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基于TM资料估算丹江口水库及其周边的气溶胶参数.rar

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    编号:20180915222607286    类型:共享资源    大小:280.05KB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    基于 TM 资料 估算 丹江口 水库 及其 周边 气溶胶 参数
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    编号:09009210319南阳师范学院 2013 届毕业生毕业论文(设计)题 目:基于 TM 资料估算丹江口水库及其周边的气溶胶参数完 成 人: 王晓义 班 级: 2009-03 学 制: 4 年 专 业: 地理信息系统 指导教师: 戚鹏程 完成日期: 2013-04-16 目 录摘要 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (1)0 引言 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (1)1 问题分析 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (1)1.1 研究现状 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (1)1.2 研究区概况 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (2)2 数据准备 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (2) 2.1 数据简介 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (2)2.2 遥感数据资料 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (3)3 算法描述与参数分析∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (3)3.1 利用清洁水体像元法来估算气溶胶参数 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (3)3.2 确定绿光波段的气溶胶参数 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (7)4 结论分析与讨论 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (7)4.1 创新之处 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (7)4.2 存在的问题与展望∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (7)参考文献 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (9)Abstract∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (10)第 1 页( 共 15 页)基于 TM 资料估算丹江口水库及其周边的气溶胶参数作 者:王晓义指导老师:戚鹏程摘要:利用 2007 年 9 月 15 日丹江口水库地区 Landsat5 的 TM 影像通过清洁水体像元法来估算气溶胶参数。结果表明通过该方法所得到的气溶胶参数可以很好的除去大气中的程辐射(path radiance)对遥感图像的影响,它将暗目标像元的地表辐射值赋了一个很低的值,但不是零,从而减少“零”假设带来的误差,有效的校正了大气的影响。关键词: 丹江口;遥感;TM 影像;大气气溶胶;气溶胶参数0 引言气溶胶( Aerosol)是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系,它们能作为水滴和冰晶的凝结核、太阳辐射的吸收体和散射体,同时参与各种化学循环,是大气的重要组成部分。气溶胶按其来源可分为一次气溶胶(以微粒形式直接从发生源进入大气)和二次气溶胶(在大气中由一次污染物转化而生成)两种。它们可以来自被风扬起的细灰和微尘、海水溅沫蒸发而成的盐粒、火山爆发的散落物以及森林燃烧的烟尘等天然源,也可以来自化石和非化石燃料的燃烧、交通运输以及各种工业排放的烟尘等人为源。气溶胶对环境与气候有着重要的意义大气气溶胶能够影响地气系统辐射平衡,是大气污染和气候变化研究中的重要因子之一。在遥感方面,气溶胶较大的时空变化特性使它成为决定遥感精度的关键因子和空间遥感器发射前后定标的重要角色 [1]。气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)和气溶胶有效半径(effective radii of aerosol ,AER)是描述气溶胶特性的两个主要参数 [2]。1 问题分析1.1 研究现状第 2 页 (共 15 页)目前对气溶胶参数的研究大多集中在气溶胶的光学厚度、特征分析和产品应用。如:毛节泰等做的 MODIS 卫星遥感北京地区气溶胶光学厚度及与地面光度计遥感的对比 [3];李成才等做的利用 EOS 卫星上 MODIS 传感器遥感大气气溶胶光学厚度(AOD) 的研究 [4];肖钏湧等做的利用 MODIS 遥感数据反演广州气溶胶光学厚度 [5];吴序鹏等做的塔克拉玛干沙漠地区气溶胶光学厚度卫星遥感产品验证 [6];邓学良等做的卫星遥感中国海域气溶胶特征分析 [7]。以上这些研究大都基于 MODIS 数据进行的,而使用 TM 数据进行气溶胶研究尤其是对气溶胶参数的研究情况较少。基于这种现状,本文以丹江口水库及其周边地区为研究区,以 TM 数据为基础,来估算气溶胶参数,以期为其他地区的水体开展遥感影像反演气溶胶参数研究提供参考。1.2 研究区概况丹江口水库,是亚洲第一大人工淡水湖、国家南水北调中线工程水源地、国家一级水源保护区、中国重要的湿地保护区、国家级生态文明示范区。丹江口水库位于汉江中上游,由 1973 年建成的丹江口大坝下闸蓄水后形成,横跨鄂、豫两省,由汉江库区和丹江库区组成。丹江口水库多年平均入库水量为 394.8 亿立方米,水源的98%来自于汉江上游的干支流,2%来自汉江的支流丹江。水库多年平均面积 700 多平方公里,2012 年丹江口大坝加高后,水域面积将达1022.75 平方公里,蓄水量达 290.5 亿立方米,被誉为“亚洲天池”。丹江口水库水质连续 25 年稳定在国家二类以上标准,水质保持优良。丹江口水库为南水北调中线工程的取水源头,研究其气溶胶参数有助于更好的监测丹江口水库及其周围地区的环境。2 数据准备2.1 数据简介TM 影像是指美国陆地卫星 4~5 号专题制图仪(thematic mapper)所获取的多波段扫描影像。有 7 个波段,其波谱范围:TM-第 3 页 (共 15 页)1 为 0.45~0.52 微米,TM-2 为 0.52~0.60 微米,TM-3 为0.63~0.69 微米,第 4 页 (共 15 页)以上为可见光波段;TM-4 为 0.76~0.90 微米,为近红外波段;TM-5 为 1.55~1.75 微米,TM-7 为 2.08~2.35 微米,为中红外波段;TM-6 为 10.40~12.50 微米,为热红外波段。影像空间分辨率除热红外波段为 120 米外,其余均为 30 米,像幅 185×185 。每波段2km像元数达 61662 个(TM-6 为 15422 个)。一景 TM 影像总信息量为230 兆字节),约相当于 MSS 影像的 7 倍。因 TM 影像具较高空间分辨率、波谱分辨率、极为丰富的信息量和较高定位精度,成为世界各国广泛应用的重要的地球资源与环境遥感数据源。本方所采用的清洁水体像元法就是基于图像信息来获取大气参数的方法之一。2.1 遥感数据资料在相关网站(http://glovis.usgs.gov/)上下载了 2007 年 9月 15 日的丹江口水库及其周围地区的 TM 影像并下载了相关的头文件。3 算法描述与参数分析3.1 利用清洁水体像元法来估算气溶胶参数通过 TM 的中红外波段(Band7,2.215μ)来确定清洁水体像元。相对于可见光波段,中红外波段对气溶胶散射不敏感,但依然对地表特征敏感。因此,TM 中红外波段被用来确定清洁水体像元。忽略中红外波段的气溶胶散射,利用式(2-1)来计算中红外波段的离水辐射率 Lw(λ 1) [8]。11t()L1tr( ) =()-L()(2-1) 其中 为辐亮度,其值由公式( 2-2)可以得到 t1L()(2-GainDNBisA2)第 5 页 (共 15 页)式中,Gain 为增益,Bias 为偏置,其值可从 Landsat TM 数据头文件获取,见(表 1)表 1 Landsat5 的增益和偏置取值 [9]1984 年 3 月 1 日~2003 年 5 月 4 日 2003 年 5 月 4 日后波段增益 偏置 增益 偏置1 0.6024 -1.52 0.7628 -1.522 1.1751 -2.84 1.4425 -2.843 0.8058 -1.17 1.0399 -1.174 0.8145 -1.51 0.8726 -1.515 0.1081 -0.37 0.1199 -0.376 0.0551 1.2378 0.0551 1.23787 0.057 -0.15 0.0653 -0.15为瑞利散射其值可根据下式(2-3)计算 [10]:L(2-01()[()()]{[()]()}4rOZR RETPP3)式中,E O是波长为 λ 的大气上界太阳辐照度,它随着日地距离的变化而变化,通过 EO(λ)=Eos/d 2计算,其中 d 为单位日地距离,Eos 为标准太阳辐照度。λ 和 Eos 可以从 Landsat5 TM 参考手册中获取(见表 2) 。日地距离则需要根据 TM 影像获取的时间来从 USGS给出的日地距离参数表查到(见表 3) 。表 2 TM 图像辐射定参数及大气顶部太阳辐照度 [11]Band LmaxinGAINBISandwithESUNTM1 1.26880 -0.0100 0.71081 -1.42857 0.07 1957.00TM2 2.98126 0.0232 1.46140 -2.90000 0.08 1826.00TM3 1.76186 -0.0078 1.15154 -1.30000 0.06 1554.00TM4 2.81771 -0.0193 0.78927 -1.37857 0.14 1036.00TM5 0.65277 -0.0080 0.12799 -0.40000 0.20 215.00TM7 0.44375 -0.0040 0.06445 -0.14815 0.27 80.67表 3 日地距离参数查找表 [12]日数 距离 日数 距离 日数 距离1 0.9832 121 1.0076 242 1.009215 0.9836 135 1.0109 258 1.005732 0.9853 152 1.014 274 1.0011第 6 页 (共 15 页)46 0.9878 166 1.0158 288 0.997260 0.9909 182 1.0167 305 0.992574 0.9945 196 1.0165 319 0.989291 0.9993 213 1.0149 335 0.9860106 1.0033 227 1.0128 349 0.9843365 0.9833注:日数是儒略日由于本次研究所用的 TM 影像获取日期为 2007 年 9 月 15 日,所以根据上表推算出当日的日地距离为 1.0110,无量纲。第 7 波段的标准太阳辐照度为 80.67 。据此可以算出 的值为2/WmA()OE78.92412 2/mATOZ是臭氧上行和下行总透射率,这个可以由公式(2-4)计算:TOZ(λ)=exp[ —τOZ(λ) (1/μ+1/μ O)] (2-4)式中,μ O和 μ 分别为太阳天顶角和卫星天顶角的余弦,τ OZ为臭氧的光学厚度,是波长和时相的函数,τ OZ(λ)=ɑOλ ·O3。ɑ Oλ 是臭氧的吸收系数,O 3是臭氧浓度(atm-cm) 。第 7波段 的值为 0[13]。()OZτ R是瑞利光学厚度,可以写成波长和海拔的函数(2-5):τR( λ,h 0) =Hr(h 0){0.00859λ -4(1+0.0113λ-2+0.00013λ -4)} (2-5)其中,λ 为波段的中心波长,单位为 μm, ,h0 为海拔 ,单位为 km.丹江口大坝加200Hr(h)=exp(-.18h-.1)高以后,水库正常蓄水位将从 157 米提 高至 170 米 [14],基于此,本文将海拔高度定为 165m,也即 0.165km。所得到的 的值为0()Hrh0.98056km, 也即 的值为 0.0003507 。R0(,)h/mk和 分别为入射光和反射光的瑞利相位函数,计算公P( ) ( )式如下:(2-23()1cos)4RP6)第 7 页 (共 15 页)(2-203()[1(2cos)]4RP7)式中, 和 分别为入射光和反射光散射相位角,分别用式(2-8)和式(2-9)计算:(2-000coscosinsco()8)(2-000cscsisc()9)式中 , 分别为太阳的天顶角和方位角, , 分别为卫星的0天顶角和方位角,从 Landsat TM 数据头文件中获取,= , = ; = , 值不存在。所以036.415o0o14.6970o=0.80474。由cos第 8 页 (共 15 页)于对反射光的瑞利散射强度还受菲涅耳(Fresnel)反射率(2-10)的影响:()x(2-221()12[]()()xymxxy10)式中,x= ; ,m 为水的折射系数,本文取平静0,2(1)yx水面水的折射系数值为 1.33[15][16]。由前述数据可得出=0.02006, =0.02264。 为大气上行透射率,可以根据()0()t()式 (2-11)计算得到: (2-()exp{[()/2()]/cos}ROZt11) 根据前述的数据可以很容易到出 的值为 0.99983 ()t根据 TM 中红外波段的离水辐射率图像和表 3 给出的定义,把研究区分为清洁水体、一般水体和非水体像元。表 3 基于 TM 中红外波段的水体像元类型的定义1()L1.0水体像元类型 清洁水体像元 一般水体像元 非水体像元根据(2-1)和(2-11)公式可以得到 TM 中红外波段的离水辐射率图像,见图 1
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