遙感圖像處理實驗論文-基于modis影像的西安市pm2.5研究

1、<p>　　遙感技術與數字圖像處理</p><p><b>　　實驗報告</b></p><p>　　作品名稱： 基于MODIS影像的西安市PM2.5研究</p><p>　　學 校： 蘭州交通大學___________ </p><p>　　指導教師： _

2、_楊樹文______________ </p><p>　　團隊成員： _ _殷成鈺_ ____________ </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　可入肺顆粒物 PM2.5是影響大氣環(huán)境質量的重要因子之一，不僅對人體健康造成嚴重危害，同時也是影響全球氣候、區(qū)域城市能見度重要因子，對其進行大范圍的分

3、布特征研究。</p><p>　　本文西安市PM2.5濃度反演實驗是建立在氣溶膠光學厚度基礎之上，利用晴天環(huán)境下的MODIS L1B數據，在ENVI環(huán)境下，使用云檢測以及氣溶膠反演擴展工具，將確定的地表反射率反演氣溶膠光學厚度，并分析西安市當日的氣溶膠光學厚度與PM2.5的空間分布特征.</p><p>　　1.MODIS 數據介紹</p><p><b>

4、;　　1.1數據概述</b></p><p>　　MODIS 數據自 2000 年 4 月正式向全球用戶發(fā)布以來，NASA 對 MODIS 數據實行全球免費接收的政策，我國自 2001 年 3 月開始接收 MODIS 數據，目前已在國內建立了數個接收站，使得 MODIS 數據的獲取更加方便和廉價。</p><p>　　以下是MODIS的各個通道、波段的主要用途：</p&

5、gt;<p><b>　　1.2數據分級</b></p><p>　　MODIS數據產品分級系統(tǒng)：MODIS標準數據產品分級系統(tǒng)由5級數據構成，它們分別是：0級、1級、2級、3級和4級。 </p><p>　　0級數據：衛(wèi)星地面站直接接收到的、未經處理的、包括全部數據信息在內的原始數據為0級數據。其數據文件擴展名為(.PDS)。 </p>

6、<p>　　1級數據：對完全分辨率的、沒有經過處理的儀器數據進行重建，使用輔助數據注解，進行時間配準，計算和增補后數據產品，包括 MOD01(L1A)、MOD02(L1B)和 MOD03 三類文件，其中 MOD02(L1B)是 MOD0I(L1A)和 MOD03處理之后獲取的數據文件，也是用戶可直接使用的數據，這些數據文件主要為HDF 格式，文件的擴展名為(.HDF)。</p><p>　　2級數據

7、：在1級數據基礎上開發(fā)出的、具有相同空間分辨率和覆蓋相同地理區(qū)域的數據為2級數據。 </p><p>　　3級數據：3級數據是以統(tǒng)一的時間-空間柵格表達的變量，通常具有一定的完整性和一致性。在3級水平上，將可以集中進行科學研究，如：定點時間序列，來自單一技術的觀測方程和通用模型等。</p><p>　　4級數據：通過分析模型和綜合分析3級以下數據得出的結果數據為4級數據。</p&g

8、t;<p><b>　　1.3產品類型</b></p><p>　　MODIS 標準數據產品根據內容總計分解為 44 種標準數據產品類型，其中，2-4級數據產品為三種主要標準數據產品類型，包括：陸地標準數據產品、大氣標準數據產品和海洋標準數據產品。</p><p>　　1.4 MODIS L1B數據命名規(guī)則</p><p>　　M

9、OD02QKM 校正過的 250 米分辨率的對地觀測數據</p><p>　　MOD02HKM 校正過的 500 米分辨率的對地觀測數據，包括25米重采樣為500 米分辨率數據</p><p>　　MOD021KM校正過的1 公里分辨率的對地觀測數據，包括250米和500 米重采樣為1 公里分辨率的數據。</p><p>　　MOD02OBC 星上校正器（OBC）和

10、工程數據。</p><p>　　MOD02OBC MYD0 L1B數據文件名的定義規(guī)則:</p><p>　　例如： MOD021KM.A2016036.0405.005.2016036134251.hdf</p><p>　　MOD表示傳感器為MODIS，</p><p>　　02表示L1B數據，</p><p>　

11、　A表示上午星TERRA，B表示下午星Auqa,</p><p>　　1KM表示1公里分辨率，</p><p>　　2016036表示數據采集日期為2016年的第36天，</p><p>　　134251表示該軌數據是在國際標準時間13時42分51秒入境的。</p><p>　　2.MODIS數據準備</p><p>

12、　　本實驗數據來源于美國LAADS DAAC,網址：</p><p>　　https://ladsweb.nascom.nasa.gov/search/</p><p><b>　　2.1搜索所需數據</b></p><p>　　1）打開網頁，選中需要的數據源類型 。在Satellite/Instrument 一欄下拉菜單選 Terra MOD

13、IS，Group下拉菜單中選擇:Terra Level 1 Products，再選擇所需數據類型。注意：本實驗選用分辨率為 1000m的 MODIS L1B 數據，其中，MOD03數據是用于對1KM,QKM,HKM數據進行幾何糾正所用。具體如下圖。</p><p>　　2）確定數據日期。。網頁中日期類型為：月/日/年 時:分:秒，并且其顯示的時間為UTC時間，換算為北京時間為：UTC時間=北京時間-8小時。在此選

14、擇2016年2月1日到2016年2月8日范圍內的數據。如下圖。</p><p>　　3）選擇在‘spatial selection’ 選項中選擇“l(fā)atitude/longitude”,按經緯度形式選擇影像范圍。 本實驗研究范圍為西安市，所以選擇合適經緯度進行數據搜索查詢，具體如下圖。</p><p>　　4）點擊search查到需要的數據： 勾選需要的數據，可以通過數據右側“+View

15、RGB”查看數據經緯度范圍，如圖。</p><p>　　選擇好數據后點擊‘order files now’， 輸入你接收信息的郵箱，點 ‘order’開始訂購該數據。</p><p>　　5）所訂購數據的存放位置信息： 點擊‘Data->Track Orders’可以查看所有已訂購的數據的狀態(tài)。如下圖。</p><p>　　記住所訂購數據的Order ID，這

16、是所訂購數據的文件夾名。如果 ‘state’顯示 ‘available’即可開始下載。</p><p><b>　　2.2數據下載</b></p><p>　　數據需要通過新建FTP站點下載，根據提示新建FTP站點：</p><p>　　FTP:ladsweb.nascom.nasa.gov；</p><p>　　use

17、rname: anonymous；</p><p>　　password:（自己申請數據的郵箱）。</p><p>　　完成后打開orders文件夾，在里面找到自己訂購的數據文件夾拖到左邊本地電腦的目錄下即可開始下載。如下圖。</p><p>　　3.MODIS數據分析與處理</p><p><b>　　3.1實驗技術路線</

18、b></p><p>　　本研究氣溶膠反演主要用到分辨率為 1KM的 MODIS L1B 數據，其包括一個是發(fā)射率Emissive（band20-band36），第二個是輻射率Radiance（band1-band26）,第三個是反射率Reflectance（band1-band26）還有四個角度數據集：衛(wèi)星天頂角（SensorZ），衛(wèi)星方位角（SensorA），太陽天頂角（SolarZ），太陽方位角（So

19、larA）。分析過程具體包括幾何校正、波段合成、云檢測、氣溶膠反演等。采用經典的暗像元法（DDV）也叫濃密植被法。</p><p>　　3.2反射率與發(fā)射率文件處理</p><p>　　3.2.1 發(fā)射率文件幾何校正</p><p>　　(1)ENVI中有專門對MODIS數據進行幾何校正的工具，打開【Toolbox】->【Geometric Correctio

20、n】->【Georeference by Sensor】->【Georeference MODIS】，先選擇發(fā)射率文件(Emissive)，如下圖：</p><p>　　(2)在Georeference MODIS Parameters對話框中參數設置如下圖：</p><p>　　注意:需要將GCP控制點文件保存下來。</p><p>　　(3)單擊OK

21、后，在Registration Parameters窗口中設置參數如下圖所示：</p><p>　　注意：分辨率默認是1000。</p><p>　　(4)選擇結果輸出位置后，單擊OK，得到發(fā)射率幾何校正結果如下圖：</p><p>　　3.2.2 反射率文件幾何校正</p><p>　　過程與發(fā)射率文件幾何校正相似，所以在這里不再過多贅述，

22、參考發(fā)射率文件幾何校正過程將反射率文件(Reflectance)進行幾何校正。此步不需要進行再次保存GCP控制點文件。</p><p>　　3.2.3反射率和發(fā)射率數據合成與裁剪</p><p>　　(1)打開幾何校正后的反射率與發(fā)射率數據集，選擇【Raster Management】->【Layer Stacking】工具，點擊【Import File】按鈕，選擇幾何校正后的反射率

23、和發(fā)射率文件，如下圖：</p><p>　　(2)單擊Spatial Subset按鈕進行裁剪，在彈出的窗口中選擇ROI/EVF，然后選擇：EVD:西安市.shp進行裁剪，如下圖：</p><p>　　(3)回到波段合成窗口中單擊【Reorder File】調整文件順序，必須反射率在上，發(fā)射率在下，如下圖：</p><p>　　(4) 選擇合成裁剪結果輸出位置后，單

24、擊OK，得到合成結果如下圖：</p><p><b>　　3.3角度數據處理</b></p><p>　　3.3.1角度數據合成</p><p>　　(1)打開角度數據集，選擇【File】->【Open As】->【Generic Formats】->【HDF4】，選擇MOD03(.hdf)數據文件，在列表中選擇四個角數據集：

25、衛(wèi)星天頂角（SensorZ），衛(wèi)星方位角（SensorA），太陽天頂角（SolarZ），太陽方位角（SolarA），如下圖：</p><p>　　(2)打開【Raster Management】->【New File Builder】工具，單擊【Import File】工具選擇打開的四個角度數據，調整其順序為：衛(wèi)星天頂角（Sensor Z），衛(wèi)星方位角（Sensor A），太陽天頂角（Solar Z），太陽

26、方位角（Solar A）。如下圖：</p><p>　　3.3.2角度數據集的幾何校正</p><p>　　查看元數據信息，角度數據的行列數是1354*2030，與發(fā)射率的相同，因此不需要進行重采樣，但需要幾何校正。</p><p>　　(1)選擇【Toolbox】->【Geometric Correction】->【Registration】->

27、【 Warp from GCPs：Image to Map Registration】工具，打開選擇GCP控制點文件的對話框，在此選擇之前保存的GCP控制點文件。</p><p>　　(2)在Image to Map Registration窗口中，設置投影參數和輸出分辨率(與反射率需要相同，這里為1000)，單擊OK。</p><p>　　(3)選擇合成后的角度數據，在Registrat

28、ion Parameters對話框中設置參數，選擇幾何校正與重采樣方法，與發(fā)射率校正結果匹配。如下圖：</p><p>　　3.3.3角度數據波段運算與裁剪</p><p>　　(1)我們可以查看角度數據中的值，其擴大了100倍，所以要將角度數據乘以0.01。打開【Tool box】->【Band Ratio】->【Band Math】工具，輸入公式：float(b1)*0.0

29、1，單擊OK。如圖：</p><p>　　(2)在參數面板中點擊Map Variable to Input File，選擇角度數據幾何校正結果，如圖：</p><p>　　(3)回到參數設定面板，單擊Spatial Subset按鈕，在彈出的面板中單擊“ROI/EVF”，選擇矢量數據進行裁剪。如圖：</p><p>　　(4)設置好結果輸出路徑后，單擊OK，得到結果

30、如下圖：</p><p><b>　　3.4氣溶膠反演</b></p><p><b>　　3.4.1 云檢測</b></p><p>　　云檢測需要用到云檢測擴展工具，該工具實現對反射率和發(fā)射率的合成文件進行去云處理。</p><p>　　(1)安裝的modis_cloud工具，選擇反射率與發(fā)射

31、率合成裁剪后的結果，并選擇結果輸出位置，如圖：</p><p>　　3.4.2氣溶膠反演</p><p>　　本實驗利用氣溶膠反演工具(modis_aerosol_inversion)也是擴展工具，在Extensions目錄下；</p><p>　　(1)打開【Tool box】->【Extensions】->【modis_aerosol_inversi

32、on】，先選擇云檢測結果，單擊OK；</p><p>　　(2)選擇角度最終處理結果數據，單擊OK；</p><p>　　(3)選擇查找表文件，這里使用的查找表是通用的文本文件，適合3-6月份的MODIS數據影像，也可以自己制作查找表；</p><p>　　(4)選擇結果輸出路徑和文件名。</p><p><b>　　3.5反演結果

33、處理</b></p><p>　　(1)在Layer Manager中,右鍵單擊反演結果圖層，選擇Raster Color Slices，在彈出的窗口中選擇反演結果波段，單擊OK。</p><p>　　(2)在Edit Raster Color Slices窗口下編輯分割參數。本實驗分為七個等級。</p><p>　　(3)最后用裁剪出西安市范圍，最終結

34、果如圖：</p><p><b>　　4.結果分析與總結</b></p><p>　　4.1西安市PM2.5質量濃度空間特征分析</p><p>　　根據2016 年 2 月5日的西安市各環(huán)境空氣質量監(jiān)測站點發(fā)布的PM2.5 質量濃度數據，計算出西安市 PM2.5 日質量濃度，如表所示：</p><p>　　基于以上數據

35、，本文首先利用克里金插值法對西安市主城區(qū)PM2.5 質量濃度做插值分析，對當日PM2.5 質量濃度空間分布簡單地做出展示，并將預測分析的結果與地統(tǒng)計分析結果作比較。利用 ArcGIS10.2.2 的空間插值工具進行計算得到西安市主城區(qū) PM2.5 質量濃度空間插值分析結果，如圖所示：</p><p>　　可以看出，西安市主城區(qū)PM2.5 質量濃度在空間分布上呈現多峰值的特點，其中閻良區(qū)和長安區(qū)的 PM2.5 質量

36、濃度達到了全區(qū)域的最高值，從整體上來看，西安市主城區(qū)南部區(qū)域的 PM2.5 質量濃度明顯高于北部區(qū)域，由北向南呈現先下降后上升的趨勢，且在邊緣地形起伏地帶出現高值連片區(qū)域，說明地形的起伏對城市中 PM2.5 濃度空間變化亦有重大影響。</p><p>　　通過比較，MODIS 反演的氣溶膠光學厚度和顆粒物 PM2.5的濃度具有相關性。用MODIS反演的氣溶膠光學厚度可以用于估算區(qū)域PM2.5的分布特征，在時間和空

37、間上，相對于地面監(jiān)測資料具有較大的優(yōu)勢。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]王靜，楊復沫，王鼎益，賀克斌.北京市MODIS氣溶膠光學厚度和PM2.5質量濃度的特征及其相關性[J].中國科學院研究生學院學報，2010，27(1).</p><p>　　[2]閆婧華.MISR和MODIS氣溶膠光學厚度產品的數據

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42、中挺，毛慧琴，周春艷，張麗娟，晃雪林.利用MODIS資料監(jiān)測京津冀地區(qū)近地面PM2.5方法研究[J].氣象與環(huán)境學報，2014，30(5).</p><p>　　[14]徐建輝，江洪.長江三角洲PM2.5質量濃度遙感估算與時空分布特征[J].環(huán)境科學，2015，36(9).</p><p>　　[15]劉歡.重慶市主城區(qū)冬季大氣細顆粒物（PM2.5）質量濃度的遙感估算模型研究[D].重慶師