专利名称：极轨气象卫星遥感白天和夜间海雾的检测方法
极轨气象^M遥感白天和夜间海雾的检测方法
狱领域
本发明属于海洋环，测技术，具M^及一种极轨气象:EM遥感白天和夜间海雾的 检测方法。 背景狱
根据中国气象局《地面气象观测规范》规定，雾指"大量微小水滴#^空中，常呈
乳白色，^7jC平能见度小于1. 0km"。就微理本质而言，躬云都是空气中水汽凝结的 产物，所以雾升竊开地風M为云，而云斷氐至哋面辦尔其为雾。其中云可以细分为 雾、低云以及中高云等。中高云由于^S低，加上粒子相态与薪在默的区别，容易
与雾区，来。低云由于^E星的各光谱ffliiLt的物理特性与雾十分接近，因此在海 雾识别过程中，干^ft大而影响区分或ii^iJ。
第五代NOAA系列极轨气象卫星(N0M16-18)安装了，的甚高^}# 射计3型 (AVHRR/3), M6个可见光红外M。中国的极轨气象卫星FY-lD是6^t型的极轨气 象週，它的可见光红外扫鹏射itMit数为10个，包括4个可见^lit， 1^M红外， 2个近红外逝直，1个中波红外i!3t和2 ^:波红外，星下点的分辨率为1. lkm。国内外 #^1驢测都是齢利用以±3131资料，但是目前只能将海雾和低云(简写为海雾/ 低云)作为同一目标物进行判识。而海雾对人类海上胸有严驟响，低云的影响要小 得多。因此，显然有必要将海雾与低云分离以实5鹏雾的实时监测。
发明内容
本发明的目的是樹共一种极轨气象:&M遥感白天和夜间海雾的检测方法，以弥补现 有技术的不足。
本发明是顿常的海雾/低云检测的基础上，进一步对海雾和低^s行分离。
研究发现，海雾和低云的辐身辨寺性有以下不同在可见^r近红外波段，海雾具撤 高的反射率。在短波纟I^卜波段(如1.6nm波段)，海雾具有很高的反射率，甚至高于ME 可见光波段的反射率，因此海雾的归一fl^分积雪指数NDSI为负值。
&6一和《.—分别为波长为o. 67 u m和1. 6 u m的反照率。在远红外波段，雾顶亮温 与周边晴空海域的亮温十分微(雾顶亮温与周边晴空海域的亮驢《3K)，而低云的云 顶亮温与周边晴空海域的亮驢要大于海雾， 一般高于3K。因此， !照可以作为海雾 刺氏云分离的有效依据。而在红外云图上，雾区与其邻近的地面几乎没有明显的热觀，两者图像颜色非常舰，有时甚至分不出哪慰也面，明隄雾区;而低云则相对明显。海雾 的纹理比较t繊，丽氐云的纹理比较清晰。
本发明的技术路线是利用极轨气象巡FY-ID赫N0M16-18资料，读入其原始数 据文件(1A)， MJ^光谱分析得到的海雾和低云在光徽寺tEJi的差异，采用H^判识
方法先后滤出中高低云、晴空tK体、太阳耀珍i;K体(简称耀梦i;Jc体)、海冰雪盖、云阴影 区，非暧性低云、暧性碎低云、云边缘滤除，最终检测出海雾区，顿包括海雾检测结
果的文件。可用GRADS绘图软件，在微!TLhl行图像显示。
本发明具体的:^ 去
步骤1 ^il31极轨卫難字可丰矿播系统，获取并读入1A文件； 步骤2飘1A文件利用常规方法进行繊页处理和质量控第鹏1B文件；再对1B 文件用通用的^t去ia《亍几何精校正，4^地的等经讳度投影i^集文件LDF;
步骤3是一级判识，将目标t^刀步区分为包括含海雾和低云的云、含海^K^雪盖 信息的中高云、晴穷K体、耀飯JC体、云阴影；用海陆tl^繊将大陆与海洋分开；用 耀斑査^^繊将耀梦i7jC懒l滁；用长波红外亮湿可见光、近红外反照率以及中波红
夕卜亮温特征阈值将包括海雾和低云的云、含海》恃n雪盖信息的中高云、云阴影区分，又
禾,归一化植鄉旨数NDVI大于~0.05的像元剝科刀步滤除包括藻类信息的晴穷K体，完 成了一级判识；
步骤魏J^一级判识结果中的包括含海雾和低云的云、含海^^口雪盖信息的中高 云进行J判识，判断是否满足海雾和低琉征即将中高云、海冰、雪盖以及部分晴 空水体的混合像淵滁，保留海雾和低云区；方》战娜海雾和晴空水体、海冰、中 高云的辐射特性，检测^^可见光反照tt0. 12 0. 15之间、归一化雪指数NDSI在 -0.1 0. l之间、光谱l. 6 U mM道的反照率大刊.15、 10. 3 u mai51的亮駄于270K的像 元、归一化植敏旨数NDVI大于K). 05剝牛的像元，判断为含低云的海雾；不满足则为中 高云，即可初步检测或识别出含低云的海雾，该海雾像元^i己为Fogl;晴空水体像元均 ^H己为CS，完成了二级判识；
步骤5就于二级判识中含低云的海雾进行三级判识，即将海群低云分离首先将
与^^驗相比明显佩氐的非暖性低云分离,得到的雾区标己为Fog2，考虑妾'jFog2还可能 包含暖性碎低云，为了将暖性碎低云从雾区中剔除，对于标己为Fog2的像元再用区鹏 长方法，进行空间拓展，将暖性碎低云从雾区中剔除，得至啲海雾检测,标己为Fog3; 然后将夹在海雾区中的云ii^滤除，再进一步将以上得到的海雾检测繊用纹理斜粉 析，方法是卿XN矩阵，N》11，如果矩阵中60-7(Fo的像元tP^ieFog3，则判识为海 雾；如果矩阵中只有30-4(Fo的像元禾私己为Fog3，贝,J识为云纖；这样就确定了低云区、 海雾区、中高云区和晴空区；
:t^将结果按像元输出为制的海雾检测结果文件，荆诸存和显示。本发明的特点:本发明鹏了战多Mi星资料，并且餘利用J^海雾和低云的
不同光i鶴身抖寺征，对海上目^iS行分级滤除，最终将海雾和低云分离，从而实现了海 雾的实时监测。为海面上空飞行^、海上 ^输、海港和沿海空港作^f共了实时 监测的有效气象资料。
图l、本发明的基^^程示意图。
如图l，本发明的具体步骤如下
1) 麵采集^Mt及轨气象:Mm字可Mr播系统(画)，获取iA文件
(N0M16-18卫星)；或者1B文件(FY1D:EM)。
2) 禾,常规对^ji^预处理MFYlD或者NOM卫星的f^集文件的头文件中
读;v太阳天顶角、太阳;^位角、卫m^顶角、em^位角、iika定^w、定标 参
数，对1B文件利用常规方法进行繊预处理和质量控制，包括去除条纹、繊定标邻定 位，经预处理和质量控制后的文件为HDF，再細F文件用通用的方法进t湾经讳度職 变换，^i^iW:影i^集文件LDF，其中LDF文件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,辩略M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、t海冰雪盖信息的 中高云)、耀珍i/JC体、晴空水体、云阴影。具体对緣首先读入LD3文件，舰^^繊 中的太阳和，间的相对角度计算耀斑表 ，同时读入海陆*1^ 、30年月平均SST (海表面離) 。用海陆丰Ife繊将大陆与海洋分开；考虑至陏耀斑污染的水体， 在可见光、近红外以及短红外甚至中红外波段和轻雾的光i徵寺性十分舰，容易带来误 判，通常用耀斑査歸,将耀新Jc鵂i滁。云(包括海雾/低云、含海冰、雪盖信息的 中高云)、云阴影的i照购采用通用的长波红外亮^&可见光、近红外反照率以及中波红 夕卜亮温特征阈值的方法加以区分。禾,归一化植丰财旨数NDVI大T"0.05的像元剝牛，初 步滤除晴空7jC体(包括其中的藻类信息)，完成了一级判识；这里像元的定义为niM传 繊对地面景鹏亍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，将中高云、海冰、雪盖以及部分晴S/JC体的混合像^IJ除， 保留海雾/低云区。具体方法是根据海雾和晴空7jC体、海冰、中高云的辐|#争性，检测 ^f^可见光反照雜0.12 0.15之间、归一化雪指数NDSI在"0.1 0.1之间、光谱1. 6 um ffiit的反照率大于0.15、 10. 3 li m M的亮温大于270K的像元，归一化植!射旨数 MM大于-0. 05的像元条件，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。舰二级判识，初步检测出含低云的海雾，该海雾 (含低云)像元iH己为Fogl。步骤3和步骤4中得至啲晴空水体像元均禾莉己为CS。5) 对于步I對中含低云的海雾进行，判识，即将海雾与低云分离。首先将与海 表驗相比明显備氐糊H暖性低云分离，其方法是对于步徵中得到盼海雾(含低云) 像^Fogl，在Fogl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纟I^卜(波长为ll频)5mh的亮MM;—，该亮温
差，为^一=|7^-7^。亮^如果在3ICt内，贝鹏该禾莉己为Fogl的像元^H己为 Fog2。如果亮驢在3K以上，贝鹏该像元判识为非暧性低云(Cl)像元。
如果在Fogl像元的同一绎线上100像元内没有找到晴空水体像元，贝赃Fogl像元周 围20X20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mi:的亮驢Ar一， at;一叫7^-rcs|。亮驢如果在3ICt内，贝i將 该^H己为Fogl的像元^H己为Fog2。如果亮^在3K以上，贝!J将该像元判识为非暖性低云 (C2)像元。
如果叙ogl像元的同一 讳线上100像元内和周围20 X 20像元矩阵内都没有找到晴 空水体像元，贝,4顿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a7;一-lr一—rcs|，如果亮驢在4K以内，贝U将该丰恭己为Fogl的像元iH己为Fog2。
考虑至IJH^判识步骤完鹏，得至啲雾区还可能包含暧性碎低云，为了3辦的暖 性低云从雾区中剔除，对于标己为Fog2的像元再用区鹏长方法，进行空间拓展。
区 长方法将禾射己为Fog2中最f拾阈值^^牛的像元禾射己为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3.7ym)、热红外 (波长为10.3um)差值，如果^f直分别在0.02、 1K、 0.5fe内，这M卩近的像元作为新 的Fog3像元。由此循环，判识出海雾区。当区il^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ii^彖滤除，再进一步将以上得到的海雾检测麵用纹理 劍^l^析。方 提聊XN矩阵，N》11，如果矩阵中60-70P/。的像元tPiHaFog3，贝廿判 识为海雾；如果矩阵中只有30-4(Fo的像元^i己为Fog3，贝,识为云纖；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^4制的海 雾检测结果文件，用GRADS绘图软件编禾魅会亂以图像形式输出，海雾区、低云区、中 高云区和晴空区分别用不同颜色标。以上方法B^圣编制成软件，可以自动运行。
显然，本发明将海雾和低云分离，有效实现了海雾的实时监测，为海面上空飞行安
全、海上CTig输、海港和沿海空港作鹏共预测气象资料。
权利要求
1、一种极轨气象卫星遥感白天和夜间海雾的检测方法，其特征在于步骤1是通过极轨卫星数字可视广播系统，获取并读入1A文件；步骤2是对1A文件利用常规方法进行数据预处理和质量控制生成1B文件；再对1B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集文件LDF；步骤3是一级判识，将目标物初步区分为包括含海雾和低云的云、含海冰和雪盖信息的中高云、晴空水体、耀斑水体、云阴影；用海陆模板数据将大陆与海洋分开；用耀斑查算表数据将耀斑水体剔除；用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将包括海雾和低云的云、含海冰和雪盖信息的中高云、云阴影区分，又利用归一化植被指数NDVI大于-0.05的像元条件初步滤除包括藻类信息的晴空水体，完成了一级判识；步骤4是对上述一级判识结果中的包括含海雾和低云的云、含海冰和雪盖信息的中高云进行二级判识，判断是否满足海雾和低云特征即将中高云、海冰、雪盖以及部分晴空水体的混合像元剔除，保留海雾和低云区；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、光谱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、归一化植被指数NDVI大于-0.05条件的像元，判断为含低云的海雾；不满足则为中高云，即可初步检测或识别出含低云的海雾，该海雾像元标记为Fog1；晴空水体像元均标记为CS，完成了二级判识；步骤5是对于二级判识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，得到的雾区标记为Fog2，考虑到Fog2还可能包含暖性碎低云，为了将暖性碎低云从雾区中剔除，对于标记为Fog2的像元再用区域增长方法，进行空间拓展，将暖性碎低云从雾区中剔除，得到的海雾检测数据标记为Fog3；然后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；最后将结果按像元输出为二进制的海雾检测结果文件，并储存和显示。
2、 如权利要求l所述的极轨气象卫星遥感白天和夜间海雾的检测方法，其特征是上述非暖性低云分离的方法如下对于上述得到含低云的海雾像元Fogl，是在Fogl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，则比较两个像元在波长为llnm的热红外通道上的亮温差A7;一，该亮温差表示为Aru^^7^,-rcs|，亮温差如果在3K之内，则将该标记为Fogl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(Cl)像元；如果在Fogl像元的同一纬线上100像元内没有找到晴空水体像元，则 在Fogl像元周围20X20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，则比较两个像元在上述热红外通道上的亮温差A7;一， △&，=|7>。gl-亮温差如果在3K之内，则将该标记为Fogl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Fogl像元的同一纬线上100像元内和周围20X20像元矩阵内都没有找到晴空水体像元，则用使用多年气候海表温度值代替晴空水体亮温值寻找邻近区的可能海雾像元，并计算M;一—7^广，如果亮温差在4K以内，则将该标记为Fogl的像元标记为Fog2 。
3、 如权利要求l所述的极轨气象卫星遥感白天和夜间海雾的检测方 法，其特征是区域增长方法如下将标记为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像元的反照率、 波长为3. 7 ix m的中红外、波长为ll u m的热红外差值，如果差值分别在O. 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。
全文摘要
本发明涉及一种极轨气象卫星遥感白天和夜间海雾的检测方法。利用极轨卫星资料，读入其原始数据文件，通过分析海雾和低云在光谱特征上的差异，综合应用多通道光谱资料、NDVI指数、NDSI指数、30年月平均SST，采用三级判识方法先后滤出中高云、晴空水体、太阳耀斑水体、云阴影区、海冰雪盖、非暖性低云、暖性碎低云、云边缘，而得到海雾分布区，生成包括海雾检测结果的文件，即可用GRADS绘图软件，在微机上进行图像显示。本发明将海雾和低云分离，从而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了实时监测的有效气象资料。
文档编号G01S17/95GK101452078SQ200810249748
公开日2009年6月10日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者任素玲, 刘应辰, 吴晓京, 张苏平, 张莫生, 曹治强, 李三妹 申请人:国家卫星气象中心