遙感圖像處理實(shí)驗(yàn)論文-基于modis影像的西安市pm2.5研究

1、<p>　　遙感技術(shù)與數(shù)字圖像處理</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)報(bào)告</b></p><p>　　作品名稱(chēng)： 基于MODIS影像的西安市PM2.5研究</p><p>　　學(xué) 校： 蘭州交通大學(xué)___________ </p><p>　　指導(dǎo)教師： _

2、_楊樹(shù)文______________ </p><p>　　團(tuán)隊(duì)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(zhì)量的重要因子之一，不僅對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害，同時(shí)也是影響全球氣候、區(qū)域城市能見(jiàn)度重要因子，對(duì)其進(jìn)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(shí)驗(yàn)是建立在氣溶膠光學(xué)厚度基礎(chǔ)之上，利用晴天環(huán)境下的MODIS L1B數(shù)據(jù)，在ENVI環(huán)境下，使用云檢測(cè)以及氣溶膠反演擴(kuò)展工具，將確定的地表反射率反演氣溶膠光學(xué)厚度，并分析西安市當(dāng)日的氣溶膠光學(xué)厚度與PM2.5的空間分布特征.</p><p>　　1.MODIS 數(shù)據(jù)介紹</p><p><b>

4、;　　1.1數(shù)據(jù)概述</b></p><p>　　MODIS 數(shù)據(jù)自 2000 年 4 月正式向全球用戶發(fā)布以來(lái)，NASA 對(duì) MODIS 數(shù)據(jù)實(shí)行全球免費(fèi)接收的政策，我國(guó)自 2001 年 3 月開(kāi)始接收 MODIS 數(shù)據(jù)，目前已在國(guó)內(nèi)建立了數(shù)個(gè)接收站，使得 MODIS 數(shù)據(jù)的獲取更加方便和廉價(jià)。</p><p>　　以下是MODIS的各個(gè)通道、波段的主要用途：</p&

5、gt;<p><b>　　1.2數(shù)據(jù)分級(jí)</b></p><p>　　MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品分級(jí)系統(tǒng)：MODIS標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品分級(jí)系統(tǒng)由5級(jí)數(shù)據(jù)構(gòu)成，它們分別是：0級(jí)、1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)和4級(jí)。 </p><p>　　0級(jí)數(shù)據(jù)：衛(wèi)星地面站直接接收到的、未經(jīng)處理的、包括全部數(shù)據(jù)信息在內(nèi)的原始數(shù)據(jù)為0級(jí)數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)文件擴(kuò)展名為(.PDS)。 </p>

6、<p>　　1級(jí)數(shù)據(jù)：對(duì)完全分辨率的、沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的儀器數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，使用輔助數(shù)據(jù)注解，進(jìn)行時(shí)間配準(zhǔn)，計(jì)算和增補(bǔ)后數(shù)據(jù)產(chǎn)品，包括 MOD01(L1A)、MOD02(L1B)和 MOD03 三類(lèi)文件，其中 MOD02(L1B)是 MOD0I(L1A)和 MOD03處理之后獲取的數(shù)據(jù)文件，也是用戶可直接使用的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)文件主要為HDF 格式，文件的擴(kuò)展名為(.HDF)。</p><p>　　2級(jí)數(shù)據(jù)

7、：在1級(jí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上開(kāi)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(shù)據(jù)為2級(jí)數(shù)據(jù)。 </p><p>　　3級(jí)數(shù)據(jù)：3級(jí)數(shù)據(jù)是以統(tǒng)一的時(shí)間-空間柵格表達(dá)的變量，通常具有一定的完整性和一致性。在3級(jí)水平上，將可以集中進(jìn)行科學(xué)研究，如：定點(diǎn)時(shí)間序列，來(lái)自單一技術(shù)的觀測(cè)方程和通用模型等。</p><p>　　4級(jí)數(shù)據(jù)：通過(guò)分析模型和綜合分析3級(jí)以下數(shù)據(jù)得出的結(jié)果數(shù)據(jù)為4級(jí)數(shù)據(jù)。</p&g

8、t;<p><b>　　1.3產(chǎn)品類(lèi)型</b></p><p>　　MODIS 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品根據(jù)內(nèi)容總計(jì)分解為 44 種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品類(lèi)型，其中，2-4級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品為三種主要標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品類(lèi)型，包括：陸地標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品、大氣標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品和海洋標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。</p><p>　　1.4 MODIS L1B數(shù)據(jù)命名規(guī)則</p><p>　　M

9、OD02QKM 校正過(guò)的 250 米分辨率的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)</p><p>　　MOD02HKM 校正過(guò)的 500 米分辨率的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括25米重采樣為500 米分辨率數(shù)據(jù)</p><p>　　MOD021KM校正過(guò)的1 公里分辨率的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括250米和500 米重采樣為1 公里分辨率的數(shù)據(jù)。</p><p>　　MOD02OBC 星上校正器（OBC）和

10、工程數(shù)據(jù)。</p><p>　　MOD02OBC MYD0 L1B數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，</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(shù)據(jù)采集日期為2016年的第36天，</p><p>　　134251表示該軌數(shù)據(jù)是在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間13時(shí)42分51秒入境的。</p><p>　　2.MODIS數(shù)據(jù)準(zhǔn)備</p><p>

12、　　本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)LAADS DAAC,網(wǎng)址：</p><p>　　https://ladsweb.nascom.nasa.gov/search/</p><p><b>　　2.1搜索所需數(shù)據(jù)</b></p><p>　　1）打開(kāi)網(wǎng)頁(yè)，選中需要的數(shù)據(jù)源類(lèi)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(shù)據(jù)類(lèi)型。注意：本實(shí)驗(yàn)選用分辨率為 1000m的 MODIS L1B 數(shù)據(jù)，其中，MOD03數(shù)據(jù)是用于對(duì)1KM,QKM,HKM數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何糾正所用。具體如下圖。</p><p>　　2）確定數(shù)據(jù)日期。。網(wǎng)頁(yè)中日期類(lèi)型為：月/日/年 時(shí):分:秒，并且其顯示的時(shí)間為UTC時(shí)間，換算為北京時(shí)間為：UTC時(shí)間=北京時(shí)間-8小時(shí)。在此選

14、擇2016年2月1日到2016年2月8日范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。如下圖。</p><p>　　3）選擇在‘spatial selection’ 選項(xiàng)中選擇“l(fā)atitude/longitude”,按經(jīng)緯度形式選擇影像范圍。 本實(shí)驗(yàn)研究范圍為西安市，所以選擇合適經(jīng)緯度進(jìn)行數(shù)據(jù)搜索查詢，具體如下圖。</p><p>　　4）點(diǎn)擊search查到需要的數(shù)據(jù)： 勾選需要的數(shù)據(jù)，可以通過(guò)數(shù)據(jù)右側(cè)“+View

15、RGB”查看數(shù)據(jù)經(jīng)緯度范圍，如圖。</p><p>　　選擇好數(shù)據(jù)后點(diǎn)擊‘order files now’， 輸入你接收信息的郵箱，點(diǎn) ‘order’開(kāi)始訂購(gòu)該數(shù)據(jù)。</p><p>　　5）所訂購(gòu)數(shù)據(jù)的存放位置信息： 點(diǎn)擊‘Data->Track Orders’可以查看所有已訂購(gòu)的數(shù)據(jù)的狀態(tài)。如下圖。</p><p>　　記住所訂購(gòu)數(shù)據(jù)的Order ID，這

16、是所訂購(gòu)數(shù)據(jù)的文件夾名。如果 ‘state’顯示 ‘a(chǎn)vailable’即可開(kāi)始下載。</p><p><b>　　2.2數(shù)據(jù)下載</b></p><p>　　數(shù)據(jù)需要通過(guò)新建FTP站點(diǎn)下載，根據(jù)提示新建FTP站點(diǎn)：</p><p>　　FTP:ladsweb.nascom.nasa.gov；</p><p>　　use

17、rname: anonymous；</p><p>　　password:（自己申請(qǐng)數(shù)據(jù)的郵箱）。</p><p>　　完成后打開(kāi)orders文件夾，在里面找到自己訂購(gòu)的數(shù)據(jù)文件夾拖到左邊本地電腦的目錄下即可開(kāi)始下載。如下圖。</p><p>　　3.MODIS數(shù)據(jù)分析與處理</p><p><b>　　3.1實(shí)驗(yàn)技術(shù)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(shù)據(jù)，其包括一個(gè)是發(fā)射率Emissive（band20-band36），第二個(gè)是輻射率Radiance（band1-band26）,第三個(gè)是反射率Reflectance（band1-band26）還有四個(gè)角度數(shù)據(jù)集：衛(wèi)星天頂角（SensorZ），衛(wèi)星方位角（SensorA），太陽(yáng)天頂角（SolarZ），太陽(yáng)方位角（So

19、larA）。分析過(guò)程具體包括幾何校正、波段合成、云檢測(cè)、氣溶膠反演等。采用經(jīng)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(zhuān)門(mén)對(duì)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正的工具，打開(kāi)【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(duì)話框中參數(shù)設(shè)置如下圖：</p><p>　　注意:需要將GCP控制點(diǎn)文件保存下來(lái)。</p><p>　　(3)單擊OK

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

22、參考發(fā)射率文件幾何校正過(guò)程將反射率文件(Reflectance)進(jìn)行幾何校正。此步不需要進(jìn)行再次保存GCP控制點(diǎn)文件。</p><p>　　3.2.3反射率和發(fā)射率數(shù)據(jù)合成與裁剪</p><p>　　(1)打開(kāi)幾何校正后的反射率與發(fā)射率數(shù)據(jù)集，選擇【Raster Management】->【Layer Stacking】工具，點(diǎn)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(jìn)行裁剪，在彈出的窗口中選擇ROI/EVF，然后選擇：EVD:西安市.shp進(jìn)行裁剪，如下圖：</p><p>　　(3)回到波段合成窗口中單擊【Reorder File】調(diào)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(jié)果輸出位置后，單

24、擊OK，得到合成結(jié)果如下圖：</p><p><b>　　3.3角度數(shù)據(jù)處理</b></p><p>　　3.3.1角度數(shù)據(jù)合成</p><p>　　(1)打開(kāi)角度數(shù)據(jù)集，選擇【File】->【Open As】->【Generic Formats】->【HDF4】，選擇MOD03(.hdf)數(shù)據(jù)文件，在列表中選擇四個(gè)角數(shù)據(jù)集：

25、衛(wèi)星天頂角（SensorZ），衛(wèi)星方位角（SensorA），太陽(yáng)天頂角（SolarZ），太陽(yáng)方位角（SolarA），如下圖：</p><p>　　(2)打開(kāi)【Raster Management】->【New File Builder】工具，單擊【Import File】工具選擇打開(kāi)的四個(gè)角度數(shù)據(jù)，調(diào)整其順序?yàn)椋盒l(wèi)星天頂角（Sensor Z），衛(wèi)星方位角（Sensor A），太陽(yáng)天頂角（Solar Z），太陽(yáng)

26、方位角（Solar A）。如下圖：</p><p>　　3.3.2角度數(shù)據(jù)集的幾何校正</p><p>　　查看元數(shù)據(jù)信息，角度數(shù)據(jù)的行列數(shù)是1354*2030，與發(fā)射率的相同，因此不需要進(jìn)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(kāi)選擇GCP控制點(diǎn)文件的對(duì)話框，在此選擇之前保存的GCP控制點(diǎn)文件。</p><p>　　(2)在Image to Map Registration窗口中，設(shè)置投影參數(shù)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(shù)據(jù)，在Registrat

28、ion Parameters對(duì)話框中設(shè)置參數(shù)，選擇幾何校正與重采樣方法，與發(fā)射率校正結(jié)果匹配。如下圖：</p><p>　　3.3.3角度數(shù)據(jù)波段運(yùn)算與裁剪</p><p>　　(1)我們可以查看角度數(shù)據(jù)中的值，其擴(kuò)大了100倍，所以要將角度數(shù)據(jù)乘以0.01。打開(kāi)【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(shù)面板中點(diǎn)擊Map Variable to Input File，選擇角度數(shù)據(jù)幾何校正結(jié)果，如圖：</p><p>　　(3)回到參數(shù)設(shè)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(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪。如圖：</p><p>　　(4)設(shè)置好結(jié)果輸出路徑后，單擊OK，得到結(jié)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(cè)</b></p><p>　　云檢測(cè)需要用到云檢測(cè)擴(kuò)展工具，該工具實(shí)現(xiàn)對(duì)反射率和發(fā)射率的合成文件進(jìn)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(jié)果，并選擇結(jié)果輸出位置，如圖：</p><p>　　3.4.2氣溶膠反演</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)利用氣溶膠反演工具(modis_aerosol_inversion)也是擴(kuò)展工具，在Extensions目錄下；</p><p>　　(1)打開(kāi)【Tool box】->【Extensions】->【modis_aerosol_inversi

32、on】，先選擇云檢測(cè)結(jié)果，單擊OK；</p><p>　　(2)選擇角度最終處理結(jié)果數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)影像，也可以自己制作查找表；</p><p>　　(4)選擇結(jié)果輸出路徑和文件名。</p><p><b>　　3.5反演結(jié)果

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

34、果如圖：</p><p><b>　　4.結(jié)果分析與總結(jié)</b></p><p>　　4.1西安市PM2.5質(zhì)量濃度空間特征分析</p><p>　　根據(jù)2016 年 2 月5日的西安市各環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)發(fā)布的PM2.5 質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，計(jì)算出西安市 PM2.5 日質(zhì)量濃度，如表所示：</p><p>　　基于以上數(shù)據(jù)

35、，本文首先利用克里金插值法對(duì)西安市主城區(qū)PM2.5 質(zhì)量濃度做插值分析，對(duì)當(dāng)日PM2.5 質(zhì)量濃度空間分布簡(jiǎn)單地做出展示，并將預(yù)測(cè)分析的結(jié)果與地統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果作比較。利用 ArcGIS10.2.2 的空間插值工具進(jìn)行計(jì)算得到西安市主城區(qū) PM2.5 質(zhì)量濃度空間插值分析結(jié)果，如圖所示：</p><p>　　可以看出，西安市主城區(qū)PM2.5 質(zhì)量濃度在空間分布上呈現(xiàn)多峰值的特點(diǎn)，其中閻良區(qū)和長(zhǎng)安區(qū)的 PM2.5 質(zhì)量

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

37、間上，相對(duì)于地面監(jiān)測(cè)資料具有較大的優(yōu)勢(shì)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]王靜，楊復(fù)沫，王鼎益，賀克斌.北京市MODIS氣溶膠光學(xué)厚度和PM2.5質(zhì)量濃度的特征及其相關(guān)性[J].中國(guó)科學(xué)院研究生學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，27(1).</p><p>　　[2]閆婧華.MISR和MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品的數(shù)據(jù)

38、融合及其在大氣細(xì)顆粒物監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[D].中國(guó)海洋大學(xué)，2014.</p><p>　　[3]夏志業(yè)，劉志紅，王永前，陳洪濱，孫明江，焦露.MODIS氣溶膠光學(xué)厚度的PM2.5質(zhì)量濃度遙感反演研究[J].高原氣象，2015.34(6).</p><p>　　[4]盧亞飛.MIDIS氣溶膠光學(xué)厚度與PM2. 5濃度相關(guān)性分析以北京市為例[D].北京建筑大學(xué)，2012.</p>

39、<p>　　[5]李亞娟.基于MIDIS的蘭州市區(qū)冬季PM2. 5濃度定量估算分析[D].西北師范大學(xué)，2013.</p><p>　　[6]張智，白穆，游浩妍.基于MODIS數(shù)據(jù)的PM2. 5反演在大氣污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪科學(xué)，2016，41(9).</p><p>　　[7]范辰乾.基于MODIS數(shù)據(jù)的氣溶膠光學(xué)厚度與PM2.5濃度關(guān)系研究——以濟(jì)南市為例[D].

40、山東師范大學(xué)，2014.</p><p>　　[8]陳美娟.基于MODIS數(shù)據(jù)的沈陽(yáng)市PM2.5反演研究[D].沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.</p><p>　　[9]陳輝，厲青，張玉環(huán)，周春艷，王中挺.基于地理加權(quán)模型的我國(guó)冬季PM2.5遙感估算方法研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36(6).</p><p>　　[10]馬宗偉.基于衛(wèi)星遙感的我國(guó)PM2.5時(shí)空分

41、布研究[J].南京大學(xué)，2015.</p><p>　　[11]金洪芳.基于遙感技術(shù)的大氣顆粒細(xì)物PM2.5監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展[J].測(cè)繪與空間地理信息，2016，39(8).</p><p>　　[12]楊春，石小毛，劉翔飛.江蘇省MODIS氣溶膠光學(xué)厚度和PM2.5質(zhì)量濃度關(guān)系研究[J].常州大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，27(4).</p><p>　　[13]陳輝，厲青，王

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