一种监测沙尘覆盖区域的范围和强度的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及气象学领域。更具体地，涉及一种监测沙尘覆盖区域的范围和强度的方法。
【背景技术】
[0002]沙尘天气根据其强度可以分为扬沙，沙尘暴和强沙尘暴。
[0003]强风将地面大量沙尘吹起，使大气浑浊，水平能见度小于Ikm的灾害性天气现象称为沙尘暴。沙尘暴不仅是一种灾害性天气现象，还具有重要的生态意义。沙尘在生物化学循环中有明显的作用，能够作为媒介，携带细菌，真菌，病毒，种子等长距离运移。沙尘的颗粒物质中包含大量有细颗粒养分物质。沙尘天气的过程就是土壤矿物质和有机物重分配的过程。
[0004]使用遥感技术检测沙尘暴是一种低成本，高效的方法，MODIS(中分辨率成像频谱仪)卫星由于其数据的可获取性及较高的时间，空间，光谱分辨率，广泛应用沙尘暴监测。现有遥感技术基础上，监测沙尘天气的方法主要基于两种途径，一种是利用沙尘与其他地物的反射差异，通过使用可见光波段进行归一化获得沙尘信息，如NDDI (归一化沙尘指数)，可以用于海洋范围内沙尘的监测，但是因为沙尘与裸地的反射特征相似，这种方法并不能适用于反射条件复杂的陆地地区。另一种途径是基于沙尘在对流层内随高度的增加而温度降低的原理，使用监测沙尘，如BTD(亮温差)等。这种手段可以有效的刻画沙尘的范围，一定程度上减少了裸地与沙尘的混淆，但是随着沙尘空间浓度的增加，一定阈值范围内计算获得的BTD值存在饱和现象，不能表达沙尘的强度信息。
[0005]另外，前人还发现，沙尘粒子空间浓度与波长为3.75um与1.06um的亮温差存在较好的线性关系，但是，这种方法在实际应用中，会混淆云区与沙尘，依旧无法解决精准刻画沙尘范围和强度的问题。
[0006]因此，需要提供一种监测沙尘覆盖区域的范围和强度的方法。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种监测沙尘覆盖区域的范围和强度的方法，减少传统方法在监测陆地地区时易将沙尘与其他地物的混淆，同时有效表达沙尘的空间浓度，更加准确的刻画沙尘覆盖区域的范围和强度。
[0008]为达到上述目的，本发明采用下述技术方案:
[0009]一种监测沙尘覆盖区域的范围和强度的方法，该方法包括如下步骤:
[0010]S1、下载待监测区域时间，空间范围内的MODIS数据；
[0011]S2、提取MODIS数据中B20、B31和B32波段的亮温值；
[0012]S3、根据亮温值计算沙尘指数，公式为:
[0013]A= [(B20-B31) ~2] X (B32-B31)；
[0014]公式中，A为沙尘指数，B20、B31、B32分别为MODIS的波段20，波段31，波段32的亮温值；
[0015]S4、判定沙尘指数大于限定值的区域均为沙尘覆盖区域，且沙尘覆盖区域中沙尘强度随着沙尘指数的增加而线性增加。
[0016]优选地，步骤S2通过遥感软件ENVI实现。
[0017]优选地，步骤S2还包括如下子步骤:
[0018]对提取的亮温值进行投影转换和/或蝴蝶结校正。
[0019]优选地，步骤S3通过遥感软件ENVI实现。
[0020]优选地，步骤S3中根据亮温值计算沙尘指数还包括如下子步骤:
[0021]对计算沙尘指数的公式进行归一化。
[0022]优选地，对计算沙尘指数的公式进行归一化的公式为:
[0023]A1= π/2Xarctan {[(B20-B31) ~2] X (B32-B31)+10000};
[0024]公式中，A1S归一化计算后的沙尘指数。
[0025]优选地，步骤S4中归一化计算后的沙尘指数的限定值为0.03。
[0026]本发明的有益效果如下:
[0027]本发明所述技术方案能够增强对其他地物的识别，提高对达沙尘覆盖区域范围的观测精度，线性地表达沙尘覆盖区域的沙尘空间浓度，且本发明所述技术方案操作简便，适用性强。
【附图说明】
[0028]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明。
[0029]图1示出监测沙尘覆盖区域的范围和强度的方法的流程图。
[0030]图2示出使用本发明实施例提供的方法监测沙尘覆盖区域的范围和强度的效果图。
[0031]图3示出使用本发明实施例提供的方法监测沙尘覆盖区域的强度的示例图。
[0032]图4示出使用现有NDDI方法监测沙尘覆盖区域的强度的示例图。
[0033]图5示出使用现有BTD方法监测沙尘覆盖区域的强度的示例图。
【具体实施方式】
[0034]为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
[0035]如图1所示，本实施例提供的监测沙尘覆盖区域的范围和强度的方法，包括如下步骤:
[0036]I)、下载待监测区域时间，空间范围内的MODIS的LlB数据(该数据可以来自NASA的 MODIS web site 网站);
[0037]2)、通过遥感软件自带的模块提取MODIS的LlB数据中MODIS的B20、B31和B32波段的亮温值，可通过遥感软件ENVI 4.3或4.3以上版本的软件中装载modis convers1ntoolkit扩展模块，使用MCTK工具提取原始文件中的亮温信息并另存为img”或其他可以由相应遥感软件读写的格式。可以根据实际需要对提取的亮温值进行投影转换和/或蝴蝶结校正等步骤，其中投影转换的步骤通过遥感软件自带的模块实现，具体为由卫星图像通过拉伸和变形使获得的数据与地球坐标相一致，蝴蝶结校正的步骤也可通过常用软件实现，用于减小MODIS数据边缘异常值；
[0038]3)、根据MODIS的B20、B31和B32波段的亮温值计算与沙尘空间浓度值线性相关的沙尘指数，并根据沙尘指数判断沙尘覆盖区域的范围和强度，计算沙尘指数可利用ENVI的波段计算功能，
[0039]现有BTD方法为利用B32与B31波段的亮温差计算沙尘指数，即公式:
[0040]Abtd= B32-B31 ；
[0041]但是随着沙尘空间浓度的增加，一定阈值范围内计算获得的Abtd存在饱和现象，不能表达沙尘的强度信息。
[0042]经研宄发现B20与B31波段的亮温差能够比较好的表示沙尘强度，但易与云区混淆，所以本实施例将B20与B31波段的亮温差、B32与B31波段的亮温差相结合来计算沙尘指数，进而本实施例采用的计算沙尘指数的公式为:
[0043]A = [(B20-B31) ~2] X (B32-B31)；
[0044]公式中，A为沙尘指数，B20、B31、B32分别为MODIS的波段20，波段31，波段32的亮温值；
[0045]进而，为了对比和应用方便，可对上述公式进行多种方式的归一化，例如:
[0046]A1= JT/2 X arctan (A+10000)
[0047]= Ji/2Xarctan {[(B20-B31) ~2] X (B32-B31)+10000};
[0048]公式中，A1为归一化计算后的沙尘指数；
[0049]4)、如图2所示，计算结果中，沙尘区域能够明显的与其他地物区分来，同时沙尘指数与沙尘空间浓度值之间呈现良好的线性相关关系，判定沙尘指数大于限定值的区域均为沙尘覆盖区域，且沙尘指数随沙尘空间浓度增加而线性增加，则沙尘覆盖区域中沙尘强度随着沙尘指数的增加而线性增加。
[0050]图3、图4、图5依次示出使用本实施例提供的方法、NDDI方法、BTD方法监测沙尘覆盖区域的强度的示例图，图3、图4、图5中的R值分别为该线性回归的相关系数，相关系数越高，表明横坐标与纵坐标越线性相关。由此3个示例图对比可看出，本实施例提供的方法对沙尘覆盖区域的强度的表达能力更强。本实施例的这次监测沙尘覆盖区域的范围和强度事件中，归一化计算后的沙尘指数限定值为0.03，没有沙尘的地方，空间浓度是0，沙尘最强的地方，空间浓度是I。
[0051]此外，通过其他遥感软件和对计算方式归一化的改变均能达到类似的效果，鉴于遥感软件的庞大功能体系和波段计算方法，此处不再赘述。
[0052]显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
【主权项】
1.一种监测沙尘覆盖区域的范围和强度的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: 51、下载待监测区域时间，空间范围内的中分辨率成像频谱仪MODIS数据； 52、提取MODIS数据中B20、B31和B32波段的亮温值； 53、根据所述亮温值计算沙尘指数，公式为:A= [(B20-B31) ~2] X (B32-B31)；公式中，A为沙尘指数，B20、B31、B32分别为MODIS的波段20，波段31，波段32的亮温值； 54、判定沙尘指数大于沙尘指数的限定值的区域均为沙尘覆盖区域，且沙尘覆盖区域中沙尘强度随着沙尘指数的增加而线性增加。
2.根据权利要求1所述的监测沙尘覆盖区域的范围和强度的方法，其特征在于，所述步骤S2通过遥感软件ENVI实现。
3.根据权利要求1所述的监测沙尘覆盖区域的范围和强度的方法，其特征在于，所述步骤S2还包括如下子步骤: 对提取的亮温值进行投影转换和/或蝴蝶结校正。
4.根据权利要求1所述的监测沙尘覆盖区域的范围和强度的方法，其特征在于，所述步骤S3通过遥感软件ENVI实现。
5.根据权利要求1-4中任一所述的监测沙尘覆盖区域的范围和强度的方法，其特征在于，所述步骤S3中所述根据所述亮温值计算沙尘指数还包括如下子步骤: 对计算沙尘指数的公式进行归一化。
6.根据权利要求5所述的监测沙尘覆盖区域的范围和强度的方法，其特征在于，所述对计算沙尘指数的公式进行归一化的公式为:A1= π/2Xarctan {[(B20-B31) ~2] X (B32-B31)+10000}； 公式中，A1S归一化计算后的沙尘指数。
7.根据权利要求5所述的监测沙尘覆盖区域的范围和强度的方法，其特征在于，步骤S4中归一化计算后的沙尘指数的限定值为0.03。
【专利摘要】本发明公开一种监测沙尘覆盖区域的范围和强度的方法，包括如下步骤：S1、下载待监测区域时间，空间范围内的MODIS数据；S2、提取MODIS数据中B20、B31和B32波段的亮温值；S3、根据亮温值计算沙尘指数；S4、判定沙尘指数大于限定值的区域均为沙尘覆盖区域，且沙尘覆盖区域中沙尘强度随着沙尘指数的增加而线性增加。本发明所述技术方案能够增强对其他地物的识别，提高对达沙尘覆盖区域范围的观测精度，且能够线性地表达沙尘覆盖区域的沙尘空间浓度。
【IPC分类】G01W1-02
【公开号】CN104793269
【申请号】CN201510202368
【发明人】岳桓陛, 何春阳, 许敏, 李经纬
【申请人】北京师范大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月24日