卫星遥感海雾特征量的实时提取方法

摘要

本发明涉及一种卫星遥感海雾特征量的实时提取方法。利用白天EOS/MODIS资料，读入其原始数据文件PDS，通过分析海雾和低云在光谱特征上的差异，分两大步骤首先把海雾与低云分开，再对海雾特征量进行提取。即采用三级判识方法先后滤出中高低云、晴空水体、太阳耀斑水体、云阴影区、海冰雪盖，而建立海雾检测并得到海雾分布区，生成包括海雾检测结果的文件，然后再根据公式计算出海雾特征量——雾区的光学厚度、雾有效半径、液态水路径，与雾顶高度和雾中能见度，在微机上进行图像显示。本发明不仅提取了海雾特征量，并且计算雾能见度和雾顶高度，从而实现了海雾的定量化监测，海雾的消散预报，为海面上空飞行安全、海上交通与沿海空港作业提供气象信息。

说明书

技术领域

本发明属于海洋环境监测技术，具体涉及一种卫星遥感海雾特征量的实时提取方法。

背景技术

海雾是我国近海常见的天气现象。有海雾时，水汽凝结产生大量雾滴悬浮在海面上空，雾滴的散射、反射作用使海面能见度降低，对人类海上活动产生重要影响。

已有研究表明，国外文献报道利用NOAA卫星的AVHRR(甚高分辨率辐射计)的通道1、3和4，通过卫星遥感资料反演，可以得到有一定空间总揽性的雾和低云(以下简写为雾/低云)的特征量：雾/低云云滴有效半径re、光学厚度τ、液态水路径LWP(Liquidwater path)。但是，已有技术没有将雾与低云分开，实质是没有反演出海雾的特征量，而海雾特征量的变化与海雾的生消有关，根据海雾光学厚度、有效半径和液态水含量的变化可以为海雾消散预报提供重要依据。但是如果没有将海雾与低云区分开，严格说就不能提取海雾特征量，也就无法对海雾的消散预报提供信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种卫星遥感海雾特征量的实时提取方法，以克服已有技术的不足。

本发明充分利用EOS/MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer中分辨率成像光谱仪)卫星资料，该资料与NOAA卫星搭载的AVHRR相比有以下特点和优势：1)空间分辨率提高，星下点最大可达250m(AVHRR的星下点分辨率最大1.1km)。2)目前MODIS搭载在两颗EOS卫星(TERRA和AQUA)上，其中TERRA过境时间为地方时上午11:30时左右，AQUA为地方时13:30分左右，这对白天反演海雾光学厚度提供了非常理想的时段。3)光谱分辨率提高，EOS/MODIS资料有36个光谱通道(AVHRR有6个光谱通道)，大大增强了对地球复杂情况的观测和识别能力。

本发明具体的技术方案是利用白天EOS/MODIS资料，读入其原始数据文件(PDS)，并且分两大步骤：一、通过分析海雾和低云在光谱特征上的差异，首先把海雾与低云分开，再对海雾特征量进行提取。即采用三级判识方法先后滤出中高低云、晴空水体、太阳耀斑水体、云阴影区，而建立海雾检测方法并得到海雾分布区，生成包括海雾检测结果的文件。然后，二、再根据公式定量计算出海雾特征量——海上雾区的光学厚度、雾滴有效半径、液态水路径、以及雾中能见度和雾顶高度，形成海雾特征量数据文件，即可用GRADS绘图软件，在微机上进行图像显示。

本发明的特点：本发明对海雾和低云进行了分离，针对海雾进行了特征量的提取，对雾中能见度和雾顶高度进行了计算，从而实现了海雾的定量化监测和对海雾的消散预报提供信息。为海面上空飞行安全、海上交通运输、海港和沿海空港作业提供了有效气象资料。

附图说明

图1、本发明的把海雾与低云分开的流程示意图。

图2、本发明提取海雾特征量的流程示意图。

具体实施方式

如图1，本发明的具体步骤如下：

1)数据采集是通过极轨卫星数字可视广播系统(DVBS)，获取并读入PDS文件。

2)再从PDS数据集文件的头文件中读入太阳天顶角、太阳方位角、卫星天顶角、卫星方位角、地理定位数据、定标数据参数，对PDS文件利用常规方法进行数据预处理和质量控制(去除条纹、数据定标和定位等)。经预处理和质量控制后生成HDF文件；再对HDF文件用通用的方法进行几何精校正，生成局地的等经纬度投影数据文件LD3，其中包含了太阳天顶角、卫星天顶角和太阳卫星相对方位角信息和各通道的光谱资料信息。

3)进行一级判识，将目标物初步区分为：云(包括海雾/低云、含海冰、雪盖信息的中高云)、耀斑水体、晴空水体、云阴影。具体方法是首先读入LD3文件，通过投影数据中的太阳和卫星间的相对角度计算耀斑表数据，同时读入海陆模板数据、30年月平均SST(海表面温度)数据。用海陆模板数据将大陆与海洋分开；考虑到有耀斑污染的水体，在可见光、近红外以及短红外甚至中红外波段和轻雾的光谱特性十分接近，容易带来误判，通常用耀斑查算表数据将耀斑水体剔除。云(包括海雾/低云、含海冰、雪盖信息的中高云)、云阴影的识别均采用通用的长波红外亮温及可见光、近红外反照率以及中波红外亮温特征阈值的方法加以区分。利用归一化植被指数NDVI大于-0.05的条件初步滤除晴空水体(包括其中的藻类信息)。这里像元的定义为：卫星传感器对地面景物进行扫描采样的最小单元。

4)再对步骤3中的云(包括海雾/低云、含海冰雪盖信息的中高云)进行二级判识：判断是否满足海雾/低云特征，将含海冰雪盖信息的中高云以及晴空水体与海冰的混合像元剔除，保留海雾/低云区。方法是：根据海雾和晴空水体、海冰、中高云的辐射特性，检测符合可见光反照率在0.12～0.15之间、归一化雪指数NDSI在-0.1～0.1之间、1.6μm通道的反照率大于0.15、10.3μm通道的亮温大于270K的像元，判识为含低云的海雾。不满足则为含海冰雪盖信息的中高云和晴空水体与海冰的混合像元。通过二级判识，初步检测出含低云的海雾，该海雾(含低云)像元标记为Fog1。步骤3和步骤4中得到的晴空水体像元均标记为CS。

5)对于步骤4中含低云的海雾进行三级判识，即将海雾与低云分离。首先将与海表温度相比明显偏低的非暖性低云分离，其方法是：对于步骤4中得到的海雾(含低云)像元Fog1，在Fog1的同一纬线上100像元内找最邻近的晴空水体像元CS。如果找到了晴空水体像元CS，则比较两个像元在热红外(波长为11μm)通道上的亮温差ΔT_11μm，该亮温差表示为ΔT_11μm＝|T_Fog1-TCS|。亮温差如果在3K之内，则将该标记为Fog1的像元标记为Fog2。如果亮温差在3K以上，则将该像元判识为非暖性低云(C1)像元。

如果在Fog1像元的同一纬线上100像元内没有找到晴空水体像元，则在Fog1像元周围20×20像元矩阵内找最邻近的晴空水体像元CS。如果找到了晴空水体像元，则比较两个像元在热红外通道上的亮温差ΔT_11μm，ΔT_11μm＝|T_Fog1-T_CS|。亮温差如果在3K之内，则将该标记为Fog1的像元标记为Fog2。如果亮温差在3K以上，则将该像元判识为非暖性低云(C2)像元。

如果在Fog1像元的同一纬线上100像元内和周围20×20像元矩阵内都没有找到晴空水体像元，则用使用30年月平均SST代替晴空水体亮温值寻找邻近区的可能海雾像元。计算ΔT_11μm＝|T_Fog1-T_CS|，如果亮温差在4K以内，则将该标记为Fog1的像元标记为Fog2。

考虑到三级判识步骤完成后，得到的雾区还可能包含暖性碎低云，为了将碎的暖性低云从雾区中剔除，对于标记为Fog2的像元再用区域增长方法，进行空间拓展。

区域增长方法：将标记为Fog2中最符合阈值条件的像元标记为Fog3，以Fog3为中心，比较周围的邻近像元与Fog3像元的可见光反照率、中红外(波长为3.7μm)、热红外(波长为10.3μm)差值，如果差值分别在0.02、1K、0.5K之内，这个邻近的像元作为新的Fog3像元。由此循环，判识出海雾区。当区域增长分析要求的条件不符合了，就判识为暖性碎低云。

考虑到将夹在海雾区中的云边缘滤除，再进一步将以上得到的海雾检测数据用纹理条件分析。方法是：取N×N矩阵，N≥11，如果矩阵中60-70％的像元都标记Fog3，则判识为海雾；如果矩阵中只有30-40％的像元标记为Fog3，则判识为云边缘；这样就确定了低云区、海雾区、中高云区和晴空区。

6)将检测为低云区、海雾区、中高云区和晴空区的结果按像元输出为二进制的海雾检测结果文件，并储存。

如图2，7)在海雾检测的基础上，计算海雾特征量。读入海雾检测结果文件中标记为雾的像元，同时读入LD3文件中与雾区像元位置对应的1通道(波长0.62-0.67μm)反照率数值，读入太阳天顶角u_s数据和视觉对比阈值ε，按公式(1)进行逐像元计算，得到卫星观测时刻的雾区光学厚度值τ。计算公式如下：

$\tau =\frac{a_f{\mu }_0}{(1-a_f)\beta \left({\mu }_0\right)}---\left(1\right)$

式中τ是光学厚度，a_f是雾的反照率，μ0是太阳天顶角的余弦(μ₀＝cos(u_s))，β(μ₀)是后向散射系数，可由已有的精细多重散射模式计算得到，MODIS卫星过境时间基本固定，后向散射系数计算结果已经制定成表格，放入程序中，供程序调用)。计算好的光学厚度值以二进制格式输出到光学厚度值τ的文件中。

8)读入光学厚度值τ文件，并由公式(2)计算液态水路径：

$\mathrm{LWP}={10}^{{(0.5454·\tau )}^{0.254}}---\left(2\right)$

式中LWP是液态水路径(gm^-2)。将计算好的液态水路径值以二进制格式输出到液态水路径文件中。

9)读入雾区光学厚度文件和液态水路径文件，可以得到雾滴粒子的有效半径，公式如下：

$r_e=\frac{3}{2}·\frac{\mathrm{LMP}}{\rho ·\tau }---\left(3\right)$

式中r_e是有效半径(μm)，LWP是是液态水路径(gm^-2)，ρ是液态水密度(gm^-3)，τ是光学厚度。因此，r_e在遥感上的应用是指研究区域内雾滴大小的加权意义上的半径。将计算结果以二进制格式输出到文件r_e中。

10)雾顶高度(白天)的反演只和光学厚度有关，读入光学厚度文件，运用公式(4)计算雾顶高度：

H＝45τ^2/3(4)

式中H的单位是米。由于此经验公式得到的是雾顶几何厚度，而海雾发生在海平面上，可以将雾的厚度，看成是雾顶高度。将结果以二进制格式输出到雾顶高度文件中。

11)水平能见度可以由柯喜密什(Koschmieder)公式求得：

$\mathrm{VIS}=\frac{1}{{\beta }_{\mathrm{ext}}}·\ln \left(\frac{1}{ϵ}\right)---\left(5\right)$

式中ε＝0.02，β_ext为消光系数，可以表示为单位距离内相对光辐射能量的变化率，由公式(6)得到：

${\beta }_{\mathrm{ext}}=\frac{\mathrm{\Delta \tau }}{\mathrm{\Delta H}}---\left(6\right)$

把ε和β_ext都代入公式(5)，则能见度公式可以简化为：

$\mathrm{VIS}=\frac{1}{{\beta }_{\mathrm{ext}}}·\ln \left(\frac{1}{ϵ}\right)=\frac{3.19}{{\beta }_{\mathrm{ext}}}---\left(7\right)$

读入光学厚度文件和雾顶高度文件，利用(7)式就可以计算得到雾中能见度。将能见度结果以二进制格式输出到雾中能见度文件中。

12)将上述结果用GRADS绘图软件输出，用不同的颜色或者等值线表示数值的大小。

显然，本发明有效实现了海雾的实时监测，为海面上空飞行安全、海上交通运输、海港和沿海空港作业提供预测气象资料。