入方式实现对气溶胶类型的准确描述12查找表•针对MODIS光谱通道计算卫星观测辐射，分别生成各种模式的查找表。查找表参数设置如下：•①对每种模式考虑几个气溶胶总含量值，由0.55μm波长的光学厚度描述。•②太阳天顶角•③卫星天顶角•④由太阳方位角和卫星方位角确定的方位角•⑤地表反射率13动态气溶胶模式输入•①气溶胶光学厚度初次估算•首先利用大陆模式从红蓝通道的ρ*λi和ρ*λj推算气溶胶光学厚度，在反演过程中，利用有大陆模式生成的查算表计算气溶胶光学厚度，该查找表在地表朗伯反射率和作为光学厚度，观测和照射几何函数的观测辐射之间建立关系。在10*10km的网格区域上的气溶胶反演中使用ρ*λi和ρ*λj值是选定的暗像元中最低的10-40%部分的平均值14动态气溶胶模式输入②气溶胶模型确定•假定在决定气溶胶多次散射时，气溶胶模式仅仅处于次要位置，在多次散射中相函数细节被剔除，用大陆气溶胶模式参数从MODIS观测辐射计算气溶胶单次散射辐射Lpλ,可以表明：0p4/contcontcontPL对ԏred0.15预计观测到的光谱辐射对确定气溶胶模型不够敏感，则当初次采用大陆模式估算ԏred0.15时，反演使用大陆模式。反之，ԏred0.15初次采用大陆模式估算Lp-red/Lp-blueTh1(Θ)时，应使用沙尘模式。初次采用大陆模式估算Lp-red/Lp-blueTh2(Θ)时，应使用非沙尘模式。15动态气溶胶模式输入•②气溶胶模型确定•如果比值在两个阈值Th1(Θ)，Th2(Θ）之间，对模式进行线性内插。这样的差值会产生一个包括由烟尘或工业造成的累积模式和由土壤沙尘组成粗模式组合成的大陆模式。•作为散射角Θ的函数阈值是根据理论计算两条路径辐射的比值得出，具体如下：•对40°≤Θ≤150°Th1(Θ)=0.90，Th2(Θ)=0.72•对150°≤Θ≤168°Th1(Θ)=0.90-0.01（Θ-150），Th2(Θ)=0.72红通道和蓝通的气溶胶单次散射路径辐射之间比值随散射角变化16动态气溶胶模式输入•②气溶胶模型确定•对于非沙漠模式情况，烟尘和工业/城市气溶胶的区分是以地理位置和季节作划分，按纬度和经度带分类：•工业/城市气溶胶•北美和欧洲：（100W°-50E°；30N°-70N°）•东南亚：（105E°-150E°；15N°-45N°）•中美洲和非洲（5-11月）：（100W°-50E°；赤道-30N°）•南美和非洲（12-4月）：（100W°-50E°；65S°-赤道）•烟尘•中美洲和非洲（12-4月）：（100W°-50E°；赤道-30N°）•南美和非洲（5-12月）：（100W°-50E°；65S°-赤道）•世界其他地区17气溶胶光学厚度查算•一旦气溶胶模型确定，就可以订正光学厚度ԏred和ԏblue在新确定的气溶胶模式和以前使用的大陆模式之间的差异。由此推得从利用大陆模式计算你的光学厚度ԏλcont到在新模式的光学厚度值ԏλnew的转换关系：newnewcontcontcontnewPP...至此，实现了陆地气溶胶光学厚度的反演。特别注意的是：上式的建立依据如下假定：相函数和单次散射反照率中的差异不会影响多次散射，但会影响单次散射辐射。但是，在光学厚度很高的时候，多次散射更重要，可以预计单次散射反照率中的误差会非常大，气溶胶光学厚度反演结果的误差也会更大。18MODIS数据的应用44种标定产品大气产品陆地产品冰雪产品海洋产品19大气产品——云顶气压20MODIS数据的获取•①通过MODIS数据接收地面站直接获取。•国家MODIS共享平台设计了四个不同地理位置数据汇集系统，包括：北京、乌鲁木齐、拉萨和三亚。•②通过计算机网络获取•网址为•③通过建立通讯卫星数据广播接收站获取21MODIS产品处理流程22MODIS1B数据“蝴蝶结”现象lMODIS图像在其扫描线宽度方向由扫描条带组成，条带宽度为10（1000米分辨率）、20（500米分辨率）和40个象素（250米分辨率），所以地球的球面特性会导致扫描带两端产生数据的重叠现象，将扫描带组成遥感图像后即形成所谓的“蝴蝶结”效应（bowtie现象）。23以1公里分辨率为例，每条扫描线1354个象素，其象素尺寸在星下点为1*1公里，而随着扫描角的增大和地球曲率的影响象素尺寸逐渐增大，当扫描角为55度，其象素尺寸变为沿扫描方向4.83公里、沿轨道方向2.01公里的大小，象素尺寸随扫描角的变化规律如如上图所示。这种象素尺寸的几何形变造成两个现象：一是边沿象素对象区域的重叠现象，而且越靠近边沿，象素重叠现象越严重；二是沿扫描方向图象的压缩失真。“蝴蝶结”现象24如下图所示，Bowtie现象在星下点处不存在，随着扫描角度的变大bowtie现象逐渐加重，在边缘处达到最大值。Bowtie现象如果不预先处理，则MODIS数据就难以直接使用。MODIS数据的“蝴蝶结”效应随扫描角变化规律“蝴蝶结”现象25蝴蝶结的处理•Bowtie处理算法有“星历表法”和“非星历表法”两种。•“星历表法”是根据卫星的星历表生成标准地理网格，将数据按照其地理坐标投影到该网格上来进行匹配，在地理定标的同时消除bowtie现象。InternationalMODIS/AIRSProcessingPackage(IMAPP)和NASAGSFCMODISLevel1均使用的这种方法。Terra卫星的星历表由TDRSS星上导航系统（TDRSSOnboardNavigationSystem，TONS）生成，随着科学数据流的第二类工程组包广播到地面站。Aqua卫星没有星上导航系统，故星历表需要通过地面控制站上传到卫星然后再下传给其他地面站，或者使用估计的星历表（精确的星历表在几个小时的延迟之后才可能获得）。26