遙感圖像處理實驗論文殷成鈺

1、 遙感技術與數(shù)字圖像處理實驗報告作品名稱： 基于MODIS影像的西安市PM2.5研究學 校： 蘭州交通大學_ 指導教師： _ _楊樹文_ 團隊成員： _ _殷成鈺_ _ 摘要可入肺顆粒物 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布特征研究。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(shù)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.目錄摘要1

2、1.MODIS 數(shù)據介紹31.1數(shù)據概述31.2數(shù)據分級31.3產品類型41.4 MODIS L1B數(shù)據命名規(guī)則42.MODIS數(shù)據準備42.1搜索所需數(shù)據42.2數(shù)據下載73.MODIS數(shù)據分析與處理83.1實驗技術路線83.2反射率與發(fā)射率文件處理93.2.1 發(fā)射率文件幾何校正93.2.2 反射率文件幾何校正113.2.3反射率和發(fā)射率數(shù)據合成與裁剪113.3角度數(shù)據處理123.3.1角度數(shù)據合成123.3.2角度數(shù)據集的幾何校正143.3.3角度數(shù)據波段運算與裁剪153.4氣溶膠反演163.4.1 云檢測163.4.2氣溶膠反演173.5反演結果處理184.結果分析與總結194.1西安

3、市PM2.5質量濃度空間特征分析19參考文獻211.MODIS 數(shù)據介紹1.1數(shù)據概述MODIS 數(shù)據自 2000 年 4 月正式向全球用戶發(fā)布以來，NASA 對 MODIS 數(shù)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(shù)據，目前已在國內建立了數(shù)個接收站，使得 MODIS 數(shù)據的獲取更加方便和廉價。以下是MODIS的各個通道、波段的主要用途：通道波段寬度主要用途1-70.459-2.135m陸地、云特征及邊界8-190.105-0.965m海洋水色、浮游生物、生物化學及大氣水汽20-253.660-4.549m地球表面，云及大氣溫度26-301.360-9.8

4、80m卷云，水汽及臭氧31-3610.780-14.385m地球表面、云溫度及云頂高度1.2數(shù)據分級MODIS數(shù)據產品分級系統(tǒng)：MODIS標準數(shù)據產品分級系統(tǒng)由5級數(shù)據構成，它們分別是：0級、1級、2級、3級和4級。 0級數(shù)據：衛(wèi)星地面站直接接收到的、未經處理的、包括全部數(shù)據信息在內的原始數(shù)據為0級數(shù)據。其數(shù)據文件擴展名為(.PDS)。 1級數(shù)據：對完全分辨率的、沒有經過處理的儀器數(shù)據進行重建，使用輔助數(shù)據注解，進行時間配準，計算和增補后數(shù)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

5、取的數(shù)據文件，也是用戶可直接使用的數(shù)據，這些數(shù)據文件主要為HDF 格式，文件的擴展名為(.HDF)。2級數(shù)據：在1級數(shù)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(shù)據為2級數(shù)據。 3級數(shù)據：3級數(shù)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。4級數(shù)據：通過分析模型和綜合分析3級以下數(shù)據得出的結果數(shù)據為4級數(shù)據。1.3產品類型MODIS 標準數(shù)據產品根據內容總計分解為 44 種標準數(shù)據產品類型，其中，2-4級數(shù)據產品為三種主要標準數(shù)據產品類型，包括：陸地標準數(shù)據產品、大氣

6、標準數(shù)據產品和海洋標準數(shù)據產品。1.4 MODIS L1B數(shù)據命名規(guī)則MOD02QKM 校正過的 250 米分辨率的對地觀測數(shù)據MOD02HKM 校正過的 500 米分辨率的對地觀測數(shù)據，包括25米重采樣為500 米分辨率數(shù)據MOD021KM校正過的1 公里分辨率的對地觀測數(shù)據，包括250米和500 米重采樣為1 公里分辨率的數(shù)據。MOD02OBC 星上校正器（OBC）和工程數(shù)據。MOD02OBC MYD0 L1B數(shù)據文件名的定義規(guī)則:例如： MOD021KM.A2016036.0405.005.2016036134251.hdfMOD表示傳感器為MODIS，02表示L1B數(shù)據，A表示上午星T

7、ERRA，B表示下午星Auqa,1KM表示1公里分辨率，2016036表示數(shù)據采集日期為2016年的第36天，134251表示該軌數(shù)據是在國際標準時間13時42分51秒入境的。2.MODIS數(shù)據準備本實驗數(shù)據來源于美國LAADS DAAC,網址：/search/2.1搜索所需數(shù)據1）打開網頁，選中需要的數(shù)據源類型 。在Satellite/Instrument 一欄下拉菜單選 Terra MODIS，Group下拉菜單中選擇:Terra Level 1 Products，再選擇所需數(shù)據類型。注意：本實驗選用分辨率為 1000m的 MOD

8、IS L1B 數(shù)據，其中，MOD03數(shù)據是用于對1KM,QKM,HKM數(shù)據進行幾何糾正所用。具體如下圖。2）確定數(shù)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。在此選擇2016年2月1日到2016年2月8日范圍內的數(shù)據。如下圖。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(shù)據搜索查詢，具體如下圖。4）點擊search查到需要的數(shù)據： 勾選需要的數(shù)據，可以通過數(shù)據右側“+View RGB”

9、查看數(shù)據經緯度范圍，如圖。選擇好數(shù)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(shù)據。5）所訂購數(shù)據的存放位置信息： 點擊Data->Track Orders可以查看所有已訂購的數(shù)據的狀態(tài)。如下圖。記住所訂購數(shù)據的Order ID，這是所訂購數(shù)據的文件夾名。如果 state顯示 available即可開始下載。2.2數(shù)據下載數(shù)據需要通過新建FTP站點下載，根據提示新建FTP站點：FTP:；username: anonymous；password:（自己申請數(shù)據的郵箱）。完成后打開orders文件夾，在

10、里面找到自己訂購的數(shù)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。 3.MODIS數(shù)據分析與處理3.1實驗技術路線本研究氣溶膠反演主要用到分辨率為 1KM的 MODIS L1B 數(shù)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(shù)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（SolarA）。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（DD

11、V）也叫濃密植被法。打開角度數(shù)據集MODIS L1B 1KM數(shù)據發(fā)射率幾何校正導出GCP控制點反射率幾何校正合成裁剪云檢測氣溶膠反演查找表角度數(shù)據合成角度數(shù)據波段運算角度數(shù)據幾何校正反演結果3.2反射率與發(fā)射率文件處理3.2.1 發(fā)射率文件幾何校正(1)ENVI中有專門對MODIS數(shù)據進行幾何校正的工具，打開【Toolbox】->【Geometric Correction】->【Georeference by Sensor】->【Georeference MODIS】，先選擇發(fā)射率文件(Emissive)，如下圖：(2)在Georeference MODIS Paramete

12、rs對話框中參數(shù)設置如下圖：注意:需要將GCP控制點文件保存下來。 (3)單擊OK后，在Registration Parameters窗口中設置參數(shù)如下圖所示：注意：分辨率默認是1000。(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：3.2.2 反射率文件幾何校正過程與發(fā)射率文件幾何校正相似，所以在這里不再過多贅述，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。3.2.3反射率和發(fā)射率數(shù)據合成與裁剪(1)打開幾何校正后的反射率與發(fā)射率數(shù)據集，選擇【Raster Management】->【Laye

13、r Stacking】工具，點擊【Import File】按鈕，選擇幾何校正后的反射率和發(fā)射率文件，如下圖：(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：(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：(4) 選擇合成裁剪結果輸出位置后，單擊OK，得到合成結果如下圖：3.3角度數(shù)據處理3.3.1角度數(shù)據合成(1)打開角度數(shù)據集，選擇【File】->【Open As】->【Generic Formats】->【HDF4】，選擇MOD

14、03(.hdf)數(shù)據文件，在列表中選擇四個角數(shù)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（SolarA），如下圖：(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(shù)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），太陽方位角（Solar A）。如下圖：3.3.2角度數(shù)據集的幾何校正查看元數(shù)據信息，角度數(shù)據的行列數(shù)是1354*2030，與發(fā)射率的相同，因此不需要進行重采樣

15、，但需要幾何校正。(1)選擇【Toolbox】->【Geometric Correction】->【Registration】->【 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。(2)在Image to Map Registration窗口中，設置投影參數(shù)和輸出分辨率(與反射率需要相同，這里為1000)，單擊OK。(3)選擇合成后的角度數(shù)據，在Registration Parameters對話框中設置參數(shù)，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：3

16、.3.3角度數(shù)據波段運算與裁剪(1)我們可以查看角度數(shù)據中的值，其擴大了100倍，所以要將角度數(shù)據乘以0.01。打開【Tool box】->【Band Ratio】->【Band Math】工具，輸入公式：float(b1)*0.01，單擊OK。如圖：(2)在參數(shù)面板中點擊Map Variable to Input File，選擇角度數(shù)據幾何校正結果，如圖：(3)回到參數(shù)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(shù)據進行裁剪。如圖：(4)設置好結果輸出路徑后，單擊OK，得到結果如下圖：3.4氣溶膠反演3.4.1 云檢測云檢測需要用

17、到云檢測擴展工具，該工具實現(xiàn)對反射率和發(fā)射率的合成文件進行去云處理。(1)安裝的modis_cloud工具，選擇反射率與發(fā)射率合成裁剪后的結果，并選擇結果輸出位置，如圖：3.4.2氣溶膠反演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；(1)打開【Tool box】->【Extensions】->【modis_aerosol_inversion】，先選擇云檢測結果，單擊OK；(2)選擇角度最終處理結果數(shù)據，單擊OK；(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)據影像，也可

18、以自己制作查找表；(4)選擇結果輸出路徑和文件名。3.5反演結果處理(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。(2)在Edit Raster Color Slices窗口下編輯分割參數(shù)。本實驗分為七個等級。(3)最后用裁剪出西安市范圍，最終結果如圖：4.結果分析與總結4.1西安市PM2.5質量濃度空間特征分析根據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(shù)據，計算出西安市 PM2.5 日質量濃度，如表所示：西安市主城區(qū)PM2.5質量濃度點位名稱PM2.5

19、高壓開關廠 67興慶小區(qū) 48紡織城 小寨 53市人民體育場 72高新西區(qū) 68經開區(qū) 93長安區(qū) 94閻良區(qū) 129臨潼區(qū) 62曲江文化集團 68廣運潭 84草灘 99全市平均 77基于以上數(shù)據，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

20、分析結果，如圖所示：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(xiàn)多峰值的特點，其中閻良區(qū)和長安區(qū)的 PM2.5 質量濃度達到了全區(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(xiàn)先下降后上升的趨勢，且在邊緣地形起伏地帶出現(xiàn)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。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，在時間和空間上，相對于地面監(jiān)測資料具有較大的優(yōu)勢。參考文獻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).2閆婧華.MISR和MODIS氣溶膠光學厚度產品的數(shù)據融合及其在大氣細顆粒物監(jiān)測中的應用研究D.中國海洋大學，2014.3夏志業(yè)，劉志紅，王永前，陳洪濱，孫明江，焦露.MODIS氣溶膠光學厚度的PM2.5質量