楊以坤，孫 林，韋 晶，田信鵬，賈 臣

(山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

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MODIS C5、C6氣溶膠產(chǎn)品驗(yàn)證及區(qū)域適應(yīng)性評(píng)價(jià)

楊以坤，孫 林，韋 晶，田信鵬，賈 臣

(山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

MODIS Collection 5(C5)、Collection 6(C6)氣溶膠產(chǎn)品是當(dāng)前NASA提供的兩種逐日氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Depth，AOD)產(chǎn)品，可以為大氣顆粒物污染評(píng)價(jià)以及氣候效應(yīng)影響研究提供重要的數(shù)據(jù)支撐，但兩種產(chǎn)品分別基于不同的氣溶膠反演方法生成，明確兩種產(chǎn)品氣溶膠反演方法的精度和區(qū)域適應(yīng)性對(duì)用戶合理選擇數(shù)據(jù)產(chǎn)品具有重要意義。以分布于我國(guó)的AERONET(Aerosol Robotic Network，AERONET)數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析了兩種產(chǎn)品在幾種典型區(qū)域的精度以及區(qū)域適應(yīng)性。結(jié)果表明：①C6 DT算法整體反演精度略優(yōu)于C5 DT算法；②與DT算法相比DB具有較高的整體反演精度(R=0.91，RMSE～0.166，MAE～0.116)，氣溶膠有效觀測(cè)天數(shù)明顯增加，能夠降低15%左右的氣溶膠高估情況；③C6 DT算法在濃密植被地區(qū)整體精度較高，但在亮地表區(qū)域適應(yīng)能力較差，產(chǎn)品缺失值嚴(yán)重；而DB算法均能實(shí)現(xiàn)暗地表和亮地表區(qū)域上的氣溶膠反演，尤其在城市、稀疏植被覆蓋氣溶膠反演精度整體較高，空間連續(xù)性得到明顯改善。

MODIS；氣溶膠光學(xué)厚度；AERONET；暗目標(biāo)法；深藍(lán)算法

氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Depth，AOD)是消光系數(shù)在垂直方向上對(duì)整層大氣的積分，也是氣溶膠光學(xué)特性的一項(xiàng)重要參數(shù)，反映了氣溶膠對(duì)光的衰減作用，是定量描述氣溶膠氣候輻射強(qiáng)迫的重要參量[1]。目前大氣氣溶膠測(cè)量方法主要包括地基監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星遙感反演技術(shù)。地基監(jiān)測(cè)能夠?qū)崟r(shí)獲取空間某點(diǎn)在不同波長(zhǎng)處的詳細(xì)氣溶膠光學(xué)厚度信息，但由于觀測(cè)設(shè)備、觀測(cè)條件的限制，無(wú)法獲取廣域尺度范圍內(nèi)的氣溶膠信息，難以從宏觀上反映氣溶膠的分布狀況和變化趨勢(shì)[2]。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速發(fā)展，氣溶膠遙感反演可以彌補(bǔ)氣溶膠地基監(jiān)測(cè)手段在空間觀測(cè)尺度的不足，能夠獲得大范圍的氣溶膠數(shù)據(jù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)大氣氣溶膠衛(wèi)星遙感反演做了大量研究，逐漸發(fā)展成較為成熟的氣溶膠光學(xué)厚度反演算法，主要包括暗目標(biāo)算法[3-5](Dark Target，DT)、結(jié)構(gòu)函數(shù)法[6]、深藍(lán)算法[7-9](Deep Blue，DB)等。這些氣溶膠反演算法已被廣泛應(yīng)用到NOAA/AVHRR[10]、VIIRS[11]、MODIS[4-5、12-13]、Landsat 8[14-15]、HJ衛(wèi)星[16-17]、FY衛(wèi)星[18]等多種傳感器，并以較高精度實(shí)現(xiàn)了不同區(qū)域上空的氣溶膠光學(xué)厚度反演。其中DT和DB算法已經(jīng)作為MODIS氣溶膠產(chǎn)品的主要反演算法，并提供了全球逐日的氣溶膠觀測(cè)產(chǎn)品(MOD04)。到目前為止，MODIS氣溶膠產(chǎn)品經(jīng)歷了多次版本更新，目前，官網(wǎng)提供了MOD04 C5和C6兩種氣溶膠產(chǎn)品版本，其中DT和DB算法為兩種產(chǎn)品的核心氣溶膠反演算法。定量分析和評(píng)價(jià)不同MODIS氣溶膠在不同地區(qū)的適用性，對(duì)用戶合理選擇和使用產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行氣溶膠研究具有重要意義。

針對(duì)MODIS氣溶膠產(chǎn)品的驗(yàn)證以及區(qū)域適應(yīng)性分析，已開(kāi)展大量研究工作[19]。夏祥鰲[20]運(yùn)用全球AERONET地基觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)MODIS氣溶膠產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證分析，發(fā)現(xiàn)MODIS氣溶膠產(chǎn)品在陸地上整體高于實(shí)測(cè)值；王莉莉等[21]運(yùn)用太陽(yáng)分光觀測(cè)網(wǎng)(CSHNET)氣溶膠光學(xué)厚度地基聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，評(píng)估MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品數(shù)據(jù)在中國(guó)不同生態(tài)類(lèi)型和地理區(qū)域的適用性，發(fā)現(xiàn)在地表類(lèi)型均一，植被覆蓋良好的區(qū)域具有較高的反演精度。周春艷等[22]對(duì)比分析了MOD04 C4和C5兩種產(chǎn)品及其在中國(guó)北方地區(qū)的適用性，發(fā)現(xiàn)MOD04 C4和C5產(chǎn)品在中國(guó)北方的高反射地區(qū)反演精度較差，而C5產(chǎn)品在濃密植被地區(qū)具有較高的反演精度，適用性較高；Xia等[23]利用氣溶膠地基觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)我國(guó)西北干旱半干旱地區(qū)的MOD04 C4、C5和DB產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明C5產(chǎn)品在反演精度上較C4產(chǎn)品有較大改善。張曉雷等[24]利用AERONET地基觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)MODIS C6 3 km數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明MODIS 3 km氣溶膠產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，整體反演精度較高，但氣溶膠高估現(xiàn)象明顯。

為了定量分析和評(píng)價(jià)當(dāng)前MODIS氣溶膠產(chǎn)品的精度及其在不同區(qū)域的適應(yīng)性，本文選擇高、中、低地表反射率多層次分布，地表結(jié)構(gòu)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的多種地表類(lèi)型區(qū)域作為研究區(qū)，分別選擇國(guó)內(nèi)典型的植被覆蓋區(qū)、城市高亮地區(qū)和西北荒漠地區(qū)，運(yùn)用AERONET地基觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)MOD04 C5和C6兩種氣溶膠產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比，探討和確定MOD04兩種典型產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)不同地區(qū)的適應(yīng)性。

1 MODIS氣溶膠反演算法

MODIS是搭載在Terra和Aqua衛(wèi)星上的一個(gè)重要傳感器，分別于1999年12月18日和2002年5月4日發(fā)射成功。具有36個(gè)波段，能夠?qū)崿F(xiàn)0.4～14 μm全光譜范圍覆蓋，空間分辨率包括250 m、500 m和1 km，每?jī)商炜蓪?shí)現(xiàn)一次全球覆蓋。由于其較高的空間分辨率、重訪周期短的優(yōu)勢(shì)，MODIS被廣泛應(yīng)用到全球地表、生物圈、大氣和海洋等研究中。MODIS提供陸地、大氣和海洋等44種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，其中MOD04為NASA發(fā)布的MODIS二級(jí)大氣氣溶膠產(chǎn)品，該產(chǎn)品首次給出全球尺度逐日的氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)，在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[19]。MOD04產(chǎn)品能夠提供470、550、650 nm不同波長(zhǎng)逐日的氣溶膠觀測(cè)數(shù)據(jù)，目前可用的C5版本空間分辨率為10 km，C6版本空間分辨率為3 km和10 km，反演算法包括DT算法和DB算法。

1.1 MODIS DT陸地氣溶膠反演算法

在低地表反射率情況下，衛(wèi)星測(cè)得的反射率隨大氣氣溶膠光學(xué)厚度的增加而增加，這是暗目標(biāo)法氣溶膠光學(xué)厚度反演的基本原理[25]。最初MODIS地表反射率的確定是基于Kaufman等[4]提出的假設(shè)，即在暗目標(biāo)區(qū)域，近紅外波段的地表反射率與紅波段和藍(lán)波段地表反射率之間存在著固定的線性關(guān)系即：0.47 μm的地表反射率為2.1 μm地表反射率的1/4，0.66 μm的地表反射率為2.1 μm地表反射率的1/2。MODIS C5與C6 DT AOD反演時(shí)地表反射率的確定采用的新思想：在暗目標(biāo)地區(qū)，波段與近紅外波段地表反射率的關(guān)系是散射角(Θ)和植被指數(shù)的函數(shù)，紅波段與藍(lán)波段地表反射率有固定的線性關(guān)系，從而計(jì)算出紅波段和藍(lán)波段的地表反射率，詳細(xì)氣溶膠反演算法參見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。

與MODIS C5 DT算法相比，C6 DT反演算法在重塵(AOD?1.0)時(shí)對(duì)云掩膜算法、氣溶膠類(lèi)型和產(chǎn)品質(zhì)量控制等方面做了較多改進(jìn)。例如，在重塵時(shí)云掩膜算法利用0.47 μm(500 m分辨率)和1.38 μm(1 km分辨率)兩個(gè)波段進(jìn)行。具體如下：

(1)

其中：σ*、σ分別為3×3像元的表觀反射率絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差和平均加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)差。

1.2 MODIS DB陸地氣溶膠反演算法

暗目標(biāo)氣溶膠反演算法只能夠反演水體和濃密植被等地表反射率較低地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度，對(duì)于城市、沙漠等高地表反射率地區(qū)，該方法無(wú)能為力。Hsu等[7-8]發(fā)現(xiàn)即使在城市、沙漠等高地表反射率地區(qū)，MODIS深藍(lán)波段的地表反射率仍然較低，如果地表反射率能夠準(zhǔn)確確定，即可實(shí)現(xiàn)高亮地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度反演?；谶@一發(fā)現(xiàn)，Hsu等提出一種適用于高亮地表氣溶膠反演的深藍(lán)算法，運(yùn)用MODIS數(shù)據(jù)成功對(duì)撒哈拉沙漠地區(qū)進(jìn)行氣溶膠反演，達(dá)到較高的反演精度。

DB算法基于大部分地物的地表反射率在較短時(shí)間保持不變這一假設(shè)，利用SeaWiFS地表反射率數(shù)據(jù)構(gòu)建了季節(jié)性的地表反射率數(shù)據(jù)庫(kù)，以此提供真實(shí)地表反射率數(shù)據(jù)支持氣溶膠反演。由于地表反射率數(shù)據(jù)庫(kù)僅是季節(jié)的函數(shù)，這種方法在沙漠和半干旱地區(qū)等地表反射率年際變化及受雙向反射分布函數(shù)(BidirectionalReflectanceDistributionFunction,BRDF)影響較小的地區(qū)取得較好結(jié)果；但在植被和非植被混合的像元地區(qū)反演精度較低。與MOD04C5DB算法相比，C6DB算法在地表反射率數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建、氣溶膠模式選擇和云/雪掩膜算法等方面進(jìn)行了改進(jìn)[9]。

C6DB氣溶膠反演算法在構(gòu)建地表反射率數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，首先利用MODIS地表類(lèi)型產(chǎn)品(MCD12C1)將地表類(lèi)型劃分為四類(lèi)：干旱和半干旱區(qū)域、植被區(qū)域、城市及邊緣過(guò)渡區(qū)域和冰雪；除冰雪地區(qū)外在不同地表類(lèi)型區(qū)域利用不同的方法計(jì)算地表反射率。

在干旱和半干旱區(qū)域，為更好地獲取觀測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，MOD04C6DB利用2002—2009年8年的MODIS表觀反射率數(shù)據(jù)輔助地表反射率數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，利用MODIS三個(gè)波段的表觀反射率進(jìn)行云、云邊緣和厚氣溶膠檢測(cè)；同時(shí)為減小地表覆蓋類(lèi)型的潛在變化，地表反射率數(shù)據(jù)庫(kù)除考慮季節(jié)變化外，利用NDVI判定季節(jié)性和暫時(shí)水體。最后將像元地表反射率值與散射角進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合確定地表反射率數(shù)據(jù)庫(kù)，其中散射角(Φ)定義為：

Φ=cos-1(-cosθ0cosθ+sinθ0sinθcosφ)。

(2)

其中θ0、θ、φ分別為太陽(yáng)天頂角、衛(wèi)星天頂角和相對(duì)方位角。

在植被區(qū)域，根據(jù)可見(jiàn)光和近紅外波段地表反射率的關(guān)系說(shuō)明植物物候變化對(duì)地表反射率的影響。利用AERONET站點(diǎn)監(jiān)測(cè)的氣溶膠光學(xué)厚度和單次散射反照率數(shù)據(jù)支持MODIS影像進(jìn)行大氣校正得到參照地表反射率。根據(jù)2.1μm通道表觀反射率(R2.1)和地表覆蓋類(lèi)型估計(jì)可見(jiàn)光通道地表反射率，公式如下：

ESR0.65=a+b×R2.1+c×(R2.1)2,

(3)

ESR0.47=d+e×ESR0.65。

(4)

其中，ESR為地表反射率的估計(jì)值，系數(shù)a、b、c、d和e是將參考地表反射率和AERONET站點(diǎn)觀測(cè)值進(jìn)行最小二乘擬合得到。

在城市及邊緣過(guò)渡區(qū)域，可見(jiàn)光波段地表反射率與2.1μm的地表反射率無(wú)線性關(guān)系，并且受BRDF影響較大；因此在地表反射率庫(kù)構(gòu)建時(shí)，利用混合方法確定地表反射率，即結(jié)合深藍(lán)地表底層數(shù)據(jù)庫(kù)與地表BRDF角度效應(yīng)。根據(jù)AERONET站點(diǎn)監(jiān)測(cè)的氣溶膠厚度(AOT<0.5)對(duì)影像進(jìn)行大氣校正獲得地表反射率數(shù)據(jù)，以此來(lái)降低氣溶膠光學(xué)厚度對(duì)地表反射率確定的影響；同時(shí)為減小植被變化對(duì)地表反射率的影響，根據(jù)NDVI值將地表反射率劃分成3個(gè)NDVI組：NDVI≤0.19；0.190.24。然后在不同NDVI組和不同季節(jié)對(duì)散射角度和地表反射率進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，最后根據(jù)散射角度和深藍(lán)地表底層數(shù)據(jù)庫(kù)得到地表反射率數(shù)據(jù)。

C5 云/雪掩膜算法根據(jù)0.412μm波段3×3像元表觀反射率的變化，利用閾值進(jìn)行云/雪掩膜。在地表反射率變化較大的地區(qū)，為充分進(jìn)行云像元的掩膜，C6云/雪掩膜算法除利用0.412μm波段表觀反射率外，還利用11μm波段的亮度溫度以及11μm波段和12μm波段亮度溫度之差的關(guān)系進(jìn)行云檢測(cè)；綜合使用熱紅外波段和藍(lán)光波段能夠更清楚地辨別云和下墊面特別是高亮的非均一地表。C6算法利用1.38μm表觀反射率、11μm亮度溫度、11，12μm波段亮度溫度之差和大氣可降水量作為輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行薄卷云檢測(cè)。

總體來(lái)說(shuō)，MODISC6DB氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品，首先利用1km分辨率影像進(jìn)行氣溶膠光學(xué)厚度反演，然后再將其合成10km分辨率的氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品，并且改進(jìn)了云掩模算法和地表反射率數(shù)據(jù)庫(kù)，更新了塵埃顆粒識(shí)別的氣溶膠模型方案，并修訂了產(chǎn)品質(zhì)控[26]。

2 數(shù)據(jù)源及評(píng)價(jià)方法

2.1 AERONET數(shù)據(jù)及處理

2.1.1 數(shù)據(jù)介紹

AERONET(AerosolRoboticNetwork)是由NASA和LOA-PHOTONS(CNRS)聯(lián)合建立的全球地基氣溶膠遙感觀測(cè)網(wǎng)。目前，AERONET已經(jīng)覆蓋全球主要區(qū)域，該數(shù)據(jù)利用CIMEL自動(dòng)太陽(yáng)光度計(jì)(SPAM)觀測(cè)得到，可以提供380,440,500,675,870,1020nm波長(zhǎng)處的氣溶膠光學(xué)厚度，每15min提供一次觀測(cè)數(shù)據(jù)[27]。數(shù)據(jù)整體精度較高，誤差約0.01～0.02。AERONET對(duì)于研究全球氣溶膠的傳輸、氣溶膠輻射效應(yīng)、驗(yàn)證輻射傳輸模式以及校驗(yàn)衛(wèi)星遙感氣溶膠的結(jié)果具有重要作用[28]。AERONET提供了3個(gè)質(zhì)量等級(jí)的氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)：Level1.0，未經(jīng)過(guò)濾云和最后驗(yàn)證的數(shù)據(jù)；Level1.5，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格濾云但沒(méi)有最后驗(yàn)證的數(shù)據(jù)；Level2.0，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格濾云和質(zhì)量控制的數(shù)據(jù)。本文運(yùn)用的AERONET觀測(cè)數(shù)據(jù)詳細(xì)信息如表1所示。

表1AERONET站點(diǎn)詳細(xì)信息

Tab.1ThedetailedinformationofAERONETstation

站點(diǎn)名稱經(jīng)度/(°E)緯度/(°N)高程/m級(jí)別時(shí)間地表類(lèi)型Beijing116.381439.976992.002.02013城市Beijing_RADI116.378640.004859.001.52013城市Beijing-CAMS116.316739.9333106.02.02013城市XiangHe116.961539.753636.002.02013植被SACOL104.137135.94601965.802.02010植被NAM_CO90.962530.77254740.002.02010—2014荒漠

2.1.2 數(shù)據(jù)處理

MODIS提供了470、550、660nm波長(zhǎng)處的氣溶膠光學(xué)厚度，與AERONET地面觀測(cè)數(shù)據(jù)沒(méi)有對(duì)應(yīng)的波段。為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)用AERONET數(shù)據(jù)對(duì)MODIS氣溶膠反演產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比，首先需要對(duì)兩者進(jìn)行波長(zhǎng)匹配，本文運(yùn)用的是MODIS550nm處的氣溶膠產(chǎn)品；然后利用?ngstr?m指數(shù)對(duì)AERONET數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，得到550nm處的氣溶膠實(shí)測(cè)值。在無(wú)水汽影響的波段上，氣溶膠離子的譜分布滿足Junge分布，氣溶膠光學(xué)厚度與波長(zhǎng)的定量關(guān)系滿足下式[29]：

τa(λ)=βλ-α。

(5)

其中，τa(λ)表示波長(zhǎng)λ的氣溶膠光學(xué)厚度；β表示?ngstr?m渾濁度系數(shù)，與氣溶膠粒子總數(shù)、粒子譜分布和折射指數(shù)有關(guān)；α表示?ngstr?m波長(zhǎng)指數(shù)，與氣溶膠的平均半徑有關(guān)。利用AERONET地基監(jiān)測(cè)站點(diǎn)提供的0.44,0.5,0.675μm處的氣溶膠光學(xué)厚度帶入式(5)求出β和α，然后將λ=0.55μm帶入求得0.55μm處的氣溶膠光學(xué)厚度。

MOD04氣溶膠產(chǎn)品的氣溶膠值表示空間上10×10km2的瞬時(shí)氣溶膠光學(xué)厚度，而AERONET氣溶膠光學(xué)厚度是每隔15min的瞬時(shí)觀測(cè)值；MODIS衛(wèi)星在中國(guó)地區(qū)的過(guò)境時(shí)間約為當(dāng)?shù)貢r(shí)間10:30，MODIS與AERONET氣溶膠監(jiān)測(cè)的空間和時(shí)間尺度均不相同。如果取衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間的AERONET觀測(cè)值與單個(gè)像元(10×10km)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行對(duì)比可信度較低，并且容易出現(xiàn)奇異值現(xiàn)象。為了提高二者對(duì)比結(jié)果的可信度，需要將衛(wèi)星和地面氣溶膠監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空匹配。本文采用以地基觀測(cè)站點(diǎn)為中心，根據(jù)周?chē)?×3像元(10km分辨率)標(biāo)準(zhǔn)差去除異常值后取平均值，然后與衛(wèi)星過(guò)境前后30min內(nèi)的地面觀測(cè)的氣溶膠光學(xué)厚度平均值進(jìn)行對(duì)比。

2.2 評(píng)價(jià)方法

利用最小二乘原理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合估計(jì)數(shù)據(jù)集擬合的斜率和截距，同時(shí)計(jì)算均方根誤差(Root-Mean-Square-Error，RMSE)、平均絕對(duì)誤差(Mean-Absolute-Error，MAE)、MODIS氣溶膠產(chǎn)品在陸地上的期望誤差(Expected-Error，EE)和相對(duì)平均偏差(Relative-Mean-Bias，RMB)等指標(biāo)，定量評(píng)價(jià)和分析氣溶膠的反演精度及不確定性，其中RMB>1.0和RMB<1.0時(shí)分別表示氣溶膠光學(xué)厚度反演值整體呈現(xiàn)高估和低估現(xiàn)象。

(6)

(7)

EE=±(0.05+0.2AODAERONET);

(8)

(9)

3 結(jié)果與分析

3.1 MOD04 C5 DT與C6 DT氣溶膠產(chǎn)品對(duì)比驗(yàn)證

圖1為MOD04 C5、C6 DT氣溶膠產(chǎn)品的對(duì)比驗(yàn)證圖。其中,虛線表示MODIS氣溶膠產(chǎn)品在陸地上的期望誤差；黑色實(shí)線表示Y=X；長(zhǎng)劃線為線性回歸擬合曲線。由圖1可以看出，MODIS DT算法與AERONET地基觀測(cè)數(shù)據(jù)整體具有較高的一致性(R>0.80)，其中C6 DT算法的有效觀測(cè)點(diǎn)對(duì)整體少于C5 DT算法，原因是C6 DT算法在云掩膜、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制上進(jìn)行一定改進(jìn)，減少部分異常值。MOD04 C5 DT有50%的觀測(cè)點(diǎn)對(duì)滿足MODIS氣溶膠反演期望誤差，而C6 DT有53.1%的觀測(cè)點(diǎn)對(duì)滿足期望誤差?？梢哉f(shuō)明，與C5 DT算法相比(R=0.814，RMSE=0.205，MAE=0.141)，C6 DT算法具有更高的氣溶膠整體反演精度，其反演值與地基觀測(cè)數(shù)據(jù)具有更高的一致性(R=0.881)，兩者具有較小的均方根誤差(RMSE=0.173)和平均絕對(duì)誤差(MAE=0.131)。尤其在氣溶膠值較小時(shí)(AOD<0.5)，C6 DT算法的氣溶膠反演值與實(shí)測(cè)值間的吻合度整體高于C5 DT算法。

3.2 MOD04 C6 DT與C6 DB氣溶膠產(chǎn)品對(duì)比驗(yàn)證

圖2(a)、2(b)分別為MOD04 C6 DT和DB氣溶膠產(chǎn)品的對(duì)比驗(yàn)證圖。從圖2中可以看出，與MOD04 C6 DT算法相比(R=0.881，RMSE=0.173，MAE=0.131，RMB=1.157)，DB算法的氣溶膠反演值與AERONET地基觀測(cè)數(shù)據(jù)具有更高的一致性，兩者相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.91，均方根誤差(RMSE～0.166)和相對(duì)誤差(MAE～0.116)整體較小，有61.9%的觀測(cè)點(diǎn)對(duì)滿足MODIS氣溶膠產(chǎn)品誤差精度要求，能夠有效減少15%左右的氣溶膠反演高估現(xiàn)象(RMB=1.001)。其次，由于DB算法能夠?qū)崿F(xiàn)暗地表和亮地表區(qū)域氣溶膠反演，DB算法的有效觀測(cè)點(diǎn)數(shù)(N=821)明顯高于DT算法(N=371)，且氣溶膠反演值域范圍更廣(0～2.5)。當(dāng)氣溶膠光學(xué)厚度較小(AOD<0.5)時(shí)，DB算法的氣溶膠反演值與地基觀測(cè)數(shù)據(jù)具有更高的吻合度；同時(shí)，DB算法能夠?qū)崿F(xiàn)高污染天氣(AOD>1.5)下的氣溶膠光學(xué)厚度反演，且反演精度整體較高。因此,可以說(shuō)明C6 DB算法的氣溶膠反演精度整體高于C6 DT算法。

圖1 MODIS DT C5(a)與C6 (b) AOD有效性驗(yàn)證(分辨率10 km)

Fig.1 Validation of MODIS DT C5(a) and C6 (b) AOD (10 km resolution)

圖2 MODIS DT C6(a)與DB C6 (b) AOD有效性驗(yàn)證(分辨率10 km)

Fig.2 Validation of MODIS DT C6(a) and DB C6 (b) AOD(10 km resolution)

3.3 MOD04 C6 DT與C6 DB氣溶膠產(chǎn)品區(qū)域適應(yīng)性評(píng)價(jià)

MODIS DT與DB氣溶膠反演算法在地表反射率確定方法上存在較大差異。在城市地區(qū)BRDF和混合地表類(lèi)型對(duì)地表反射率的確定影響明顯；在植被茂密地區(qū)，由于植被隨季節(jié)的生長(zhǎng)規(guī)律導(dǎo)致地表反射率有較大變化，不同氣溶膠反演算法在不同區(qū)域的適應(yīng)性有一定差異。因此，本文分別選擇濃密植被地區(qū)、氣溶膠反演困難的城市地區(qū)以及荒漠等稀疏植被地區(qū)，驗(yàn)證和對(duì)比MOD04 C6兩種不同氣溶膠產(chǎn)品在不同區(qū)域上的適應(yīng)性。

3.3.1 城市地區(qū)

圖3是MOD04 C6 DT與DB氣溶膠產(chǎn)品在典型城市地區(qū)對(duì)比驗(yàn)證圖，Beijing、Beijing_RADI和Beijing-CAMS站點(diǎn)位于中國(guó)北京市，地表反射率較高，屬于典型的城市高亮地表地區(qū)。從圖3可以看出，MOD04 C6 DT算法在城市地區(qū)有效反演天數(shù)整體較少，氣溶膠反演值與AERONET氣溶膠地基觀測(cè)數(shù)據(jù)的一致性整體較差(R≈0.734～0.808)，具有較大均方根誤差(RMSE≈0.230～0.273)和相對(duì)誤差(MAE≈0.171～0.213)，僅有41%～51%的有效觀測(cè)點(diǎn)數(shù)滿足MODIS氣溶膠產(chǎn)品的誤差精度要求。與DT算法相比，MOD04 C6 DB算法有效反演天數(shù)明顯增加，氣溶膠反演值與AERONET地基觀測(cè)數(shù)據(jù)整體具有更高的一致性(R≈0.890～0.924)，均方根誤差(RMSE≈0.184～0.197)和平均誤差(MAE≈0.135～0.142)整體較小，有55%～61%的觀測(cè)點(diǎn)對(duì)滿足誤差精度要求。其次，DB算法氣溶膠反演值域范圍更廣(0～2.5)，能夠?qū)崿F(xiàn)高污染天氣(AOD>1.5)下城市地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度反演，且反演精度整體較高?？梢哉f(shuō)明，城市地區(qū)DB算法比DT算法具有更高的氣溶膠整體反演精度，穩(wěn)定性較高。

圖3 城市地區(qū)MODIS DT C6(a,c,e)和DB C6 (b,d,f) AOD有效性驗(yàn)證(分辨率10 km)

Fig.3 Validation of MODIS DT C6(a,c,e) and DB C6 (b,d,f) in urban area(10 km resolution)

3.3.2 植被地區(qū)

圖4是MOD04 C6 DT與DB氣溶膠產(chǎn)品在植被地區(qū)的對(duì)比驗(yàn)證圖。XiangHe和SACOL站分位于中國(guó)東部地區(qū)，屬于典型的植被覆蓋地區(qū)，由圖4可以看出，MODIS DT和DB算法均能以較高精度實(shí)現(xiàn)氣溶膠光學(xué)厚度反演，與DB算法相比，DT算法氣溶膠反演值與實(shí)測(cè)值存在更高的一致性(R≈0.936～0.938)，具有更小的均方根誤差(RMSE≈0.050～0.152)和相對(duì)誤差(MAE≈0.042～0.110)，有60%～90%的觀測(cè)點(diǎn)對(duì)滿足誤差精度要求。當(dāng)氣溶膠光學(xué)厚度較小(AOD<0.5)時(shí)，DT算法的氣溶膠反演值與地基觀測(cè)數(shù)據(jù)具有更高的吻合度，與AERONET實(shí)測(cè)值擬合曲線更接近于Y=X直線；因此，可以說(shuō)明DT算法在植被覆蓋地區(qū)較DB算法具有更高的整體反演精度。

3.3.3 稀疏植被及荒漠地區(qū)

圖5為MODIS C6 DT與DB氣溶膠產(chǎn)品在稀疏植被及荒漠地區(qū)的對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果。NAM_CO站位于中國(guó)內(nèi)陸西藏高原上，海拔較高，植被稀少，地表裸露，空氣污染較輕，氣溶膠光學(xué)厚度值整體較小。由圖5可以看出，DT算法在該地區(qū)的氣溶膠有效觀測(cè)點(diǎn)數(shù)較少(N=80)，氣溶膠反演精度整體較差(R=0.197)，存在較大均方根誤差(RMSE=0.278)和相對(duì)誤差(MAE=0.188)，僅有28.7%的觀測(cè)點(diǎn)對(duì)滿足誤差精度要求，有70%的點(diǎn)出現(xiàn)高估現(xiàn)象。原因是該地區(qū)屬于典型的亮地表區(qū)域，植被覆蓋較少，地表反射率的確定較為困難，導(dǎo)致氣溶膠反演精度整體較低，存在明顯的高估現(xiàn)象。DB算法在該地區(qū)的有效觀測(cè)天數(shù)增加(N=118)，反演值與實(shí)測(cè)之間的相關(guān)性顯著提高(R=0.630)，具有較小的均方根誤差和相對(duì)誤差，有超過(guò)75%的觀測(cè)點(diǎn)對(duì)滿足誤差精度要求，氣溶膠反演精度整體較高?？梢哉f(shuō)明，在稀疏植被覆蓋等亮地表區(qū)域上，MODIS DB算法能夠以較高精度確定其地表反射率，實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的氣溶膠光學(xué)厚度反演，能夠減少或降低氣溶膠高估現(xiàn)象，彌補(bǔ)DT算法在該地區(qū)氣溶膠反演的不足。

圖4 濃密植被區(qū)MODIS DT C6(a,c)和DB C6 (b,d) AOD有效性驗(yàn)證(分辨率10 km)

Fig.4 Validation of MODIS DT C6(a,c) and DB C6 (b,d) in vegetation area at 10 km resolution

圖5 植被稀疏地區(qū)MODIS DT C6(a)和DB C6 (b) AOD有效性驗(yàn)證(分辨率10 km)

Fig.5 Validation of MODIS DT C6(a) and DB C6 (b) in sparse vegetated area(10 km resolution)

3.4 MOD04 C6 DT和C6 DB氣溶膠產(chǎn)品空間分布對(duì)比

圖6是不同地區(qū)上空MOD04 C6 DT和DB氣溶膠產(chǎn)品空間分布圖。其中圖6(a)、6(b)分別為北京及周邊地區(qū)等典型城市C6 DT和DB氣溶膠空間分布，時(shí)間為2013年10月18日；圖6(c)、6(d)分別是中國(guó)西北荒漠及西藏高原等典型荒漠、稀疏植被地區(qū)C6 DT和DB氣溶膠空間分布，時(shí)間為2013年9月12日?？梢钥闯?，MOD04 DT算法在城市(圖6(a))、荒漠(圖6(c))等高反射率地區(qū)中氣溶膠反演無(wú)能為力，缺失值較為嚴(yán)重，空間連續(xù)性差，其氣溶膠產(chǎn)品難以滿足大氣氣溶膠相關(guān)研究需要。然而MOD04 DB算法能夠克服DT算法在城市、荒漠等高亮地表區(qū)域氣溶膠反演困難問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)該區(qū)上空氣溶膠高精度反演，數(shù)據(jù)缺失程度較小，空間連續(xù)性明顯得到改善。因此，可以說(shuō)明MOD04 DB算法能夠?qū)崿F(xiàn)高地表反射率地區(qū)的氣溶膠反演，其氣溶膠產(chǎn)品在反演范圍和空間連續(xù)性上明顯優(yōu)于DT算法。

圖6 MODIS C6 DT AOD與C6 DB AOD空間分布比較(分辨率10 km)

Fig.6 Spatial distribution comparison MODIS C6 DT AOD and C6 DB AOD in space(10 km resolution)

4 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了當(dāng)前常用的MODIS DT和DB兩種氣溶膠產(chǎn)品陸地算法，選擇分布在不同下墊面上的AERONET站點(diǎn)氣溶膠地基觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)獲取的長(zhǎng)時(shí)間序列MODIS DT和DB氣溶膠產(chǎn)品進(jìn)行精度驗(yàn)證對(duì)比，并分析了不同產(chǎn)品在不同區(qū)域上的適應(yīng)性。結(jié)果表明：

1) MOD04 C5 DT算法與C6 DT算法具有相似氣溶膠反演精度，有超過(guò)50%的觀測(cè)點(diǎn)對(duì)滿足MODIS氣溶膠誤差精度要求。整體上，C6 DT略優(yōu)于C5 DT算法，原因是C6 DT算法在云掩膜、質(zhì)量控制等方面進(jìn)行了一定的改進(jìn)。

2) 與MOD04 C6 DT算法相比，C6 DB算法有效觀測(cè)天數(shù)明顯增加，氣溶膠反演值域范圍更廣，具有更高的氣溶膠整體反演精度(R=0.91，RMSE～0.166，MAE～0.116)，能夠有效降低15%左右的氣溶膠反演高估現(xiàn)象。

3) MOD04 C6 DT氣溶膠產(chǎn)品能夠以較高精度實(shí)現(xiàn)植被地區(qū)的氣溶膠反演，但在城市和稀疏植被地區(qū)氣溶膠反演精度整體較差，有效觀測(cè)天數(shù)較少；然而DB算法能夠?qū)崿F(xiàn)暗地表和亮地表區(qū)域上的氣溶膠反演，其中在城市、稀疏植被地區(qū)的氣溶膠反演精度明顯優(yōu)于DT算法，而DT算法在植被地區(qū)的反演精度和穩(wěn)定性略高于DB算法。

4)空間分布上，MOD04 DT氣溶膠產(chǎn)品在城市、稀疏植被等高亮地區(qū)中缺失值較為嚴(yán)重，空間連續(xù)性差。相反，DB氣溶膠產(chǎn)品反演范圍和空間連續(xù)性上明顯優(yōu)于DT算法，能夠克服和改善DT算法在城市、荒漠等高亮地表區(qū)域氣溶膠反演困難問(wèn)題。

致 謝：感謝NASA GSFC提供的MODIS氣溶膠產(chǎn)品數(shù)據(jù)和AERONET氣溶膠地基觀測(cè)數(shù)據(jù)。

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(責(zé)任編輯：高麗華)

Verification of MODIS C5 and C6 and Their Regional Adaptability Evaluation

YANG Yikun,SUN Lin,WEI Jing,TIAN Xinpeng,JIA Chen

(College of Geomatics, Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China)

MODIS Collection 5(C5) and Collection 6(C6), the two current daily Aerosol Optical Depth (AOD) products based on the Dark Target (DT) and Deep Blue (DB) algorithms provided by NASA,provide important data support for the evaluation of atmospheric particulate matter and the effects of climate change.Because they are based on different aerosol retrieval methods,to make clear the precision and regional adaptability of the two products is of great significance for users in selecting reasonable data products.In this paper,the accuracy and regional adaptability of the two products in several typical regions were analyzed based on the data of AERONET distibuted in China.The results show that: ①The overall retrieval accuracy of DT C6 algorithm is slightly better than that of DT C5 algorithm;②Compared with DT algorithm,DB algorithm has an overall higher retrieval accuracy (R=0.91，RMSE～0.166，MAE～0.116) with significantly increased effective observation days and can reduce approximately 15% aerosol overestimation;③With higher accuracy in vegetation areas but poorer adaptability in bright areas,C6 DT algorithm has large missing values,while DB algorithm,with the capability of retrieving aerosol over both dark and bright surfaces,has higher aerosol accuracy in urban and sparse vegetated areas,thus improving the spatial continuity significantly.

MODIS;aerosol optical depth;AERONET;dark target;deep blue

2016-03-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41171270)；山東省杰出青年基金項(xiàng)目(2012JQB01025)

楊以坤(1992—)，男，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事大氣遙感研究.E-mail:yangykun_rs@163.com 孫 林(1975—)，男，山東棗莊人，教授，博士，主要從事大氣探測(cè)方面的研究.E-mail:sunlin6@126.com

P407

A

1672-3767(2016)05-0017-11