一种有效的卷云监测方法

一种有效的卷云监测方法

技术领域

本发明涉及一种利用对地观测卫星NPP携带的VIIRS传感器获得的热红外信息和近红外波段信息的方法获取较高精度的卷云检测方法，该方法克服传统的卷云测试受海拔和大气水汽影响的缺点，能够提高检测的精度和适用范围、在不提高误报的条件下检测出更多的卷云，可以为气象预报、农业灾害检测等遥感产品的获取提供高质量的云掩码产品。 

背景技术

在一天内，云能够覆盖地球表面约70%的空间，因此云量的多少和云覆盖范围变化对全球气候变化、辐射收支平衡等具有重大的影响。而薄卷云相比于其它的云对入射太阳光具有更好透过性和对来自地表的长波辐射的强吸收特性，因而对地区的温室效应贡献极大。在当前的云检测算法中，卷云的检测以1.38 μm波段反射值进行测试为主[Ben-Dor, 1994: A precaution regarding cirrus cloud detection from airborne imaging spectrometer data using the 1.38 μm water vapor band. Journal of Remote Sensing, Volμme 50, 346-350]，也有使用热红外的检测方法和CO2薄卷云检测方法[Smith, W. L. and C. M. R. Platt, 1978: Comparison of satellite-deduced cloud heights with indications from radiosonde and ground-based laser measurements. Journal of Applied Meteorology,Volμme 17 (12), 1796-1802]。但由于12 μm处的热红外受大气水汽吸收影响较大，以及检测阈值与传感器的观测角和11 μm通道亮温相关性较大，因此阈值的确定较为复杂，从而在实际业务运行在难以提高检测精度。CO2薄卷云检测方法受地表海拔的影响较小，因此具有较好的卷云检测效果。2011年10月28日发射的NPP卫星携带的VIIRS传感器用于取代搭载在Terra和Aqua卫星上已超出服役年限的MODIS传感器，VIIRS传感器与MODIS传感器较为相似，空间分辨率和数据信噪比均有提升，但VIIRS传感器波段数没有MODIS传感器丰富，重要的是没有可用于CO2薄卷云检测的14 μm通道。而在海拔地区（比如青藏高原），由于地表反射的1.38 μm辐射不完全被大气水汽吸收而进入到传感器，最终导致使用某一阈值进行卷云检测的时候出现大量的误报。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种从VIIRS数据获取较高精度卷云掩码的方法，以克服现VIIRS传感器没有可用的CO₂薄卷云检测通道造成的高海拔地区卷云检测误报的缺陷，其主要发明在于根据卷云具有和地表不同温度的特性，引入11 μm通道亮温测试，较好的克服高海拔地区由于大气水汽少造成的大量误报或检测失败。本发明所使用的参数都可以从相应的遥感产品直接获取，且实际使用中不受传感器类型的限制，只需要1.38 μm通道和11 μm通道即可获取高质量的卷云掩码。 

为实现上述目的，本发明从VIIRS数据获取高质量卷云掩码的方法原理如下： 

卷云一般分布于高空，呈现不同形状的冰晶状，其亮温一般较低，而晴空条件下的地表亮温一般高于卷云的亮温，因此可以对两者的亮温进行比较识别卷云。在有天空为卷云覆盖的情况下，传感器11 μm通道探测到的辐射量受卷云光学厚度的影响较大，即厚度不同的卷云，其对应BT11亮温不同，BT11亮温组成可用式（1）描述：

BT11 = a*BT11_land+b*BT11_cir                    （1）

式中，BT11为传感器接受到的亮温，BT11_land为地表亮温，BT11_cir为卷云亮温，故可知在，地表不为亮温较低的冰雪覆盖的时候，卷云的亮温低于地表的亮温。若卫星观测图像中有卷云存在，且下垫面地表不为冰雪覆盖时，对应卷云的判识条件如式（2）

R > Rt && BT11 < T_s+ T’                          （2）

式中，R是卫星在1.38 μm通道的反射值，Rt是1.38 μm卷云判识阈值，BT11是卫星11 μm热红外通道的亮温，T_s为当前观测时的地表温度，T’为修正值。由于卫星成像时的地表温度T_s是不能直接获取的，因此需要做相应的替换。通过统计和分析发现，多天合成的地表温度产品能够较好的反应每天的地表温度T_s。但使用多天合成的地表温度产品来替代T_s需要进行相应的修正，一方面是不同时间地表温度的变化，另一方是卫星观测亮温BT11与T_s并不相等，还需要考虑大气的吸收和地表发射率，因此使用T’来进行修正。

具体实现

（1）具体检测参数获取。通过统计相应的多天合成地表温度与卷云、晴空条件下地表的亮温，相应的本发明的卷云检测参数如式（3）

R > 0.01 && BT11 < T_s- 5                             （3）

即式（2）中的T’取-5，Rt取0.01。

（2）卫星数据预处理 

由于实现本发明所需要的输入参数有多天合成的地表温度数据，而该数据与卫星成像时获取的图像数据地理位置存在差异，另一方，不同数据产品其分辨率也是不相同的，因此需要进行预处理。先对VIIRS数据进行参数转换，投影变换，然后对多天合成的地表温度数据（这里使用MODIS地表温度数据）进行投影，最后使用投影后的VIIRS对投影后的多天合成地表温度进行重采样，得到分辨率和地理位置相等的VIIRS数据和多天合成地表温度数据。

（3）使用公式（3）对以上步骤生成的数据进行卷云识别，表1是本文的检测精度，图1是检测结果，其中（a）是VIIRS M5M4M3真彩合成（b）是1.38 μm的M9波段图像（c）本文卷云检测结果，（d）是简单阈值卷云检测结果。 

表 1 本发明与现行1.38μm卷云检测精度对比 

从表1中可以看出，本发明实现的卷云检测精度在高海拔地区的精度远高于现行简单阈值的1.38μm卷云检测方案，能够避免高海拔、低水汽含量对卷云检测造成的干扰，提升线性卷云的检测精度。 

附图说明

图1 本发明的卷云结果和简单阈值卷云检测结果对比。（a）VIIRS M5 M4 M3三波段真彩合成图像，（b）VIIRS M9卷云发射波段，（c）本发明卷云检测结果，（d）简单阈值卷云检测结果，图中虚线矩形、椭圆形、菱形区域为本发明检测结果与简单阈值检测的对比，可以发现本发明的检测结果优于现行简单阈值卷云检测结果。