一種陸地云光學(xué)厚度的遙感反演方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及大氣遙感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種陸地云光學(xué)厚度的遙感反演方法及 系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 云性質(zhì)及其在時空尺度上的變化對全球氣候變化研宄十分重要。云光學(xué)厚度是計 算云輻射效應(yīng)和光學(xué)作用的重要參量之一，是地氣輻射系統(tǒng)的主要調(diào)節(jié)參量。遙感技術(shù)為 大范圍實時云光學(xué)參數(shù)反演提供了有力手段。在云光學(xué)厚度大的情況下，云的反射函數(shù)可 寫為符合漸進(jìn)理論的表達(dá)形式，其中反射輻射在非吸收的大氣波段是云光學(xué)厚度、地面反 射率和非對稱因子的函數(shù)。當(dāng)云光學(xué)厚度大于9后，無論是非守恒大氣還是守恒大氣，反 射函數(shù)的漸進(jìn)理論表達(dá)式均可以適用。OU等人在輻射傳輸模式和參數(shù)化的基礎(chǔ)上，選取了 AVHRR的3. 7ym和10. 9ym兩個通道數(shù)據(jù)，提出了反演卷云光學(xué)厚度的算法，并將該算法應(yīng) 用于第一次國際衛(wèi)星云氣候計劃區(qū)域試驗卷云加密觀測中，結(jié)果表明，反演得到的云參數(shù) 與地基和機(jī)載探測結(jié)果較為一致。Rosenfeld等人利用NOAA-AVHRR的0. 65通道數(shù)據(jù)反演 了云頂附近的云光學(xué)厚度信息，并與雷達(dá)回波的結(jié)果進(jìn)行了對比分析。第一個全球范圍的 光學(xué)厚度產(chǎn)品由ISCCP提供，該方法是針對有效粒子半徑為10ym的水云，通過查找表的方 式得到，其光學(xué)厚度值域為〇. 5?100。
[0003] 20世紀(jì)80年代以來，我國利用飛機(jī)、雷達(dá)和氣象衛(wèi)星遙感資料，開展了一系列云 輻射特性方面的研宄工作，取得了眾多研宄成果。利用衛(wèi)星可見光通道資料反演云光學(xué)厚 度的基礎(chǔ)理論已趨于成熟，即在可見光波段，云的反射函數(shù)主要依賴于云的光學(xué)厚度，但受 多種因素的共同影響，云的輻射特性復(fù)雜，在空間和時間上具有高度的可變性?，F(xiàn)有M0DIS 產(chǎn)品的業(yè)務(wù)算法也采用近紅外和可見光兩個通道同時實現(xiàn)光學(xué)厚度和有效粒子半徑的反 演，其理論基礎(chǔ)依然是平面平行理論，其反演方法會高估向陽方向的云光學(xué)厚度，低估背光 方向的云光學(xué)厚度。
[0004] 在實現(xiàn)本發(fā)明過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在如下問題：
[0005] 目前而言，衛(wèi)星遙感云光學(xué)厚度的精度還存在著一定的問題，其中最主要的問題 是云的宏觀和微觀不均勻性對云光學(xué)厚度的影響的程度至今尚無準(zhǔn)確結(jié)論。對冰云而言， 球形粒子假定和Mie理論已不再適用，加上冰云的時空分布變化大和其水平取向的多樣 性，使得冰云的反演難度更大。Nakajima指出，對于光學(xué)厚度大于4,有效粒子半徑大于 6ym的層狀水云來說，可以用0. 75ym反演光學(xué)厚度，而對于光學(xué)薄云層來說，反演結(jié)果是 不確定的，解不是唯一的，由〇. 75反演的云光學(xué)厚度代表整層云光學(xué)厚度的20%?40%。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] (一）要解決的技術(shù)問題
[0007] 本發(fā)明提出一種陸地云光學(xué)厚度的遙感反演方法及系統(tǒng)，可以快速準(zhǔn)確的實現(xiàn)日 間云光學(xué)厚度的提取，對于高亮地表，如冰、雪等下墊面情形，得到較好的反演結(jié)果。
[0008] (二）技術(shù)方案
[0009] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種陸地云光學(xué)厚度的遙感反演方法，所述 方法包括：
[0010] 獲取陸地的可見光影像，生成所述可見光影像的地表反射率；
[0011] 根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)利用輻射傳輸模型建立查找表；
[0012] 對所述可見光影像進(jìn)行輻射定標(biāo)，轉(zhuǎn)換為可見光影像的星上輻照度；
[0013] 結(jié)合多光譜影像數(shù)據(jù)，將所述可見光影像生成云掩膜圖像；
[0014] 根據(jù)所述可見光影像的地表反射率和星上輻照度，利用所述查找表，將所述云掩 膜圖像中的云覆蓋像元的星上輻照度反演為云光學(xué)厚度。
[0015] 優(yōu)選地，所述可見光影像為極軌衛(wèi)星采集的可見光波段影像數(shù)據(jù)或靜止衛(wèi)星采集 的可見光波段影像數(shù)據(jù)。
[0016] 優(yōu)選地，所述生成所述可見光影像的地表反射率數(shù)據(jù)具體包括：
[0017] 在預(yù)設(shè)時間段內(nèi)，選取逐日同一成像時刻的可見光影像；
[0018] 對所述預(yù)設(shè)時間段內(nèi)選取的所述可見光影像進(jìn)行大氣校正；
[0019] 根據(jù)校正后的可見光影像，提取地表反射率的最小值作為地表反射率。
[0020] 優(yōu)選地，所述預(yù)設(shè)時間段的時間步長為一個月，在所述預(yù)設(shè)時間段內(nèi)地表反射率 特性變化最小，且該預(yù)設(shè)時間段內(nèi)至少有一天是晴空狀況。
[0021] 優(yōu)選地，所述根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)利用輻射傳輸模型建立查找表，具體包括：
[0022] 根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)，所述預(yù)設(shè)參數(shù)包括多個太陽天頂角、多個觀測天頂角、相對方位 角、多個地表高程、多個氣溶膠光學(xué)厚度和多個云光學(xué)厚度，采用大氣輻射傳輸模型SBDART 計算多組不同地表、大氣和觀測幾何下的云光學(xué)厚度與星上輻照度的值，生成查找表。
[0023] 優(yōu)選地，根據(jù)云相態(tài)的不同，所述查找表包括：水云查找表和冰云查找表。
[0024] 優(yōu)選地，結(jié)合多光譜影像數(shù)據(jù)，生成云掩膜圖像具體包括：
[0025] 通過多光譜影像數(shù)據(jù)不同波段的波段反射率或亮溫與背景值的差值進(jìn)行比較，預(yù) 設(shè)不同的差值閾值，利用光譜閾值法生成第一層云掩膜；
[0026] 通過對多光譜影像劃分不同的像元矩陣，在劃分出的每塊像元矩陣內(nèi)設(shè)定不同的 動態(tài)閾值，高于所述動態(tài)閾值的像元矩陣判定為有云像元，生成第二層云掩膜；
[0027] 利用云的高反射率和低亮溫特性，針對可見光波段和熱紅外波段設(shè)定不同的覆蓋 閾值，高于所述覆蓋閾值的像元判定為云覆蓋像元，生成第三層云掩膜；
[0028] 將上述三層云掩膜進(jìn)行圖像融合，生成云掩膜圖像。
[0029] 優(yōu)選地，根據(jù)所述可見光影像的地表反射率和星上輻照度，利用所述查找表，將所 述云掩膜圖像中的云覆蓋像元的星上輻照度反演為云光學(xué)厚度，具體包括：
[0030] 對所述可見光影像進(jìn)行地形識別，識別出下墊面為陸地的區(qū)域；
[0031] 獲取所述區(qū)域的地表高程和氣溶膠光學(xué)厚度；
[0032] 計算當(dāng)前衛(wèi)星的觀測天頂角與觀測方位角以及太陽天頂角與太陽方位角，根據(jù)觀 測方位角和太陽方位角計算相對方位角；
[0033] 根據(jù)3. 7ym通道的亮溫進(jìn)行云相態(tài)識別，選擇相應(yīng)的查找表；
[0034] 根據(jù)所述可見光影像的地表反射率、星上輻照度、地表高程、觀測天頂角、太陽天 頂角、相對方位角以及氣溶膠光學(xué)厚度，在所述查找表中選取對應(yīng)的光學(xué)厚度；
[0035] 利用線性插值法獲取所述云掩膜圖像中的云覆蓋像元的光學(xué)厚度。
[0036] 優(yōu)選地，所述根據(jù)3. 7ym通道的亮溫進(jìn)行云相態(tài)識別，選擇相應(yīng)的查找表，具體 包括：
[0037] 如果所述3. 7ym通道的亮溫高于238K，則選用水云查找表進(jìn)行云參數(shù)反演；如果 所述3. 7ym通道的亮溫低于或等于238K，則選用冰云查找表進(jìn)行云參數(shù)反演。
[0038] 相應(yīng)的，本發(fā)明還提出了一種陸地云光學(xué)厚度的遙感反演系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：
[0039] 地表反射率生成模塊，用于獲取陸地的可見光影像，生成所述可見光影像的地表 反射率；
[0040] 查找表建立模塊，用于根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)利用輻射傳輸模型建立查找表；
[0041] 輻射定標(biāo)模塊，用于對所述可見光影像進(jìn)行輻射定標(biāo)，轉(zhuǎn)換為可見光影像的星上 輻照度；
[0042] 云掩膜圖像生成模塊，用于結(jié)合多光譜影像數(shù)據(jù)，將所述可見光影像生成云掩膜 圖像；
[0043] 反演模塊，用于根據(jù)所述可見光影像的地表反射率和星上輻照度，利用所述查找 表，將所述云掩膜圖像中的云覆蓋像元的星上輻照度反演為云光學(xué)厚度。
[0044](三）有益效果
[0045] 本發(fā)明提供了一種陸地云光學(xué)厚度的遙感反演方法及系統(tǒng)，基于云掩膜影像的提 取，可以快速準(zhǔn)確的實現(xiàn)日間云光學(xué)厚度的提取，且獨(dú)立于特定的傳感器和衛(wèi)星，在高亮地 表，如冰、雪等下墊面情形下，取得較好的反演結(jié)果。
【附圖說明】
[0046] 通過參考附圖會更加清楚的理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖是示意性的而不應(yīng)理 解為對本發(fā)明進(jìn)行任何限制，在附圖中：
[0047] 圖1為本發(fā)明提出的一種陸地云光學(xué)厚度的遙感反演方法流程圖；
[0048] 圖2為本發(fā)明提出的一種陸地云光學(xué)厚度的遙感反演系統(tǒng)模塊圖。
【具體實施方式】
[0049] 為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例 中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是 本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員 在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0050] 圖1為本發(fā)明提出的一種陸地云光學(xué)厚度的遙感反演方法流程圖，如圖1所示，該 方法包括：
[0051] S101，獲取陸地的可見光影像，生成所述可見光影像的地表反射率；所述可見光影 像為極軌衛(wèi)星采集的可見光波段影像數(shù)據(jù)或靜止衛(wèi)星采集的可見光波段影像數(shù)據(jù)。
[0052] 其中，生成所述可見光影像的地表反射率數(shù)據(jù)具體包括：在預(yù)設(shè)時間段內(nèi)，選取逐 日同一成像時刻的可見光影像；對所述預(yù)設(shè)時間段內(nèi)選取的所述可見光影像進(jìn)行大氣校 正；根據(jù)校正后的可見光影像，提取地表反射率的最小值作為地表反射率，所述預(yù)設(shè)時間段 的時間步長為一個月，在所述預(yù)設(shè)時間段內(nèi)地表反射率特性變化最小，且該預(yù)設(shè)時間段內(nèi) 至少有一天是晴空狀況。
[0053] 本發(fā)明實施例中，結(jié)合遙感影像可見光通道以及輻射傳輸模型，綜合考慮地表反 射、大氣層的反射、日-地-星間的幾何關(guān)系等參數(shù)，求算出可見光波段的