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1、 遥感技术与数字图像处理遥感技术与数字图像处理实验报告作品名称： 基于 MODIS 影像的西安市 PM2.5 研究学 校： 兰州交通大学_ 指导教师： _ _杨树文_ 团队成员： _ _殷成钰_ _ 摘要可入肺颗粒物 PM2.5 是影响大气环境质量的重要因子之一，不仅对人体健康造成严重危害，同时也是影响全球气候、区域城市能见度重要因子，对其进行大范围的分布特征研究。本文西安市 PM2.5 浓度反演实验是建立在气溶胶光学厚度基础之上，利用晴天环境下的 MODIS L1B 数据，在 ENVI 环境下，使用云检测以及气溶胶反演扩展工具，将确定的地表反射率反演气溶胶光学厚度，并分析西安市当日的气溶胶光
2、学厚度与 PM2.5 的空间分布特征.目录摘要1 1.MODIS 数据介绍3 1.1 数据概述3 1.2 数据分级3 1.3 产品类型4 1.4 MODIS L1B 数据命名规则 .4 2.MODIS 数据准备.4 2.1 搜索所需数据4 2.2 数据下载7 3.MODIS 数据分析与处理.8 3.1 实验技术路线8 3.2 反射率与发射率文件处理 9 3.2.1 发射率文件几何校正 9 3.2.2 反射率文件几何校正 11 3.2.3 反射率和发射率数据合成与裁剪11 3.3 角度数据处理12 3.3.1 角度数据合成 .12 3.3.2 角度数据集的几何校正 .14 3.3.3 角度数据波
3、段运算与裁剪15 3.4 气溶胶反演16 3.4.1 云检测16 3.4.2 气溶胶反演 .17 3.5 反演结果处理18 4.结果分析与总结.19 4.1 西安市 PM2.5 质量浓度空间特征分析19 参考文献参考文献211.MODIS 数据介绍1.1 数据概述MODIS 数据自 2000 年 4 月正式向全球用户发布以来，NASA 对 MODIS 数据实行全球免费接收的政策，我国自 2001 年 3 月开始接收 MODIS 数据，目前已在国内建立了数个接收站，使得 MODIS 数据的获取更加方便和廉价。以下是 MODIS 的各个通道、波段的主要用途：通道波段宽度主要用途1-70.459-2
4、.135m陆地、云特征及边界8-190.105-0.965m海洋水色、浮游生物、生物 化学及大气水汽20-253.660-4.549m地球表面，云及大气温度26-301.360-9.880m卷云，水汽及臭氧31-3610.780-14.385m地球表面、云温度及云顶高 度1.2 数据分级MODIS 数据产品分级系统：MODIS 标准数据产品分级系统由 5 级数据构成，它们分别是：0 级、1 级、2 级、3 级和 4 级。 0 级数据：卫星地面站直接接收到的、未经处理的、包括全部数据信息在内的原始数据为 0 级数据。其数据文件扩展名为(.PDS)。 1 级数据：对完全分辨率的、没有经过处理的仪器
5、数据进行重建，使用辅助数据注解，进行时间配准，计算和增补后数据产品，包括 MOD01(L1A)、MOD02(L1B)和 MOD03 三类文件，其中 MOD02(L1B)是 MOD0I(L1A)和 MOD03处理之后获取的数据文件，也是用户可直接使用的数据，这些数据文件主要为HDF 格式，文件的扩展名为(.HDF)。2 级数据：在 1 级数据基础上开发出的、具有相同空间分辨率和覆盖相同地理区域的数据为 2 级数据。 3 级数据：3 级数据是以统一的时间-空间栅格表达的变量，通常具有一定的完整性和一致性。在 3 级水平上，将可以集中进行科学研究，如：定点时间序列，来自单一技术的观测方程和通用模型等
6、。4 级数据：通过分析模型和综合分析 3 级以下数据得出的结果数据为 4 级数据。1.3 产品类型MODIS 标准数据产品根据内容总计分解为 44 种标准数据产品类型，其中，2-4 级数据产品为三种主要标准数据产品类型，包括：陆地标准数据产品、大气标准数据产品和海洋标准数据产品。1.4 MODIS L1B 数据命名规则MOD02QKM 校正过的 250 米分辨率的对地观测数据MOD02HKM 校正过的 500 米分辨率的对地观测数据，包括 25 米重采样为 500 米分辨率数据MOD021KM 校正过的 1 公里分辨率的对地观测数据，包括 250 米和 500 米重采样为 1 公里分辨率的数据
7、。MOD02OBC 星上校正器（OBC）和工程数据。MOD02OBC MYD0 L1B 数据文件名的定义规则:例如： MOD021KM.A2016036.0405.005.2016036134251.hdfMOD 表示传感器为 MODIS，02 表示 L1B 数据，A 表示上午星 TERRA，B 表示下午星 Auqa,1KM 表示 1 公里分辨率，2016036 表示数据采集日期为 2016 年的第 36 天，134251 表示该轨数据是在国际标准时间 13 时 42 分 51 秒入境的。2.MODIS 数据准备本实验数据来源于美国 LAADS DAAC,网址：https:/ladsweb.n
8、ascom.nasa.gov/search/2.1 搜索所需数据1）打开网页，选中需要的数据源类型 。在 Satellite/Instrument 一栏下拉菜单选 Terra MODIS，Group 下拉菜单中选择:Terra Level 1 Products，再选择所需数据类型。注意：本实验选用分辨率为 1000m 的 MODIS L1B 数据，其中，MOD03 数据是用于对 1KM,QKM,HKM 数据进行几何纠正所用。具体如下图。2）确定数据日期。网页中日期类型为：月/日/年 时:分:秒，并且其显示的时间为 UTC 时间，换算为北京时间为：UTC 时间=北京时间-8 小时。在此选择 20
9、16 年 2 月 1 日到 2016 年 2 月 8 日范围内的数据。如下图。3）选择在spatial selection 选项中选择“latitude/longitude”,按经纬度形式选择影像范围。 本实验研究范围为西安市，所以选择合适经纬度进行数据搜索查询，具体如下图。4）点击 search 查到需要的数据： 勾选需要的数据，可以通过数据右侧“+View RGB”查看数据经纬度范围，如图。选择好数据后点击order files now， 输入你接收信息的邮箱，点 order开始订购该数据。5）所订购数据的存放位置信息： 点击Data-Track Orders可以查看所有已订购的数据的状态
10、。如下图。记住所订购数据的 Order ID，这是所订购数据的文件夹名。如果 state显示 available即可开始下载。2.2 数据下载数据需要通过新建 FTP 站点下载，根据提示新建 FTP 站点：FTP:ladsweb.nascom.nasa.gov；username: anonymous；password:（自己申请数据的邮箱）。完成后打开 orders 文件夹，在里面找到自己订购的数据文件夹拖到左边本地电脑的目录下即可开始下载。如下图。3.MODIS 数据分析与处理3.1 实验技术路线本研究气溶胶反演主要用到分辨率为 1KM 的 MODIS L1B 数据，其包括一个是发射率 Em
11、issive（band20-band36），第二个是辐射率 Radiance（band1-band26）,第三个是反射率 Reflectance（band1-band26）还有四个角度数据集：卫星天顶角（SensorZ），卫星方位角（SensorA），太阳天顶角（SolarZ），太阳方位角（SolarA）。分析过程具体包括几何校正、波段合成、云检测、气溶胶反演等。采用经典的暗像元法（DDV）也叫浓密植被法。打开角度数据集MODIS L1B 1KM 数据发射率几何校正导出 GCP 控制点反射率几何校正合成裁剪云检测气溶胶反演查找表角度数据合成角度数据波段运算角度数据几何校正反演结果3.2 反射率
12、与发射率文件处理3.2.1 发射率文件几何校正(1)ENVI 中有专门对 MODIS 数据进行几何校正的工具，打开【Toolbox】-【Geometric Correction】-【Georeference by Sensor】-【Georeference MODIS】，先选择发射率文件(Emissive)，如下图：(2)在 Georeference MODIS Parameters 对话框中参数设置如下图：注意:需要将 GCP 控制点文件保存下来。(3)单击 OK 后，在 Registration Parameters 窗口中设置参数如下图所示：注意：分辨率默认是 1000。(4)选择结果输
13、出位置后，单击 OK，得到发射率几何校正结果如下图：3.2.2 反射率文件几何校正过程与发射率文件几何校正相似，所以在这里不再过多赘述，参考发射率文件几何校正过程将反射率文件(Reflectance)进行几何校正。此步不需要进行再次保存 GCP 控制点文件。3.2.3 反射率和发射率数据合成与裁剪(1)打开几何校正后的反射率与发射率数据集，选择【Raster Management】-【Layer Stacking】工具，点击【Import File】按钮，选择几何校正后的反射率和发射率文件，如下图：(2)单击 Spatial Subset 按钮进行裁剪，在弹出的窗口中选择 ROI/EVF，然后
14、选择：EVD:西安市.shp 进行裁剪，如下图：(3)回到波段合成窗口中单击【Reorder File】调整文件顺序，必须反射率在上，发射率在下，如下图：(4) 选择合成裁剪结果输出位置后，单击 OK，得到合成结果如下图：3.3 角度数据处理3.3.1 角度数据合成(1)打开角度数据集，选择【File】-【Open As】-【Generic Formats】-【HDF4】，选择 MOD03(.hdf)数据文件，在列表中选择四个角数据集：卫星天顶角（SensorZ），卫星方位角（SensorA），太阳天顶角（SolarZ），太阳方位角（SolarA），如下图：(2)打开【Raster Manag
15、ement】-【New File Builder】工具，单击【Import File】工具选择打开的四个角度数据，调整其顺序为：卫星天顶角（Sensor Z），卫星方位角（Sensor A），太阳天顶角（Solar Z），太阳方位角（Solar A）。如下图：3.3.2 角度数据集的几何校正查看元数据信息，角度数据的行列数是 1354*2030，与发射率的相同，因此不需要进行重采样，但需要几何校正。(1)选择【Toolbox】-【Geometric Correction】-【Registration】-【 Warp from GCPs：Image to Map Registration】工具，
16、打开选择 GCP 控制点文件的对话框，在此选择之前保存的 GCP 控制点文件。(2)在 Image to Map Registration 窗口中，设置投影参数和输出分辨率(与反射率需要相同，这里为 1000)，单击 OK。(3)选择合成后的角度数据，在 Registration Parameters 对话框中设置参数，选择几何校正与重采样方法，与发射率校正结果匹配。如下图：3.3.3 角度数据波段运算与裁剪(1)我们可以查看角度数据中的值，其扩大了 100 倍，所以要将角度数据乘以 0.01。打开【Tool box】-【Band Ratio】-【Band Math】工具，输入公式：float(b1)*0.01，单击 OK。如图：(2)在参数面板中点击 Map Variable to Input File，选择角度数据几何校正结果，如图：(3)回到参数设定面板，单击 Spatial Su
