Retrieval, Validation of High Resolution MODISAerosol Optical DepthsWei Chen, Lei Yan, Hongzhao Tang Institute of Remote Sensing and GISPeking UniversityBeijing, Chinawchen@Chengcai Li School of Physics Peking University Beijing, China ccli@Abstract—Atmospheric correction plays an important role in quantitative application of remote sensing images. And aerosol particles are the most uncertain factor in atmospheric correction. NASA has been distributing 10km resolution Aerosol Optical Depths (AOD) product for most area of globe since 2000 after the launching of MODIS. And this AOD product has been applied to image atmospheric corrections. However, aerosol varies tremendously and 10km resolution AOD product may not be adequate in atmospheric correction of local scale. For correcting images more accurately, we retrieve 1km resolution AOD product with MODIS operational algorithm. The result demonstrates that the two product prove to be similar in large scale but 1km resolution AOD product could be able to illustrate the dramatic variations of local scale while 10km resolution AOD product could not.Keywords-MODIS;AOD;Retrieve;Atmospheric CorrectionMODIS高分辨率气溶胶光学厚度反演及验证陈伟1，晏磊1，李成才2，唐洪钊11.北京大学遥感与地理信息系统研究所，北京，中国，1008712.北京大学物理学院，北京，中国，1008711.wchen@,2. ccli@【摘要】遥感影像的大气效应校正是影响其定量化应用的重要环节。
大气中的气溶胶颗粒是大气校正中最不确定因子。
目前NASA已经利用MODIS发布全球绝大部分地区10km分辨率的AOD（Aerosol Optical Depths）产品，并已经广泛应用在遥感图像的大气校正中。
但是气溶胶在空间变化较大，10km分辨率的AOD产品在进行小尺度地区大气校正上尚有一定的缺陷。
为了更好更精确地进行大气校正，本文利用MODIS气溶胶业务化算法反演了1km分辨率的AOD产品。
结果显示，两者在宏观上趋势相同，但1km分辨率的AOD产品更能表达局部的气溶胶的剧烈变化。
【关键词】MODIS；AOD；反演；大气校正1 引言大气气溶胶通过指悬浮于大气中的微小粒子，粒径范围可以从0.001到100μm。
大气气溶胶对地球表面辐射收支平衡有着重要影响[1]。
目前卫星遥感使得全球大气气溶胶监测成为可能[2]。
目前NASA每天提供全球绝大部分地区的10Km分辨率的AOD产品。
但10km分辨率AOD 产品更适合于较低分辨率且较均一的地表进行大气校正，而对于更高分辨率遥感影像的校正则需要更高分辨率的AOD产品。
本文采用Kaufman等人提出的暗目标法[5]，利用MODIS影像反演出地表1km分辨率AOD产品。
并将反演所得1km分辨率AOD产品与NASA发布10km分辨率AOD产品结合地面实测CE318实测数据进行对比分析，结果发现两者与地面实测数据吻合度均较高。
进一步分析2010 International Conference on Remote Sensing (ICRS)978-1-4244-8729-5/10/$26.00 ©2010 IEEE ICRS2010发现两种分辨率AOD产品在宏观上分布趋势相同，但1km分辨率AOD产品更能反映气溶胶在局部剧烈变化[3]。
2 MODIS高分辨率气溶胶反演方法2.1 反演原理假设地表为均匀朗伯体，则传感器接收到的卫星表观反照率由路径辐射项和地表辐射项构成，可表示为：()()()()其中，为整层大气反射率，()和()分别表示从太阳到地面、从地面到卫星两个方向大气层总的透过率（直射和漫射），系数代表地面和大气层多次散射的作用。
卫星观测到的表观反射率既是气溶胶光学厚度的函数，又是下垫面反射率的函数，如果已各了下垫面地表反射率并且已经得各了本地气溶胶模型，就可以通过辐射传输模型模计算出气溶胶光学厚度。
本地气溶胶模型可以查阅气象资料推算，也可以根据辐射传输模型中的默认模型设置。
而下垫面地表反射率目前一般通过暗目标法计算。
2.2 暗目标的选取由于地表的非均一性及陆地上空的气溶胶的空间分异性，反演陆地上空的气溶胶光学厚度较反演海洋上空气溶胶光学厚度更为复杂。
Kaufman通过大量的观测实验指出[6]，由于植被在红光波段与蓝光波段对太阳光强烈的吸收，地表浓密植被在0.62~0.67（MODIS第1通道）反射率以及0.46~0.48（MODIS第3通道）反射率与2.1~2.6（MODIS第7通道）反射率呈较好的线性关系。
由于气溶胶主要影响的短波波段的地表反射信号，在一般情况下可认为2.1~2.6（MODIS第7通道）几乎不受气溶胶影响，即在MODIS第7通道，地表反射率与卫星表观反射率相等。
根据MODIS第1通道、第3通道与第7通道的线性关系可以计算出这两个波段的地表反射率[4]。
为了有效反演1km分辨率MODIS AOD产品，首先需要采用较10km分辨率AOD产品更为严格的去云算法，即只有严格清洁的像元方可被作为暗像元进行处理。
且只在当 2.1μm中红外波段的表观反射率满足判据时，确定0.47μm和0.66μm的波段地表反射率及：。
为使云团残余和表面污染的影响最小化，将选取的暗像元进一步处理，剔除其中50%最亮的像元及20%最暗的像元，确定暗像元及其对应的地表反射率值。
假定当地气溶胶模型在一定时间内不变，利用预设的气溶胶模型及确定的地表暗目标反射率值，利用6S建立多维查找表，可以计算出1km分辨率MODIS AOD产品。
3 反演结果与分析本文反演了2001年4月顺义遥感综合实验期间的1km分辨率MODIS AOD产品，并与之与NASA发布的10km分辨率AOD产品进行了对比。
Figure 1. MODIS 10-km AOD of Beijing图1. 北京地区MODIS 10km分辨率AOD产品3.1 反演AOD产品对比分析图1表示反演得到的北京地区2001年4月17日MODIS 10km AOD产品，结果显示在北京城区的气溶胶光学厚度较高，MODIS 10-km分辨率气溶胶光学厚度产品基本可以反映北京地区气溶胶光学厚度由南向北递减，由城区向郊区递减的规律。
图2表示反演得到的北京地区2001年4月17日MODIS 1km AOD产品。
结果显示北京地区气溶胶光学厚度整体偏高，除在城区地区气溶胶光学厚度均超过1以外，在密云水库附近以及官厅水库附近的延怀盆地也出现了气溶胶光学厚度的较大值。
本文所得1kmAOD产品与NASA发布的10km AOD产品的值域分别为0~1.44和0.06~1.25，两者反演结果取值范围较为接近，说明1km产品与1-kmAOD产品在反演结果上具有较好的对应性。
Figure 2. MODIS 1-km AOD of Beijing图2. 北京地区MODIS 1km分辨率AOD产品在气溶胶光学厚度最大值产生的地方，如北京市城区，延怀盆地地区，10km AOD产品较1km产品会低估气溶胶光学厚度值0.1~0.2，最大可达0.5左右。
由图1及图2对比可知，1km产品比10km产品的空间分异性更为明显，可能更加适合于分析局部气溶胶分布，而10km 产品更适合于大尺度宏观分析。
3.2 反演AOD与地面光度计值验证EOS Terra星在北京上空过境时间一般在上午10点至11点之间，为了比较MODIS反演的1km与10km气溶胶光学厚度产品与在地面太阳光度计所测之值之间的误差，选取太阳光度计在实验日期内10点至11点所测之气溶胶光学厚度与MODIS反演的气溶胶光学厚度进行比较。
结果如图3所示。
Figure 3. Comparison of retrieval AOD and measured data by sunphotometer图3. 反演AOD与地面光度计测量值对比图从图中可知，在4月1日地面太阳光度计测量值与MODIS反演值有较大的误差，可能是仪器出现故障或因卷云的影响而造成的。
而在4月1日，10km分辨率MODIS气溶胶光学厚度产品与地面太阳光度计测量误差较大，4月15日则是1km分辨率MODIS气溶胶光学厚度产品与太阳光度计误差较大，在其他时间序列中，MODIS反演的气溶胶光学厚度与地面太阳光度计之值相差较小，可见无论是10km分辨率MODIS气溶胶光学厚度产品与1km分辨率气溶胶光学厚度产品都与真实值有较好的吻合度，反演精度都较高。
但在图3中并无法分别出10km分辨率MODIS气溶胶光学厚度产品与1km分辨率气溶胶光学厚度产品之间的优劣，其原因是在实验进行的4月，北京地区地表植被长势尚不良好，对于暗像元的第一优先级的选取数量并不够多，导致第二第三优先级的暗像元数量增加，使得反演的气溶胶光学厚度的精度受到很大的影响。
因此后续实验尚需在地表植被长势良好的时候进行相关实验并进一步验证两者之间的精度。
4 结论MODIS 10-km分辨率AOD产品已经广泛运用在大气校正中，并在全球变化监测中发挥着具大的作用。
但由于气溶胶在空间上分异明显，10km里尺度内气溶胶变化已经较大，且10-km分辨率AOD产品是对10km * 10km尺度内的所有无云像素所计算的气溶胶光学厚度产品进行的平均，平滑了在10km范围内的气溶胶光学厚度的剧烈变化。