华东地区MODIS与OMI气溶胶光学厚度数据融合
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Abstract：Aerosol optical thickness (AOD) can represent the attenuation of solar radiation caused by aerosol, and reflect the atmospheric turbidity or air quality conditions as one of the most important parameters. It is an excellent data source for atmosphere and air quality studies as the atomosphere environment is deteriorating in recent years. Nowadays, there are many kinds of AOD satellite products with good spatial coverage which can be employed to atmospheric environmental researches and the related studies. However, the accuracy and certainty of these satellite products can not meet the increasing demands. Fortunately, the AOD retrieved from AErosol RObotic NETwork (AERONET) exhibits better quality, although their spatial representativeness are localized. With the help of quadratic polynomial interpolation and regression analysis methods, we employed the universal kriging method to integrate both types of AOD products (satellite AOD and AERONET AOD) for analyzing Eastern China in November 2008. Results showed that the quadratic polynomial interpolation method is much better than Angstrom on band interpolation in this study. The comparison between AERONET AOD products and satellite AOD products showed that the fused results (integrated with AOD products) retrieved from universal kriging data fusion method presented a better spatial resolution, wider coverage and higher accuracy. For East China, AOD values in the northern part are higher than the southern part in November 2008; for Yangtze River Delta region, the northeastern of Anhui and the eastern part of Shanxi hold higher AOD values, while the AOD values in southern part of Jiangsu are lower. In addition, this paper has confirmed that the universal kriging data fusion method can provide good fused AOD products in the cases that AERONET AOD data is inadequate and the transit time of different sensors is asynchronous. The AOD data fusion system proposed in this paper can provide better AOD products for relevant scientific researches.
Key words：
基金资助:上海市科委重点支撑项目()；国家自然科学基金项目()
SHI Runhe, E-mail: rhshi@geo.&&&
作者简介: 李龙(1988-)，男，硕士生，主要从事大气与环境遥感方面研究。E-mail:
引用本文: &&
李龙， 施润和， 张璐， 张颉， 周聪， 徐彦平， 高炜. 华东地区MODIS与OMI气溶胶光学厚度数据融合[J]. 地球信息科学学报, ): .
LI Long, SHI Runhe, ZHANG Lu, ZHANG Jie, ZHOU Cong, XU Yanping, GAO Wei. Data Fusion of MODIS AOD and OMIAOD over East China Using Universal Kriging. , ): .
链接本文: &
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《地球信息科学学报》编辑部&&&
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电子邮箱：【IDL代码库】IDL读取OMI二级产品
IDL程序下载地址：
下载读取OMI二级产品的IDL程序之后，用IDL打开，具体操作如下：
IDL打开pro文件之后，点击编译。
IDL命令行中输入filename=dialog_pickfile(),选择下载的OMI二级产品文件（he5）。这里以气溶胶产品OMAERO为例。
IDL命令行中输入hdf文件的轨道名称，例如：swathname='ColumnAmountAerosol'。
IDL命令行中输入需要读取的数据集名称，例如：fieldname=，如果是其他产品，请输入对应的数据集名称。
然后调用read_omi_level2函数，IDL命令行输入：
AOTMW=read_omi_level2(filename,swathname,fieldname)。
这样就可以将AerosolOpticalThicknessMW数据集读入到AOTMW变量中，这里可以在IDL命令行中查看该变量，输入:HELP,AOTMW
，可以得到：AOTMW&
&FLOAT&&&&
= Array[14, 60, 1494]。
获取该数据后即可在ENVI中打开，这里打开之前对变量做一个处理，IDL命令行输入：AOTMW=REFORM(AOTMW,60，1494，14)。
然后IDL命令行中输入:ENVI，启动ENVI
点击ENVI菜单File-&Import
form IDL Variable,选择AOTMW变量，如图1。点击OK后即可打开包含14个波段的数据如图2。
导入IDL变量
打开OMI气溶胶产品OMAERO
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以上网友发言只代表其个人观点，不代表新浪网的观点或立场。[转载]OMI卫星数据介绍（包含气溶胶产品）
1.Aura卫星及其搭载的传感器
& Aura (在拉丁文中表示空气)于2004年7月15日发射升空,是由多个国家的航空航天局共同研制的科学探测卫星,是继Terra和Aqua（搭载有MODIS传感器）后的又一颗重要的对地观测系统(EOS)卫星。其主要任务是开展对地球臭氧层、空气质量和气候变化的观测和研究。Aura是近极地、太阳同步轨道卫星,设计寿命为6年,围绕地球一圈约为100分钟左右,重复观测周期为16天。轨道斜角为98.2度,过境时间为当地下午1点45分,一天绕地飞行14或者15圈(表1.1)。在Aura卫星上供搭载了四个对地观测仪：高分辨率动态临边探测器（HRDLS）、微波临边探测器（MLS）、对流层放射光谱仪（TES）、臭氧监测仪（OMI）。
表1.1 Aura轨道参数
2.OMI仪器介绍
& OMI是美国国家航空航天局(NASA)于2004年7月15日发射的Aura地球观测系统卫星上携带的4个传感器之一。OMI由荷兰和芬兰与NASA合作制造,是GOME和SCIAMACHY的继承仪器,轨道扫描幅为2600km,空间分辨率是13kmx24km,一天覆盖全球一次。如表1.
2, OMI有三个通道,波长覆盖范围为270-500nm,平均光谱分辨率为0.5m。该传感器主要监测大气中的臭氧柱浓度和廓线、气溶胶、云、表面紫外辖射,还有其它的痕量气体,如N02、S02、HCHO、BrO、0C10等(表1.3)。OMI有产品等级分为：Level
Level 2G、
特别指出的是：OMI区分多种气溶胶类型例如烟雾、粉尘、硫酸盐，OMI二级（L2）气溶胶产品为OMAERO和OMAERUV，产品包含气溶胶光学厚度、单次散射反照率、气溶胶指数等数据集。
表1.2 OMI的性能参数
紫外光（UV1）
紫外光（UV2）
光谱分辨率
1.0~0.45nm
光谱采样点个数
视场扫描角
50&40&35cm
表1.3 OMI卫星遥感产品
绝对::相对
时间分辨率
水平分辨率
分辨率::覆盖范围
垂直分辨率
分辨率::覆盖范围
13&24km::GD
13&24km::GD
13&8km::GD
6km::20-45km
对流层臭氧柱总量
52&48km::60S~60°ND
地表UVB通量
13&24km::GD
云散射层气压
100hPa::30hPa
13&24km::GD
AOT（气溶胶光学厚度）
13&24km::GD
气溶胶单次散射反照率
13&24km::GD
13&24km::GD
26&48km::GD
13&24km::GD
13&24km::GD
26&48km::V
倾斜柱总量
3.OMI数据下载和读取
& OMI数据可以再NASA官网下载，数据产品实时更新，下载地址为：
& OMI数据格式为HDF5，可以利用ENVI5.1直接打开也可以利用IDL读取。
& ENVI5.1提供了打开HDF5文件功能（File-&Open
As-&Generic Formats-&HDF5
），图1为打开的OMI二级气溶胶产品OMAERO。
图1 ENVI5.1中打开OMI气溶胶产品OMAERO
& & 这里提供IDL下读取OMI二级产品的IDL源程序，具体参考博文：
图2 OMDOAO3产品展示
4.OMI命名介绍
& OMI气溶胶产品（OMAERO和OMAERUV）产品的名称为：
OMI-Aura_L2-OMAERO_36-o312m.he5
OMI-Aura_L2-OMAERUV_27-o513m.he5
这里以OMI-Aura_L2-OMAERO_36-o312m.he5
为例介绍命名规则：
》_《DataType》_《DataID》_《Version》.《Suffix》
= OMI-AURA（卫星仪器名称）
《DataType》
= L2-OMAERO或者L2-OMAERUV（产品等级和名称）
《DataID》
= 36-o39697（获取日期2012年1月1日）
《Version》
= v003-4335（版本为003，产品处理日期2012年5月29日）
《Suffix》
= he5（数据扩展名）
5.OMI内容相关网站
OMI数据下载：
OMI文档下载：
OMI数据处理工具：
OMI荷兰皇家气象研究所官网：
AURA卫星网站：
以上网友发言只代表其个人观点，不代表新浪网的观点或立场。华东地区MODIS与OMI气溶胶光学厚度数据融合
李龙, 施润和, 张璐, 张颉, 周聪, 徐彦平, 高炜. .华东地区MODIS与OMI气溶胶光学厚度数据融合[J].地球信息科学学报, ):
LI Long, SHI Runhe, ZHANG Lu, ZHANG Jie, ZHOU Cong, XU Yanping, GAO Wei. .Data Fusion of MODIS AOD and OMIAOD over East China Using Universal Kriging.Journal of Geo-information Science,): &&
Permissions
华东地区MODIS与OMI气溶胶光学厚度数据融合
施润和1,2,3*,
1. 华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室,上海 200241
2. 华东师范大学环境遥感与数据同化联合实验室,上海 200241
3. 华东师范大学、美国科罗拉多州立大学中美新能源与环境联合研究院,上海 200062
4. 佛山市气象局,佛山 528000
5. 开县气象局,开县 405499
*通讯作者：施润和(1979-),男,副教授,主要从事定量遥感研究。E-mail:
作者简介：李龙(1988-),男,硕士生,主要从事大气与环境遥感方面研究。E-mail:
基金:上海市科委重点支撑项目();国家自然科学基金项目()
气溶胶光学厚度（AOD）表征气溶胶对光的衰减作用,体现大气混浊度或大气中气溶胶总含量,其卫星产品是研究近年来不断恶化的大气环境与空气质量的良好数据源。AOD卫星产品种类较多,但数据存在较大的不确定性;气溶胶全球监测网（AERONET）的地基数据精度高,但空间覆盖度较差。泛克里金法（UK）能在数据融合过程中更多地考虑描述对象的空间相关性,并且简单易行、结果可靠。因此,本文采用该方法,结合二次多项式波段插值法和回归分析方法,在AERONET AOD数据的基础上,对2008年11月华东地区臭氧监测仪（OMI）和中分辨率成像光谱仪（MODIS）的AOD产品进行了融合。结果表明：二次多项式的AOD波段插值方法,能提供比Angstrom波长指数法更为精准的AOD插值结果;AOD融合产品的空间分辨率高于OMI AOD,覆盖率大于OMIAOD和MODIS AOD,且其精度优于这2种AOD卫星产品;融合产品图显示,2008年11月,华东地区的AOD总体呈现南低北高的趋势,高值区主要分布在长江三角洲部分地区、安徽东北部、苏鲁交界处,以及山东西部;低值区主要为江苏以南大部。相比于前人研究,本文证实了AERONET AOD站点数据少、融合的数据源（卫星AOD产品）过境时间不一致的情况下,UK方法仍然有效。本文提出的融合系统,可为相关研究提供空间覆盖更全、精度更高的AOD数据。
泛克里金法;
Data Fusion of MODIS AOD and OMIAOD over East China Using Universal Kriging
LI Long1,2,
SHI Runhe1,2,3,*,
ZHANG Lu1,2,
ZHANG Jie4,
ZHOU Cong1,2,
XU Yanping5,
GAO Wei1,2,3
1. Key Laboratory of Geographic Information Science, Ministry of Education, East China Normal University, Shanghai 200241, China
2. Joint Laboratory for Environmental Remote Sensing and Data Assimilation, ECNU and CEODE, Shanghai 200241, China
3. Joint Research Institute for New Energy and the Environment, East China Normal University and Colorado State University, Shanghai 200062,China
4. Foshan Bureau of Meteorology, Foshan 528000, China
5. Kai xian Bureau of meterological, kai xian 405499, China
*Corresponding author: SHI Runhe, E-mail:
Aerosol optical thickness (AOD) can represent the attenuation of solar radiation caused by aerosol, and reflect the atmospheric turbidity or air quality conditions as one of the most important parameters. It is an excellent data source for atmosphere and air quality studies as the atomosphere environment is deteriorating in recent years. Nowadays, there are many kinds of AOD satellite products with good spatial coverage which can be employed to atmospheric environmental researches and the related studies. However, the accuracy and certainty of these satellite products can not meet the increasing demands. Fortunately, the AOD retrieved from AErosol RObotic NETwork (AERONET) exhibits better quality, although their spatial representativeness are localized. With the help of quadratic polynomial interpolation and regression analysis methods, we employed the universal kriging method to integrate both types of AOD products (satellite AOD and AERONET AOD) for analyzing Eastern China in November 2008. Results showed that the quadratic polynomial interpolation method is much better than Angstrom on band interpolation in this study. The comparison between AERONET AOD products and satellite AOD products showed that the fused results (integrated with AOD products) retrieved from universal kriging data fusion method presented a better spatial resolution, wider coverage and higher accuracy. For East China, AOD values in the northern part are higher than the southern part in November 2008; for Yangtze River Delta region, the northeastern of Anhui and the eastern part of Shanxi hold higher AOD values, while the AOD values in southern part of Jiangsu are lower. In addition, this paper has confirmed that the universal kriging data fusion method can provide good fused AOD products in the cases that AERONET AOD data is inadequate and the transit time of different sensors is asynchronous. The AOD data fusion system proposed in this paper can provide better AOD products for relevant scientific researches.
universal kriging;
data fusion;
East China
1 引言大气气溶胶的气候效应早在20世纪70年代已被意识到[], 20世纪80年代末开始受到科学界的普遍关注（IPCC5, 2007）。气溶胶光学厚度, 简称AOD（Aerosol Optical Depth）, 是表征大气混浊度或大气中气溶胶总含量的重要物理量[]。无云情况下, AOD的大小与空气颗粒物情况有关, 运用AOD数据对大气环境和空气质量特别是近年来备受关注的细颗粒物（Fine Particulate Matter, PM2.5）进行研究成为新的热点[, , , , ]。获取高空间覆盖率、高精度的AOD数据, 对开展大气环境领域的研究意义重大。通过数据融合方法结合不同传感器的数据, 对地-气系统AOD状况进行研究能有效弥补单一数据的不足[]。另外, 获取空间覆盖率更高的融合产品能减少云等对AOD遥感反演产生的不利影响。AOD数据融合主要包括最大似然法（Maximum Likelihood, ML）、神经网络法（Neural Network, NN）和克里金法等方法。其中, 常见的克里金法有普通克里金法（Ordinary Kriging, OK）、固定秩克里金法（Fixed Rank Kriging, FRK）和泛克里金法（Universal Kriging, UK）等方法[, , , , ]。大气环境现象的时空估计或预测方法, 大都源于克里金法[]或客观分析法[]。前者通过拉格朗日乘数实现求解, 主要应用于地质和水文, 以及环境学科; 后者基于高斯-马尔可夫定理, 偏重于气象-海洋领域的应用[]。对比研究表明, 这2种方法本质上是一致的[]。相对于其他方法, 克里金法的优势主要体现为：（1）在数据网格化的过程中考虑了描述对象的空间相关性质, 使融合结果更科学、更接近于实际情况; （2）能给出融合的误差（克里金方差）, 使融合结果的可靠性一目了然[, , , ]。然而, 当前运用克里金法进行AOD数据融合的研究较少。传统克里金法的计算复杂性达到
O(N3), 不适用于数据量大的情况。作为传统克里金方法的改进版本, UK不仅简单易行, 还解决了计算复杂的问题; 此外, 应用UK方法进行数据融合, 在产生融合结果的同时, 可给出更精确的不确定性数据。Chatterjee[]等人曾利用UK方法, 对美国大陆地区的中分辨率成像光谱仪（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS/Terra）与多角度成像光谱仪（Multi-angle Imaging SpectroRadiometer, MISR/Terra）反演的AOD数据, 进行了融合研究, 证实了UK方法应用于该领域的可行性与优越性。然而, 除了MODIS AOD与MISR AOD等卫星产品外, 臭氧监测仪（Ozone Monitoring Instrument, OMI/Aura）反演的AOD也是一种类似的数据源。但是, 目前为止采用OMI AOD开展相关领域的研究极少。因此, 本文结合二次多项式波段插值与线性回归分析方法, 采用UK技术对MODIS/Aqua和OMI/Aura提供的每日AOD产品、气溶胶自动观测网（Aerosol Robotic Network, AERONET）的站点AOD数据开展融合研究。本文将UK方法应用到华东地区的研究时, 主要存在2个需解决的难题或需验证的疑点：（1）华东地区AERONET站点密度显著小于美国大陆地区, 并且多数站点的AOD数据时间上存在严重的断续问题, 如何在地基数据“ 不充分” 的情况下, 运用UK方法融合得到可靠的AOD产品, 是本文须解决的一个难题。（2）与Chatterjee[]等的研究相比, 本文所采用的2种AOD数据来自不同卫星平台上的传感器（MODIS/Aqua和OMI/Aura）, 其过境时间的不一致, 导致AOD特征信号接收的气象条件等不相同; 此外, 2种传感器的系统误差和AOD产品的反演算法也不尽相同。UK方法能否有效应用于此种情况下的AOD融合研究是本文需验证的疑点。2 研究区数据分析本研究的空间范围为华东6省1市（山东、江苏、安徽、浙江、福建、江西、上海）, 经纬度范围约为114.80° ~122.70° E, 23.57° ~38.21° N）, 如所示。该地区的主要地理特征为北部多平原而南部多丘陵和山区, 经济发达, 人为活动对大气环境的影响较大。近年来, 华东地区空气污染日益严重, 雾霾天数增加尤为明显。图1Fig. 1 图1 研究区域与AERONET站点分布Fig. 1 Research region and distribution of AERONET sites近极地太阳同步轨道卫星Aura和Aqua是美国地球观测系统（Earth Observation System, EOS）计划中的2颗卫星, 过境时间均为当地时间13:30左右, 较小的太阳天顶角为气溶胶的反演创造了优越的光照条件。相近的过境时间保证了卫星在相似的照度等条件下采集数据, 减少了不同传感器数据之间的差异。卫星轨道相关参数见, Aura卫星上搭载的OMI和Aqua平台上的MODIS均提供每日AOD产品。作为基准的AERONET观测网反演的AOD产品、OMI气溶胶产品OMAEROe和MODIS/Aqua气溶胶产品MYD04中的AOD数据, 为本研究的数据源。表1Tab. 1表1(Tab. 1)
表1 Aqua和Aura卫星参数
Tab. 1 Parameters of Aqua and Aura卫星参数Aqua（MODIS）Aura（OMI）发射时间轨道类型太阳同步太阳同步轨道高度（km）705705轨道周期（min）98.898.8过境时间L.T 13:30L.T 13:45
表1 Aqua和Aura卫星参数
Tab. 1 Parameters of Aqua and Aura2.1 AERONET AOD数据气溶胶自动观测网（AErosol RObotic NETwork, AERONET）是一个采用CE-318型太阳光度计观测气溶胶特征的全球性大规模气溶胶观测网。至今为止, 华东地区有12个观测站点纳入AERONET。观测仪器每15 min采集一次340、380、440、500、675、870和1020 nm通道处的气溶胶光学特性。AERONET反演的AOD因受地表参数和气溶胶前向散射影响较小[], 反演精度可达0.02至0.01[], 因而被较多地应用为AOD基准数据。其数据分为未筛选的Level 1.0产品、经云检测的Level 1.5产品, 以及经过云检测和质量控制的Level 2.0产品[]。本文采用2008年华东地区10个站点（）的Level 2.0或Level1.5 AOD产品进行了数据融合参数的估算及结果验证。本文对AERONET站点AOD历史数据进行了统计：研究区（华东地区）2008年AERONET站点AOD数据时间延续性较为完整。然而, 本研究的重要目标之一是在地基数据“ 不充分” 的条件下运用UK方法融合得到可靠的AOD产品。是2008年华东地区AERONET AOD数据的时间分布情况。显然, 华东地区AERONET AOD数据缺失比较严重, 尤其是秋季（9-11月）。因此, 本文选取月作为研究的时间范围, 且此时段的AOD卫星数据相对较为充足。图2Fig.2 图2 2008年华东地区AERONET站点AOD时间分布情况Fig.2 The temporal characteristics of AERONET AOD in East China, 20082.2 MODIS AOD数据MODIS的工作波段涵盖了0.553~14.235 &#x003 m范围内的可见光、近红外和红外的36个波段[]。目前运行的2个MODIS传感器分别搭载在Terra和Aqua卫星平台上, 提供了包括AOD产品MOD04（MODIS/Terra）和MYD04（MODIS/Aqua）2种主要气溶胶数据产品。MODIS AOD在大气环境、气候变化等相关领域的研究已比较成熟, 其反演精度与空间分辨率较高, 可直接提供550 nm处的AOD值; 然而, 其数据缺失较OMI AOD产品严重, 不同版本（如版本号为collection 5, collection 5.1的版本）的AOD反演均存在一定的缺陷, 如沙漠地区、大面积水体下垫面情况下的AOD反演的局限性等。为减少OMI AOD和MODIS AOD产品时间上的差异, 研究采用过境时间与OMI差异较小的MODIS/Aqua AOD二级产品MYD04_L2。MYD04_L2中包含“ Corrected_Optical_Depth_Land” 数据集, 该数据集含有470、550、660 nm通道处的AOD值。产品空间分辨率约为10 km, 时间分辨率为1 d。MYD04_L2数据来自戈达德宇宙飞行中心数据分发系统（http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html）。2.3 OMI AOD数据OMI通过接收大气层顶（Top Of Atmosphere, TOA）紫外和可见光通道（270~500 nm）的上行辐射以反演大气成分特征, 其光谱分辨率为0.5 nm左右[]。由于330~500 nm波长范围内TOA反射率, 对气溶胶浓度、粒径分布、组成和垂直分布敏感, 可用该范围内通道进行气溶胶反演[]。由于OMI AOD的反演通道主要位于紫外波段, 其反演精度较容易受瑞利散射的影响, 故在AOD低值区反演的不确定性较大; 然而, OMI对AOD高值区的反演精度较高, 对相对较新的反演方法和研究较少的数据的适用性研究具有较大的现实意义。本研究所用的OMI AOD产品, 是采用多通道技术（OMAERO）方法, 利用342.5~483.5 nm间的14个波段反演得到的陆地AOD三级产品OMAEROe中的“ AerosolOpticalThicknessMW” 数据集。数据集提供342.5、388、442、463、483.5 nm通道处的AOD值, 其空间分辨率为0.25° , 时间分辨率为1 d。OMAEROe数据来自“ 戈达德地球科学数据和信息服务中心” （http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/Aura/data-holdings/OMI/omler_v003.shtml）。由于MODISAOD数据的空间分辨率约为10 km, 本文将OMI AOD和MODIS AOD重采样为10 km以便于研究。3 AOD数据融合方法3.1 AOD波段插值目前, 关于AOD的研究基本采用550 nm通道处的值。然而, 不同传感器所反演的AOD产品处于不同的波谱通道, 为保证不同数据间通道的一致性和不同研究之间的可比性, 本文采用二次多项式插值法进行波段插值。相对于Angstrom波长指数插值方法, 二次多项式插值法可插值出精度较高、更可靠的550 nm通道处AOD值[]。这主要是因为Angstrom波长指数依赖于荣格尺度分布[], 而通常情况下的气溶胶粒子尺度不遵循这一分布特征[], 从而导致Angstrom波长指数插值法精度相对较差。二次多项式插值法是通过3个已知通道的AOD, 插值出550 nm通道处的值（式（1））。 lnτα=a0+a1lnλ+a2(lnλ)2(1)式中,
λ通道处的AOD值;
ai(i=0, 1, 2)是未知系数。本文采用二次多项式插值法, 利用OMI 342.5、442、483.5 nm通道和AERONET 440、500、675 nm通道的AOD, 分别插值得到550 nm处的OMI AOD和AERONET AOD。3.2 UK数据融合方法泛克里金法是由Matheron于1969年提出的地统计的数据融合方法[], 不同传感器AOD数据的角色类似于多元线性回归中的回归因子。其目的是估计AOD分布
s, 可表示为确定但未知的趋势项
Xsβ和均值为0的随机项
ν之和（式（2））。 s=Xsβ+ν(2)式中,
Xs（m×p）给出趋势模型, m是估计位置或时刻的数目;
p个变量各自的权重。在地统计学领域, 表示空间变异性的趋势可用其他的变量作确定性的表示。UK方法的AOD数据融合中, 趋势矩阵
Xs可表示为： Xs=1AOD11AOD21?1AOD12AOD22?????1AOD1mAOD2m?AODi1AODi2?AODim(3)式中,
AODim表示来自第
m位置（时刻）处的AOD观测值。类似于多元回归模型, 第一列的所有“ 1” 乘以
β（即截距）, 可反映传感器观测的AOD值与真实值之间的系统误差。本研究的
Xs由一列“ 1” , 一列MODIS/Aqua AOD和一列OMI AOD组成, 同时, 采用与之对应的同一时间相同位置处的AERONET AOD值, 求取包含AOD空间特征的UK融合参数
ν值, 本文运用该方法对2008年11月的每日MODIS/Aqua AOD和OMI AOD进行了融合研究。由于研究时间范围内华东地区AERONET站点数据缺失较多（）, 导致地基数据“ 不充分” , 故本文采用了2008年秋季（9月1日-11月31日）10个站点位置处符合要求的数据（共276组）进行参数估计, 将估计参数应用于地基数据缺失十分严重的11月并检验融合结果, 这有利于充分探究并证实UK方法在地基数据“ 不充分” 的条件下的适用性。本文用于UK参数估计的AOD数据来自一段时间内的匹配数据, 因此, 融合参数也包含了时间变异特征。UK详细计算过程可参考文献[11]。4 AOD数据融合结果与分析4.1 AOD波段插值结果数据源对融合结果的可靠性至关重要, 为验证二次多项式波段插值方法的优越性, 本文利用日至11月16日的OMI AOD均值和2008年AERONET太湖站点的AOD数据, 分别采用Angstrom波长指数和二次多项式插值法, 计算出已有通道的AOD插值结果, 并与传感器相应的观测值进行比较分析, 误差以平均绝对误差（Mean Absolute Error, MAE）表示, 结果如所示。表2Tab. 2表2(Tab. 2)
表2 二次多项式法和Angstrom波长指数法AOD波段插值结果比较（波长单位：nm）
Tab. 2 Comparison between quadratic polynomial method and Angstrom wavelength exponent method传感器二次多项式法Angstrom波长指数法插值波长结果波长MAE插值波长结果波长MAEOMI342.5, 388, 442483.50.001342.5, 388483.50.019342.5, 442, 483.53880.001342.5, 483.53880.009AERONET440, 500, 6758700.010440, 6758700.017440, 500, 8706750.007440, 8706750.014
表2 二次多项式法和Angstrom波长指数法AOD波段插值结果比较（波长单位：nm）
Tab. 2 Comparison between quadratic polynomial method and Angstrom wavelength exponent method结果表明, 二次多项式法在内插和外推情况下, 均显著优于Angstrom波长指数法, 且在外推插值时效果尤为明显。而本文采用的OMI光谱通道均小于550 nm, 获取550 nm通道的OMI AOD值是一个外推的过程。从可知, 本研究采用的 AOD插值结果比采用Angstrom波长指数插值法的结果更准确。4.2 AOD数据相关性分析为探究不同传感器AOD数据之间的相关性, 本文以研究区内的10个AERONET站点位置为基准, 采用有效值进行平均的方法分别计算站点附近0.5° × 0.5° 范围内的每日卫星AOD数据均值, 并计算卫星过境时间前后30 min内的AERONET AOD均值, 以获取两两之间的皮尔森（Pearson）线性相关系数。为保证卫星均值数据的代表性, 本文仅计算有效像元比例, 不小于40%的0.5° × 0.5° 窗口的AOD均值。采用该方法研究选取了2008年秋季（9月1日-11月31日）的3种传感器AOD数据进行匹配, 得到42组数据, 经Pearson相关分析, 得到所示结果, 图（3）中虚线为
y=x线。图3Fig.3 图3 不同传感器AOD数据之间的相关性Fig.3 Correlations between different AOD products如所示, 卫星获取的AOD数据与AERONET AOD数据之间存在显著（显著性水平
p=0.01）的相关性, 相关系数详见。考虑到与AERONET站点位置对应的卫星数据为0.5° × 0.5° 窗口内的平均值, 卫星反演结果可靠性较高。2种卫星数据之间的相关性显著（
p=0.01）, 为UK方法应用于AOD数据融合提供了基础。4.3 融合结果及其空间特征分析本文采用上述UK数据融合方法, 对2008年11月OMI AOD和MODIS AOD每日数据进行融合, 并采用有效值平均的方法对得到的每日融合结果进行月合成。此外, 本文同样用有效值平均的方法, 对2008年11月的OMI AOD和MODIS AOD每日产品进行了月合成, 得到相应的AOD月均值结果及空间特征（）。图4Fig. 4 图4 2008年11月AOD平均分布情况Fig. 4 Distributions of mean AOD in November 20082008年11月OMIAOD与MODIS AOD空间分布具有较好的一致性, 在大部分地区差异较小, 但其值大小和空间分布仍存在一定差异, 这主要由不同传感器系统误差和反演算法不同所致。此外, 在月合成算法中, 不同传感器在相同格点的有效反演值天数不同也会产生差异。由于MODIS AOD每日数据缺失较为严重, 研究区内月均值合成结果仍存在部分数据空缺（空缺或已剔除的异常值在（b）中用白色表示）。另外, 由于本文应用的MODIS陆地AOD产品的反演算法, 在大面积水体下垫面的情况下反演误差较大, MODIS AOD月均值存在一些异常低值分布(已剔除, 空缺或异常值在（b）用白色表示)。运用2008年11月的每日AOD卫星产品, 结合2008年秋季（9-11月）的AERONET站点AOD数据, 采用UK方法进行数据融合, 另将有效值平均方法, 对每日AOD融合结果及其不确定性进行处理, 得到如所示的结果。由于融合时采用的地基数据为与2个传感器相对应的AERONET AOD的均值, 融合结果为2个传感器过境时刻（MODIS/Aqua L.T. 13:30左右过境, OMI/Aura L.T. 13:45左右过境, 时间差为15 min左右）之间的均值。其中, 不确定性用标准差表示。图5Fig. 5 图5 UK融合结果及其不确定性Fig. 5 UK fusion result and its uncertainy（a）展示的融合结果与中原始卫星数据空间分布整体趋势较一致, 即融合结果保持了原始数据的空间分布特征。并从三者的高值区和低值区相对位置的空间分布可看出：UK方法的AOD数据融合较好地保留了2种原始数据的共同空间特点。由于UK融合方法仅在MODIS和OMI 2种原始卫星数据均有有效值的像元进行, 其融合结果仍存在与2种原始数据相同的缺失情况。然而, 对于本研究, 由于OMI空间分辨率较低, 其每日AOD产品的空间覆盖数据缺失相对较少, 因此, 本文运用AOD每日融合结果与相应的每日OMI AOD值建立一元线性回归模型（R2=0.8979）, 在MODIS数据缺失和异常值位置（数据缺失位置主要分布在江苏东南部、上海及浙江沿海地区, 异常值已剔除, （b）用白色表示）, 采用OMI AOD数据, 运用融合结果与OMI AOD之间的线性模型, 对融合结果进行了估计。采用将有效值进行平均的方法, 对线性回归处理后的每日AOD融合产品进行月合成, 得到AOD融合产品的月均值结果（）。图6Fig. 6 图6 线性回归分析后的融合结果Fig. 6 Final fusion results一元线性回归模型能根据OMI AOD较好地估计UK融合结果的缺失位置和异常位置处的AOD值。UK方法给出的AOD融合结果的不确定性（（b））的空间分布与AOD融合结果分布, 具有较好的一致性。2008年11月, 华东地区AOD总体呈现南低北高的空间分布特征。高值区主要分布在长江三角洲部分（苏东南、上海、浙东北）地区、安徽东北部、苏鲁交界处, 以及山东西部地区; 低值区主要分布在江苏以南的大部分地区。4.4 融合结果的评价本文通过对比分析AERONET站点处的OMI AOD月均值、MODIS AOD月均值、AOD融合结果与相应的AERONET AOD数据, 以对融合结果进行评价。由于AERONET站点处卫星传感器的AOD月均值数据, 是运用11月30天内的有效值进行平均得到的, 所以, 相应的AERONET AOD站点均值仅考虑存在有效卫星数据的天数。然而, 由于研究时间范围内AERONET站点处MODIS数据缺失严重, 站点处MODIS月均值数目极少, 符合验证条件的站点仅有合肥、寿县、太湖3个站点。鉴此, 本文计算过境时间前后30 min内的AERONET AOD月均值、AERONET站点周围0.25° × 0.25° 范围内的卫星数据月均值及UK融合结果均值, 结果如所示。表3Tab.3表3(Tab.3)
表3 AERONET站点处AOD数据源月均值、UK融合结果月均值及相应的月均值差
Tab.3 Monthly averages of AOD source data, UK fusion results and their differences at each AERONET site站点MODISOMIUKAERONETMODIS-AERONETOMI-AERONETUK-AERONET合肥0.5900.6880.4930.5360.0540.152-0.043寿县0.4350.3660.5340.504-0.069-0.1380.030太湖0.4530.4870.4740.467-0.0140.0200.010
表3 AERONET站点处AOD数据源月均值、UK融合结果月均值及相应的月均值差
Tab.3 Monthly averages of AOD source data, UK fusion results and their differences at each AERONET site有研究表明, OMI AOD数据的不确定性值约为30%[], MODIS AOD数据的不确定性用标准差表示, 非亮像元约为0.05+0.15
τ[, ], 因此, 本文所用的UK融合方法在提高AOD数据精度的同时, 降低了融合结果的不确定性（（b））。这表明, 结合线性回归模型的UK方法的华东地区AOD数据融合是可行的, 通过这一方法进行MODIS AOD和OMI AOD数据融合, 能得到覆盖更全、精度更高的气溶胶光学厚度产品, 更利于有效充分地将多源海量卫星数据应用于空气质量和大气环境等研究。然而, 尽管UK方法一定程度上能考虑到不同来源的AOD数据之间的时空自相关性[], 但与Chatterjee []等人的研究相比, OMI AOD和MODIS/AquaAOD的特征信号获取的气象条件存在一定的差异, 这可能会给融合结果带来一定的误差。5 结论本文通过2008年华东地区OMI AOD、MODIS AOD及AERONETAOD站点数据, 结合二次多项式波段插值方法和线性回归分析模型, 采用泛克里金融合方法对研究区内不同来源的AOD数据进行了融合; 并对2008年11月华东地区AOD的融合结果及其空间分布特征进行了简要分析; 最后对融合结果进行了评价, 结果表明：（1）与常用的Angstrom波长指数插值方法相比, 二次多项式的AOD波段插值方法能提供更为精准的AOD插值结果。（2）UK方法与线性回归方法相结合开展华东地区AOD数据融合, 在考虑了空间数据自相关性的同时, 发挥了不同原始数据的优势, AOD融合结果在空间分辨率、覆盖度、结果的精度上, 都优于MODIS AOD或OMI AOD单一数据产品。此外, 从UK数据融合方法的误差图可见, 本文的融合结果可靠性较好。（3）空间分布上, 融合前后AOD数据的空间分布没有明显差异。2008年11月华东地区AOD呈现出南低北高的总体趋势：高值区主要分布在长江三角洲部分地区、安徽东北部、苏鲁交界处, 及山东西部; 低值区主要在江苏以南的大部分地区。综上, 本文证实了UK方法在华东地区的MODIS AOD与OMI AOD融合研究中的适用性, 尤其对AERONET实测数据缺失较严重的情况下, 仍能保证较高的精度。在今后的研究中, 将进一步考虑气象因子对AOD观测与反演的影响, 对多源、非同步探测的遥感数据反演AOD产品进行修正和融合。
The authors have declared that no competing interests exist.
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... 1 引言大气气溶胶的气候效应早在20世纪70年代已被意识到[1],20世纪80年代末开始受到科学界的普遍关注（IPCC5,2007） ...
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罗宇翔, 陈娟, 郑小波
应用年MODIS大气气溶胶光学厚度(AOD)资料,分析中国550 nm AOD年和季节平均分布.还选取了10个代表性区域,分析AOD变化特征.这些分析建立起了近10年来中国气溶胶光学厚度的气候学特征:中国年平均AOD 空间区域分布中心大体呈现两低两高.两低中心位于植被覆盖度高和人烟稀少的(1)黑龙江和内蒙古东北高纬度地区(～0.2)；(2)川、滇与青藏高原交界 的西南高海拔地区(0.1～0.2).一个AOD低值带(0.2～03)连接这两个低中心,呈东北西南走向跨过中国大陆.在此低值带两侧,各有一片AOD 高值中心(～0.8):(1)人口密集和工业化发展带来的大量人为气溶胶形成了一个覆盖了华北、长江流域(从四川盆地,两湖地区到长三角)到华南珠江三角 洲相联的大片高AOD中心区域；(2)以沙尘为主的自然气气溶胶造就了西北塔克拉玛干沙漠及周边高AOD区.中国AOD这一两低两高区域分布特征基本保持 四季不变,但其中心强度呈现各自区域性季节变化.中国春季AOD高值区的面积最大,其次是夏季,然后是秋季,面积最小的是冬季.南方AOD月变化规律多为 双峰型,即3-5和8-9月出现2次高峰,5—7月从南向北先后出现波谷,变化规律与季风响应.北方为单峰型,6-7月为高峰,11到来年2月为低谷.用 弱季风年(2002)和强季风年(2003)季风影响区域气象条件和气溶胶数据对比分析表明,大陆AOD的月空间分布和变化与季风气候,以及风速、风向、 降水、温度和湿度等的变化有关.
... 气溶胶光学厚度,简称AOD（Aerosol Optical Depth）,是表征大气混浊度或大气中气溶胶总含量的重要物理量[2] ...
... 5）进行研究成为新的热点[3,4,5,6,7] ...
... 5）进行研究成为新的热点[3,4,5,6,7] ...
... 5）进行研究成为新的热点[3,4,5,6,7] ...
... 5）进行研究成为新的热点[3,4,5,6,7] ...
... 5）进行研究成为新的热点[3,4,5,6,7] ...
... 通过数据融合方法结合不同传感器的数据,对地-气系统AOD状况进行研究能有效弥补单一数据的不足[8] ...
... 其中,常见的克里金法有普通克里金法（Ordinary Kriging,OK）、固定秩克里金法（Fixed Rank Kriging,FRK）和泛克里金法（Universal Kriging,UK）等方法[9,10,11,12,13] ...
... 其中,常见的克里金法有普通克里金法（Ordinary Kriging,OK）、固定秩克里金法（Fixed Rank Kriging,FRK）和泛克里金法（Universal Kriging,UK）等方法[9,10,11,12,13] ...
... 其中,常见的克里金法有普通克里金法（Ordinary Kriging,OK）、固定秩克里金法（Fixed Rank Kriging,FRK）和泛克里金法（Universal Kriging,UK）等方法[9,10,11,12,13] ...
... Chatterjee[11]等人曾利用UK方法,对美国大陆地区的中分辨率成像光谱仪（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS/Terra）与多角度成像光谱仪（Multi-angle Imaging SpectroRadiometer,MISR/Terra）反演的AOD数据,进行了融合研究,证实了UK方法应用于该领域的可行性与优越性 ...
... （2）与Chatterjee[11]等的研究相比,本文所采用的2种AOD数据来自不同卫星平台上的传感器（MODIS/Aqua和OMI/Aura）,其过境时间的不一致,导致AOD特征信号接收的气象条件等不相同 ...
... 然而,尽管UK方法一定程度上能考虑到不同来源的AOD数据之间的时空自相关性[11],但与Chatterjee [11]等人的研究相比,OMI AOD和MODIS/AquaAOD的特征信号获取的气象条件存在一定的差异,这可能会给融合结果带来一定的误差 ...
... 然而,尽管UK方法一定程度上能考虑到不同来源的AOD数据之间的时空自相关性[11],但与Chatterjee [11]等人的研究相比,OMI AOD和MODIS/AquaAOD的特征信号获取的气象条件存在一定的差异,这可能会给融合结果带来一定的误差 ...
... 其中,常见的克里金法有普通克里金法（Ordinary Kriging,OK）、固定秩克里金法（Fixed Rank Kriging,FRK）和泛克里金法（Universal Kriging,UK）等方法[9,10,11,12,13] ...
... 其中,常见的克里金法有普通克里金法（Ordinary Kriging,OK）、固定秩克里金法（Fixed Rank Kriging,FRK）和泛克里金法（Universal Kriging,UK）等方法[9,10,11,12,13] ...
... 大气环境现象的时空估计或预测方法,大都源于克里金法[14]或客观分析法[15] ...
... 大气环境现象的时空估计或预测方法,大都源于克里金法[14]或客观分析法[15] ...
... 后者基于高斯-马尔可夫定理,偏重于气象-海洋领域的应用[16] ...
... 对比研究表明,这2种方法本质上是一致的[17] ...
林忠辉, 莫兴国, 李宏轩
... （2）能给出融合的误差（克里金方差）,使融合结果的可靠性一目了然[18,19,20,21] ...
李军龙, 张剑, 张丛
摘　要： 气象要素是草原综合顺序分类中重要的指标，对生态系统中物种的组成、生长、演替更新及干物质 的积累有很大的影响。年均温度、年降水量、年积温空间分布的一般规律是随海拔高度和纬度的增加而减少，但不同插值方法所计算出的空间插值之间，却有明显的 不同。用Are Map8．3地理信息系统软件，对全国及周边地区2114个气象台（站），年30年的年均温度、年积温和年降水量，分别采用样条函数法 （Spline）、反距离加权平方法（IDS）和普通克里金法（OK）进行空间插值分析。交叉验证结果表明：当选择合适的站点数目时，3种方法的精度都很 高。在克里金法中，除高斯模型精度较低外，球状模型、环状模型、指数模型对同一气象因素插值，其相对平均误差也不大。3种插值方法的比较是，年均温度插值 时，OK法优于Spline法，Spline法优于IDS法，相对平均误差分别为7．65％、7．9％和7．95％；年降水量插值时，OK法优于 Spline法和IDS法，相对平均误差分别为8．31％、8，76％和8．76％；年积温插值时，OK法优于IDS法，IDS法优于Spline法，相 对平均误差分别为5．82％、6．11％和6．13％。
... （2）能给出融合的误差（克里金方差）,使融合结果的可靠性一目了然[18,19,20,21] ...
... （2）能给出融合的误差（克里金方差）,使融合结果的可靠性一目了然[18,19,20,21] ...
... （2）能给出融合的误差（克里金方差）,使融合结果的可靠性一目了然[18,19,20,21] ...
... AERONET反演的AOD因受地表参数和气溶胶前向散射影响较小[22],反演精度可达0 ...
... 01[23],因而被较多地应用为AOD基准数据 ...
... 0产品[24] ...
... m范围内的可见光、近红外和红外的36个波段[25] ...
... 5 nm左右[26] ...
... 由于330~500 nm波长范围内TOA反射率,对气溶胶浓度、粒径分布、组成和垂直分布敏感,可用该范围内通道进行气溶胶反演[27] ...
... 相对于Angstrom波长指数插值方法,二次多项式插值法可插值出精度较高、更可靠的550 nm通道处AOD值[28] ...
... 这主要是因为Angstrom波长指数依赖于荣格尺度分布[29],而通常情况下的气溶胶粒子尺度不遵循这一分布特征[30],从而导致Angstrom波长指数插值法精度相对较差 ...
... 这主要是因为Angstrom波长指数依赖于荣格尺度分布[29],而通常情况下的气溶胶粒子尺度不遵循这一分布特征[30],从而导致Angstrom波长指数插值法精度相对较差 ...
... 2 UK数据融合方法泛克里金法是由Matheron于1969年提出的地统计的数据融合方法[31],不同传感器AOD数据的角色类似于多元线性回归中的回归因子 ...
... 有研究表明,OMI AOD数据的不确定性值约为30%[32],MODIS AOD数据的不确定性用标准差表示,非亮像元约为0 ...
... 15 τ[33,34],因此,本文所用的UK融合方法在提高AOD数据精度的同时,降低了融合结果的不确定性（图5（b）） ...
... 15 τ[33,34],因此,本文所用的UK融合方法在提高AOD数据精度的同时,降低了融合结果的不确定性（图5（b）） ...
华东地区MODIS与OMI气溶胶光学厚度数据融合
[李龙1,2, 施润和1,2,3*, 张璐1,2, 张颉4, 周聪1,2, 徐彦平5, 高炜1,2,3]