一種有效的卷云監(jiān)測方法
【專利摘要】一種有效的卷云監(jiān)測方法。本發(fā)明涉及一種從NPPVIIRS數(shù)據(jù)獲取卷云檢測方法，可以為氣象預(yù)報、農(nóng)業(yè)災(zāi)害檢測等遙感產(chǎn)品的獲取提供高質(zhì)量的卷云掩碼產(chǎn)品。該方法在當(dāng)前的1.38um簡單閾值卷云檢測的基礎(chǔ)上，引入11um傳感器亮溫，將該亮溫?cái)?shù)據(jù)與多天合成的地表溫度做比對，根據(jù)在晴空條件下卷云亮溫低于地表亮溫的特征來近一步判識卷云。
【專利說明】一種有效的卷云監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用對地觀測衛(wèi)星NPP攜帶的VIIRS傳感器獲得的熱紅外信息和近紅外波段信息的方法獲取較高精度的卷云檢測方法，該方法克服傳統(tǒng)的卷云測試受海拔和大氣水汽影響的缺點(diǎn)，能夠提高檢測的精度和適用范圍、在不提高誤報的條件下檢測出更多的卷云，可以為氣象預(yù)報、農(nóng)業(yè)災(zāi)害檢測等遙感產(chǎn)品的獲取提供高質(zhì)量的云掩碼產(chǎn)品。
【背景技術(shù)】
[0002]在一天內(nèi)，云能夠覆蓋地球表面約70%的空間，因此云量的多少和云覆蓋范圍變化對全球氣候變化、輻射收支平衡等具有重大的影響。而薄卷云相比于其它的云對入射太陽光具有更好透過性和對來自地表的長波輻射的強(qiáng)吸收特性，因而對地區(qū)的溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)極大。在當(dāng)前的云檢測算法中，卷云的檢測以1.38 ym波段反射值進(jìn)行測試為主[Ben-Dor, 1994: A precaution regarding cirrus cloud detection from airborneimaging spectrometer data using the 1.38 μ m water vapor band.Journal ofRemote Sensing, Vol μ me 50, 346-350],也有使用熱紅外的檢測方法和C02薄卷云檢測方法[Smith, ff.L.and C.M.R.Platt, 1978: Comparison of satellite-deducedcloud heights with indications from radiosonde and ground-based lasermeasurements.Journal of Applied Meteorology, Vol μ me 17 (12)，1796-1802]。但由于12 μ m處的熱紅外受大氣水汽吸收影響較大，以及檢測閾值與傳感器的觀測角和11 ym通道亮溫相關(guān)性較大，因此閾值的確定較為復(fù)雜，從而在實(shí)際業(yè)務(wù)運(yùn)行在難以提高檢測精度。C02薄卷云檢測方法受地表海拔的影響較小，因此具有較好的卷云檢測效果。2011年10月28日發(fā)射的NPP衛(wèi)星攜帶的VIIRS傳感器用于取代搭載在Terra和Aqua衛(wèi)星上已超出服役年限的MODIS傳感器，VIIRS傳感器與MODIS傳感器較為相似，空間分辨率和數(shù)據(jù)信噪比均有提升，但VIIRS傳感器波段數(shù)沒有MODIS傳感器豐富，重要的是沒有可用于C02薄卷云檢測的14 μπι通道。而在海拔地區(qū)(比如青藏高原)，由于地表反射的1.38 μ m福射不完全被大氣水汽吸收而進(jìn)入到傳感器，最終導(dǎo)致使用某一閾值進(jìn)行卷云檢測的時候出現(xiàn)大量的誤報。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種從VIIRS數(shù)據(jù)獲取較高精度卷云掩碼的方法，以克服現(xiàn)VIIRS傳感器沒有可用的CO2薄卷云檢測通道造成的高海拔地區(qū)卷云檢測誤報的缺陷，其主要發(fā)明在于根據(jù)卷云具有和地表不同溫度的特性，引入11 Pm通道亮溫測試，較好的克服高海拔地區(qū)由于大氣水汽少造成的大量誤報或檢測失敗。本發(fā)明所使用的參數(shù)都可以從相應(yīng)的遙感產(chǎn)品直接獲取，且實(shí)際使用中不受傳感器類型的限制，只需要1.38 μπι通道和11 μ m通道即可獲取高質(zhì)量的卷云掩碼。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明從VIIRS數(shù)據(jù)獲取高質(zhì)量卷云掩碼的方法原理如下: 卷云一般分布于高空，呈現(xiàn)不同形狀的冰晶狀，其亮溫一般較低，而晴空條件下的地表亮溫一般高于卷云的亮溫，因此可以對兩者的亮溫進(jìn)行比較識別卷云。在有天空為卷云覆蓋的情況下，傳感器11 μ m通道探測到的輻射量受卷云光學(xué)厚度的影響較大，即厚度不同的卷云，其對應(yīng)谷/77亮溫不同，亮溫組成可用式(I)描述:
BTll = ^BTll land^BTI Icir(I)
式中，BTll為傳感器接受到的亮溫，BTllland為地表亮溫，BTllcir為卷云亮溫，故可知在，地表不為亮溫較低的冰雪覆蓋的時候，卷云的亮溫低于地表的亮溫。若衛(wèi)星觀測圖像中有卷云存在，且下墊面地表不為冰雪覆蓋時，對應(yīng)卷云的判識條件如式(2)
R > Rt kk BTll < T+ T，(2)
式中，是衛(wèi)星在1.38 μπι通道的反射值，TPi是1.38 μ m卷云判識閾值，沒777是衛(wèi)星11 μ m熱紅外通道的亮溫，7；為當(dāng)前觀測時的地表溫度，廣為修正值。由于衛(wèi)星成像時的地表溫度7；是不能直接獲取的，因此需要做相應(yīng)的替換。通過統(tǒng)計(jì)和分析發(fā)現(xiàn)，多天合成的地表溫度產(chǎn)品能夠較好的反應(yīng)每天的地表溫度Ts。但使用多天合成的地表溫度產(chǎn)品來替代7；需要進(jìn)行相應(yīng)的修正，一方面是不同時間地表溫度的變化，另一方是衛(wèi)星觀測亮溫沒777與Ts并不相等，還需要考慮大氣的吸收和地表發(fā)射率，因此使用來進(jìn)行修正。
[0005]具體實(shí)現(xiàn)
(I)具體檢測參數(shù)獲取。通過統(tǒng)計(jì)相應(yīng)的多天合成地表溫度與卷云、晴空條件下地表的亮溫，相應(yīng)的本發(fā)明的卷云檢測參數(shù)如式(3)
R > 0.01 && BTll < T- 5(3)
即式(2)中的T，取-5，沿取0.01。
[0006](2)衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理
由于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所需要的輸入?yún)?shù)有多天合成的地表溫度數(shù)據(jù)，而該數(shù)據(jù)與衛(wèi)星成像時獲取的圖像數(shù)據(jù)地理位置存在差異，另一方，不同數(shù)據(jù)產(chǎn)品其分辨率也是不相同的，因此需要進(jìn)行預(yù)處理。先對VIIRS數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換，投影變換，然后對多天合成的地表溫度數(shù)據(jù)(這里使用MODIS地表溫度數(shù)據(jù))進(jìn)行投影，最后使用投影后的VIIRS對投影后的多天合成地表溫度進(jìn)行重采樣，得到分辨率和地理位置相等的VIIRS數(shù)據(jù)和多天合成地表溫度數(shù)據(jù)。
[0007](3)使用公式(3)對以上步驟生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行卷云識別，表1是本文的檢測精度，圖1是檢測結(jié)果，其中(a)是VIIRS M5M4M3真彩色合成(b)是1.38 μπι的M9波段圖像(c)本文卷云檢測結(jié)果，Cd)是簡單閾值卷云檢測結(jié)果。
[0008]表1本發(fā)明與現(xiàn)行1.38 μ m卷云檢測精度對比
【權(quán)利要求】
1.本發(fā)明從VIIRS數(shù)據(jù)獲取高質(zhì)量卷云掩碼的方法原理如下: 卷云一般分布于高空，呈現(xiàn)不同形狀的冰晶狀，其亮溫一般較低，而晴空條件下的地表亮溫一般高于卷云的亮溫，因此可以對兩者的亮溫進(jìn)行比較識別卷云，在有天空為卷云覆蓋的情況下，傳感器11 μ m通道探測到的輻射量受卷云光學(xué)厚度的影響較大，即厚度不同的卷云，其對應(yīng)BTll亮溫不同，BTll亮溫組成可用式(I)描述: BTll = a*BTllland+b*BTllcir(I) 式中，BTll為傳感器接受到的亮溫，BTllland為地表亮溫，BTllcir為卷云亮溫，故可知在地表不為亮溫較低的冰雪覆蓋的時候，卷云的亮溫低于地表的亮溫；若衛(wèi)星觀測圖像中有卷云存在，且下墊面地表不為冰雪覆蓋時，對應(yīng)卷云的判識條件如式(2) R > Rt && BTll 〈 Ts + T’(2) 式中，R是衛(wèi)星在1.38 μ m通道的反射值，Rt是1.38 μ m卷云判識閾值，BTll是衛(wèi)星11 μ m熱紅外通道的亮溫，Ts為當(dāng)前觀測時的地表溫度，T’為修正值，由于衛(wèi)星成像時的地表溫度Ts是不能直接獲取的，因此需要做相應(yīng)的替換；通過統(tǒng)計(jì)和分析發(fā)現(xiàn)，多天合成的地表溫度產(chǎn)品能夠較好的反應(yīng)每天的地表溫度Ts，但使用多天合成的地表溫度產(chǎn)品來替代Ts需要進(jìn)行相應(yīng)的修正，一方面是不同時間地表溫度的變化，另一方是衛(wèi)星觀測亮溫BTll與Ts并不相等，還需要考慮大氣的吸收和地表發(fā)射率，因此使用T’來進(jìn)行修正。
【文檔編號】G01W1/00GK103995302SQ201410146828
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】不公告發(fā)明人 申請人:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所, 毛克彪, 天津大學(xué)