利用衛星多光譜影像數據進行PM 2.5和PM 10估算的方法技術

本發明專利技術公開一種利用衛星多光譜影像數據進行PM?2.5和PM?10估算的方法，包括步驟：衛星影像的幾何糾正、衛星影像的輻射糾正、遙感數據的預處理暗像元篩選及角度信息計算、估算氣溶膠光學厚度、估算PM?2.5和PM?10。對比眾源數據，建立每個暗像元的氣溶膠光學厚度與近地面空氣觀測指標之間的關系，估算出PM?2.5和PM?10。通過本發明專利技術提供的估算方法，能夠實現大范圍、穩定地、精細化PM?2.5和PM?10估算，滿足衛星遙感技術在大范圍環境監測尤其是空氣質量評價方面的應用需求。

Method for estimating PM 2.5 and PM 10 using satellite multispectral image data

Method, PM 2.5 and PM 10 estimation of the present invention relates to a use of satellite multi spectral image data includes the steps of: satellite image geometric correction, radiometric correction, remote sensing satellite image data preprocessing of dark pixel selection and angle information calculation, estimation of aerosol optical thickness, the estimate of PM 2.5 and PM 10. The comparison of the source data, to establish a relationship between the aerosol optical thickness of each pixel of the dark and the air near the ground observation index, estimate the PM 2.5 and PM 10. Estimation method provided by the invention, to achieve large-scale, stable and precise PM 2.5 and PM 10 estimates, meet the satellite remote sensing technology in a wide range of environmental monitoring applications especially the air quality evaluation.

【技術實現步驟摘要】
利用衛星多光譜影像數據進行PM2.5和PM10估算的方法
本專利技術涉及測繪科學與
，更具體地說，本專利技術涉及一種利用衛星多光譜影像數據進行PM2.5和PM10估算的方法。
技術介紹
近年來，頻發的大規模長時間大氣污染事件，嚴重影響了人們的正常生產生活，區域性的污染形式逐漸凸顯，尤其在經濟較為發達且人口密集的大型城市，區域大氣污染已經成為研究的熱點。環境監測站監測數據通常包括SO2、NO2、PM2.5、PM10等，其中可吸入顆粒物的檢測，目前PM2.5和PM10是關注的熱點，因為其直徑分別小于2.5um和10um，不僅對人體造成直接危害，還會在大氣中吸附其他污染氣體分子，促使化學反應的發生，造成其他污染氣體的產生。氣溶膠顆粒數量的增加是灰霾天氣的主要因素之一，對于氣溶膠光學厚度的研究有助于分析灰霾信息。氣溶膠是氣體介質中加入固態或液態粒子而形成的分散體系，是影響地表能量收支平衡的決定因素之一，一般指1nm～100um之間的大氣顆粒物，主要通過散射和吸收的方式影響太陽輻射，還會成為凝結核影響云霧的形成與分布，所以氣溶膠的研究對大氣污染有著重要的意義。目前對大氣中PM2.5和PM10檢測主要是依靠地面監測站的方式獲取數據，成本較高且效率并不是很高，氣溶膠隨時間與空間的變化性較強，太陽光度計與激光測量雖然精度很高，但是由于地面觀測站數量有限，大范圍的監測仍然是一個未解決的問題。自2011年國家發起的高分衛星專項建設項目，目前已發射并投入使用的高分一號衛星搭載了四臺寬幅高分辨率多光譜相機，具有十分良好的空間和時間分辨率，能夠結合其他大氣環境數據以及環境質量評估標準等，在霧霾信息監測方面發揮十分重要的意義。
技術實現思路
針對上述技術中存在的不足之處，本專利技術提供一種利用衛星多光譜影像數據進行PM2.5和PM10估算的方法，能夠實現大范圍、穩定地、精細化PM2.5和PM10估算，滿足衛星遙感技術在大范圍環境監測尤其是空氣質量評價方面的應用需求。為了實現根據本專利技術的這些目的和其它優點，本專利技術通過以下技術方案實現：本專利技術提供一種利用衛星多光譜影像數據進行PM2.5和PM10估算的方法，包括以下步驟：衛星影像的幾何糾正：利用地面控制點和配套的數字高程模型數據進行衛星影像的幾何校正，為衛星影像進行地理編碼；衛星影像的輻射糾正：利用輻射處理參數進行衛星影像的絕對輻射定標和多時相之間的相對輻射校正；并根據輻射糾正的結果計算地面的表觀反射率取值；遙感數據的預處理：選擇衛星影像的分辨率，根據所述分辨率針對所述表觀反射率取值所表達的遙感數據進行規則化的重采樣，得到均勻尺度的遙感影像數據；暗像元篩選及角度信息計算：根據重采樣獲得的遙感影像數據，計算歸一化植被指數并在歸一化植被指數中篩選暗像元目標，計算采樣暗像元點位上對應的觀測角度信息；估算氣溶膠光學厚度：根據遙感數據多光譜波段范圍、幾何定向信息以及所述觀測角度信息，構建氣溶膠光學厚度的查找表；將每個暗像元的信息與所述查找表進行匹配得到最鄰近項對應的氣溶膠光學厚度為對應的暗像元賦值；估算PM2.5和PM10：對比眾源數據，建立每個暗像元的氣溶膠光學厚度與近地面空氣觀測指標之間的關系，估算出PM2.5和PM10。優選的是，將每個暗像元的信息與所述查找表進行匹配得到最鄰近項對應的氣溶膠光學厚度為對應的暗像元賦值的過程，采用暗像元標記的方法，包括以下步驟：假設大氣水平均一，衛星接收到的高層大氣的表觀反射率為ρTOA，則，其中，ρ0表示大氣的路徑輻射項大氣反射率，T表示大氣透過率，ρs表示地表反射率，S表示低層大氣的半球反射率，ρ0、T和S表示了大氣狀況；μs＝cosθs，μv＝cosθv，θs和θv分別表示太陽天定角與衛星天頂角；依據6S模型，在一定角度條件下計算氣溶膠光學厚度與ρ0、T及S參數之間的關系并建立查找表；假定地表反射率，獲得氣溶膠光學厚度信息；當地面反射率小到可以忽略其影響的程度時，衛星遙感影像給出的觀測值只包括大氣氣溶膠的光學信息，對于暗像元，紅藍波段與2.1um波段的地表反射率之間具有直接的比例關系為：ρred＝k1ρblue＝k2ρir；(2)結合上述(1)、(2)兩個公式和多光譜的衛星遙感數據，聯立方程組，求解氣溶膠光學厚度與紅藍波段的地表反射率等未知值，則得到：優選的是，估算出PM2.5和PM10，包括以下步驟：通過當天的位溫求導計算，得到大氣邊界層高度；在計算得到的大氣邊界高度中，根據所述氣溶膠光學厚度與對應眾源地面觀測值進行局部匹配比對，選用相關系數模型作為比對數據挑選模型；利用匹配成功的數據集及其對應的PM2.5和PM10數值，選用二次多項式擬合關系模型并計算其參數；根據所述氣溶膠光學厚度值和所述二次多項式擬合關系模型，計算得到其余區域的PM2.5和PM10的估算值。優選的是，所述多光譜波段范圍包括：紅、綠、藍、近紅外。優選的是，所述觀測角度信息包括太陽天頂角、衛星觀測天頂角以及相對方位角。優選的是，所述眾源數據包括MODIS和地面控制點的監測數據。本專利技術至少包括以下有益效果：本專利技術提供的利用衛星多光譜影像數據進行PM2.5和PM10估算的方法，該方法整合了衛星多光譜影像數據輻射校正、表觀反射率計算、暗像元標定方法、氣溶膠光學厚度計算以及有理多項式擬合模型等算法，能夠進行大范圍、穩定地、精細化、連續穩定地霧霾關鍵指標監測，計算速度較快，主要應用于空氣質量評價、環境評價等衛星遙感應用領域。本專利技術的其它優點、目標和特征將部分通過下面的說明體現，部分還將通過對本專利技術的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。附圖說明圖1為本專利技術所述的利用衛星多光譜影像數據進行PM2.5和PM10估算的方法示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。應當理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術語并不排除一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。如圖1所示，本專利技術提供一種利用衛星多光譜影像數據進行PM2.5和PM10估算的方法，其包括以下步驟：S10，衛星影像的幾何糾正：利用地面控制點和配套的數字高程模型數據進行衛星影像的幾何校正，為衛星影像進行地理編碼；S20，衛星影像的輻射糾正：利用輻射處理參數進行衛星影像的絕對輻射定標和多時相之間的相對輻射校正；并根據輻射糾正的結果計算地面的表觀反射率取值；S30，遙感數據的預處理：選擇衛星影像的分辨率，根據分辨率針對表觀反射率取值所表達的遙感數據進行規則化的重采樣，得到均勻尺度的遙感影像數據；S40，暗像元篩選及角度信息計算：根據重采樣獲得的遙感影像數據，計算歸一化植被指數并在歸一化植被指數中篩選暗像元目標，計算采樣暗像元點位上對應的觀測角度信息；S50，估算氣溶膠光學厚度：根據遙感數據多光譜波段范圍、幾何定向信息以及觀測角度信息，構建氣溶膠光學厚度的查找表；將每個暗像元的信息與查找表匹配得到最鄰近項對應的氣溶膠光學厚度為對應的暗像元賦值；S60，估算PM2.5和PM10：對比眾源數據，建立每個暗像元的氣溶膠光學厚度與近地面空氣觀測指標之間的關系，估算出PM2.5和PM10。上述實施方式中，本專利技術采用高分一號衛星寬幅相機成像的多光譜影像數據進行PM2.5和PM10估本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種利用衛星多光譜影像數據進行PM?2.5和PM?10估算的方法，其特征在于，包括以下步驟：衛星影像的幾何糾正：利用地面控制點和配套的數字高程模型數據進行衛星影像的幾何校正，為衛星影像進行地理編碼；衛星影像的輻射糾正：利用輻射處理參數進行衛星影像的絕對輻射定標和多時相之間的相對輻射校正；并根據輻射糾正的結果計算地面的表觀反射率取值；遙感數據的預處理：選擇衛星影像的分辨率，根據所述分辨率針對所述表觀反射率取值所表達的遙感數據進行規則化的重采樣，得到均勻尺度的遙感影像數據；暗像元篩選及角度信息計算：根據重采樣獲得的遙感影像數據，計算歸一化植被指數并在歸一化植被指數中篩選暗像元目標，計算采樣暗像元點位上對應的觀測角度信息；估算氣溶膠光學厚度：根據遙感數據多光譜波段范圍、幾何定向信息以及所述觀測角度信息，構建氣溶膠光學厚度的查找表；將每個暗像元的信息與所述查找表進行匹配得到最鄰近項對應的氣溶膠光學厚度為對應的暗像元賦值；估算PM?2.5和PM?10：對比眾源數據，建立每個暗像元的氣溶膠光學厚度與近地面空氣觀測指標之間的關系，估算出PM?2.5和PM?10。

【技術特征摘要】
1.一種利用衛星多光譜影像數據進行PM2.5和PM10估算的方法，其特征在于，包括以下步驟：衛星影像的幾何糾正：利用地面控制點和配套的數字高程模型數據進行衛星影像的幾何校正，為衛星影像進行地理編碼；衛星影像的輻射糾正：利用輻射處理參數進行衛星影像的絕對輻射定標和多時相之間的相對輻射校正；并根據輻射糾正的結果計算地面的表觀反射率取值；遙感數據的預處理：選擇衛星影像的分辨率，根據所述分辨率針對所述表觀反射率取值所表達的遙感數據進行規則化的重采樣，得到均勻尺度的遙感影像數據；暗像元篩選及角度信息計算：根據重采樣獲得的遙感影像數據，計算歸一化植被指數并在歸一化植被指數中篩選暗像元目標，計算采樣暗像元點位上對應的觀測角度信息；估算氣溶膠光學厚度：根據遙感數據多光譜波段范圍、幾何定向信息以及所述觀測角度信息，構建氣溶膠光學厚度的查找表；將每個暗像元的信息與所述查找表進行匹配得到最鄰近項對應的氣溶膠光學厚度為對應的暗像元賦值；估算PM2.5和PM10：對比眾源數據，建立每個暗像元的氣溶膠光學厚度與近地面空氣觀測指標之間的關系，估算出PM2.5和PM10。2.如權力要求1所述的利用衛星多光譜影像數據進行PM2.5和PM10估算的方法，其特征在于，將每個暗像元的信息與所述查找表進行匹配得到最鄰近項對應的氣溶膠光學厚度為對應的暗像元賦值的過程，采用暗像元標記的方法，包括以下步驟：假設大氣水平均一，衛星接收到的高層大氣的表觀反射率為ρTOA，則，其中，ρ0表示大氣的路徑輻射項大氣反射率，T表示大氣透過率，ρs表示地表反射率，S表示低層大氣的半球反射率，ρ0、T和S表示了大氣狀況；μs＝cosθs，μv＝cosθv，θs和θv...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王博，張竹林，岳照溪，凌霄，董克松，胡旭東，盧毅，黃方紅，
申請(專利權)人：南京航空航天大學，蘇州中科天啟遙感科技有限公司，
類型：發明
國別省市：江蘇,32