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自然资源遥感  2024, Vol. 36 Issue (4): 295-303    DOI: 10.6046/zrzyyg.2023187
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基于数据场模型的南京市气溶胶光学厚度反演
缪晨阳(), 陈健(), 马本浩
南京信息工程大学遥感与测绘工程学院,南京 210044
Inversion of aerosol optical depth in Nanjing City based on data field method
MIAO Chenyang(), CHEN Jian(), MA Benhao
School of Remote Seneing & Geomatics Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China
全文: PDF(4470 KB)   HTML  
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摘要 

高亮度地表上空的气溶胶光学厚度(aerosol optical depth, AOD)反演对于城市大气环境监测和污染岛研究等具有重要意义。该文综合考虑像元的光谱特性和空间特性,提出了一种基于数据场模型(data field method,DFM)的AOD反演方法。该方法基于Landsat OLI数据,开展了南京市上空AOD的反演研究,并分析不同空间结构、数据场强度和下垫面特征对DFM方法的影响,最后与传统的深蓝算法和MOD04产品等进行了对比分析。结果表明: DFM反演结果与CE318太阳光度计观测数据的相关系数为0.936,均方根误差、平均绝对误差和相对平均偏差分别为0.151,0.120和1.139,平均相对误差和误差比分别为22.7%和72.7%,与地面实测数据具有较高的一致性。地表数据场强度高于12的区域,DFM算法具有较好的反演效果,且在夏春季反演效果优于秋冬季,在乡村、工业区等下垫面变化剧烈区域具有更好的反演效果。

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缪晨阳
陈健
马本浩
关键词 气溶胶光学厚度数据场6S模型结构函数    
Abstract

The inversion of aerosol optical depth (AOD) above the bright surface holds great significance for monitoring urban atmospheric environment and investigating urban pollution islands. This study proposed an AOD inversion method using the data field method (DFM) by incorporating both spectral and spatial characteristics of pixels. Using the Land OLI data, this study conducted AOD inversion over Nanjing and analyzed the impacts of different spatial structures, data field intensity, and underlying surface features on the DFM. This method was then compared with the traditional Deep Blue algorithm and MOD04 products through a detailed comparative analysis. The results indicate that the DFM inversion results had a correlation coefficient of 0.936 with observations obtained using aCE318 sun photometer, a root mean square error of 0.151, a mean absolute error of 0.120, an average relative error of 22.7%, a relative mean deviation of 1.139, and an error ratio of 72.7%, demonstrating high consistency with ground-based measurements. In areas with surface data field intensity exceeding 12, the DFM algorithm exhibited superior inversion performance and proved more effective in the spring and summer than in autumn and winter. Particularly, this algorithm achieved enhanced inversion results in rural and industrial areas characterized by rapid changes in their underlying surfaces.

Key wordsaerosol optical depth    data field method    6S model    structure function method
收稿日期: 2023-06-28      出版日期: 2024-12-23
ZTFLH:  TP79  
基金资助:国家高分遥感卫星数据与产品共享交换服务平台项目“长江大保护高分综合应用”(30-Y60B01-9003-22/23)
通讯作者: 陈健(1978-),男,博士,副教授,研究方向为大气环境遥感、定量遥感。Email: chjnjnu@163.com
作者简介: 缪晨阳(1999-),男,硕士研究生,研究方向为大气遥感。Email: 1025299135@qq.com
引用本文:   
缪晨阳, 陈健, 马本浩. 基于数据场模型的南京市气溶胶光学厚度反演[J]. 自然资源遥感, 2024, 36(4): 295-303.
MIAO Chenyang, CHEN Jian, MA Benhao. Inversion of aerosol optical depth in Nanjing City based on data field method. Remote Sensing for Natural Resources, 2024, 36(4): 295-303.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/zrzyyg.2023187      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2024/V36/I4/295
成像日期 云量/% 成像日期 云量/% 成像日期 云量/%
2016-01-08 17.90 2017-05-18 6.60 2018-10-28 0.06
2016-01-24 2.50 2017-06-03 22.00 2018-11-13 18.20
2016-02-09 22.97 2017-07-21 1.13 2018-11-29 20.54
2016-02-25 0.25 2017-08-06 22.14 2019-09-13 1.13
2016-03-12 1.64 2017-08-22 22.38 2019-09-29 17.96
2016-03-28 0.72 2017-10-09 0.07 2019-10-15 5.73
2016-04-29 1.64 2017-10-25 2.96 2019-10-31 0.26
2017-03-15 6.30 2017-11-26 0.21 2019-11-16 18.25
2017-04-16 24.80 2018-10-12 7.82
Tab.1  Landsat8 OLI数据列表
Fig.1  气溶胶光学厚度反演流程
Fig.2  气溶胶光学厚度空间分布影像
成像日期 CE318太阳光 MOD04 DB MOD04 DT DFm AOD DB算法 SFM算法
度计观测结果 算法产品 算法产品 反演结果 反演结果 反演结果
2016/1/8 0.97 0.84 0.83 1.28 1.31 1.1
2016/1/24 0.23 0.19 0.19 0.37 0.56 0.54
2016/4/29 0.97 0.72 1.1 1.25 1.13 1.21
2017/4/16 1.2 0.74 0.75 1.21 1.21 1.42
2017/6/3 1.1 0.83 1.04 1.14 1.4 1.21
2017/10/9 0.473 0.1 0.23 0.41 0.51 0.68
2017/10/25 0.47 0.23 0.4 0.55 0.7 0.75
2018/10/12 0.403 0.25 0.46 0.33 0.46 0.76
2018/10/28 0.208 0.05 0.16 0.3 0.45 0.56
2019/9/13 1 0.44 0.72 0.83 1.01 1.1
2019/10/12 0.403 0.08 0.14 0.46 0.84 0.68
Tab.2  AOD反演结果对比分析表
误差 DFM
AOD
反演
结果
DB算
法反演
结果
SFM
算法反
演结果
MOD04
DB
MOD04
DT
MAE 0.120 0.196 0.235 0.269 0.162
MRE/% 22.700 47.300 58.300 45.400 25.900
RMB 1.139 1.473 1.583 0.546 0.791
RMSE 0.151 0.243 0.251 0.306 0.205
R 0.936 0.916 0.983 0.914 0.895
ER/% 72.700 54.500 45.500 27.000 63.600
Tab.3  AOD反演结果的不确定性统计表
理论 函数形式 属性相关性 空间权重
势函数 $\sum_{i=1}^{m} \sum_{j=1}^{n}\left|\rho_{x}-\rho_{i, j}\right| \cdot \sqrt{-\left(\frac{\left\|x-x_{i, j}\right\|}{\sigma}\right)^{2}}$ | ρ x - ρ i , j| $\sqrt{-\left(\frac{\left\|x-x_{i, j}\right\|}{\sigma}\right)^{2}}$
变异函数 1 2 N ( h ) i = 1 N ( h ) [ ρ ( x i ) - ρ ( x i + h ) ] 2 [ ρ ( x i ) - ρ ( x i + h ) ] 2 1 2 N ( h )
Tab.4  势函数与变异函数对比[11]
Fig.3  2017年7月秋季地表反射率、结构函数与能量场归一化场强分布直方图
Fig.4  影像地表空间特征
Fig.5  DFM,SFM,DB AOD反演结果与EE之比
Fig.6  300 m分辨率地表反射率数据场强度统计图
Fig.7  不同地表下垫面数据场强度统计图
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