专利名称：卫星遥感海雾特征量的实时提取方法
_ , ^ 卫星遥 ##征量的实时提取方法 狱领域
本发明属于海洋环 测技术，具#^及一种:》遥 勢寺征量的实日1^取方法。 背景狱
海雾是我国近海常见的天节嫁。有海雾时，7k汽凝结产生大量雾滴悬浮在海面上 空，雾滴的翻寸、^!寸作用使海面能见度斷氐，对人l^海上g产生，影响。
已有研棘明，国夕卜文献^t利用NOM週的AVHRR (甚高^fjfM射计)的鹏 1、 3和4， M31JM遥感资料反演，可以得至(J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/低云云纟贿效判5 re 、光学厚度t 、液态7jC^径LWP (Liquid water 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， 而海熟寺征量的变化与海雾的生消有关，根据海雾光学厚度、有效^@和液态水 的 变化可以为海雾消散预报掛共重要依据。但是如果没有将海1^低云区分开，严格说就 不能提取海戮寺征量，也就无^Xt海雾的消散预手ref射言息。
发明内容
本发明的目的^ii共一种:EM遥麟戮寺征量的实曰tJi取方法，以^i艮已有技术的不足。
本发明充分利用E0S/M0DIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer中 辨Jf率成像光谱仪)避资料,该资料与N0M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^fjf率最大l.lkm)。 2)目 前M0DIS搭载在两颗E0S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，劍白天反演海雾光学厚度Hf共了非常 理想的时段。3)光if^^率提高，E0S/M0DIS资茅将36 ^i普Mit (AVHRR有6 ^6谱 鹏)，大娥强了对地球餘瞎况的观测和识别能力。
本发明具体的技术方案是利用白天腿/M0DIS资料，读入其原始繊文件(PDS)， 并且分两大步膝 一、舰分析海雾和低云在光i徵寺tEh的親，首先把海夠低云分 开，再对海^^寺征難行提取。即采用，判识方魏后滤出中高低云、晴空水体、太 阳耀飯JC体、云阴影区，而^z:海雾检测方法荆寻到海雾分布区，^S包括海雾检测结 果的文件。然后，二再根据公式定影十算出海戮寺征量~~^海上雾区的光学厚度、雾 、)iW效判么液态7jC路径、以及雾中能M和雾顶高度，形鹏##征量繊文件，即 可用GRADS绘图软件，在微丰/Lhl行图像显示。
5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， 对雾中育规度和雾顶高度进行了计算，从而实现了海雾的定量4 测和对海雾的消散预
报樹射言息。为海面上空飞行安全、海上交ilit输、海港和沿海空港作业Mi共了有效气
象资料。
图1、本发明的把海雾与低云^h开的流程示意图。
图2、本发明提取海1^寺征量的流禾呈示意图。
具條施力式
如图l，本发明的具体步骤如下
1) 娜采集^131t及车A^Mic字可mr播系统(,)，获取并读APDS文件。
2) 再MPDS,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、 卫歐位角、地理定M^、定标娜参数，对PDS文件利用常规方法进行,员处理和 质量控制(去除条纹、娜定标和定位等)。经预处理和质量控制后^DF文件；再对 HDF文件用通用的方法进行几何精校正，^M地的等经讳度^^i^文件LD3，其中包 含了太阳天顶角、M天顶角和太阳iM相对方位角信肩湘各鹏的光谱资料信息。
3) 进行一级判识，将目标t^刀步区分为云(包括海雾/低云、含海冰、雪盖信息 的中高云)、耀珍ItK体、晴空7k体、云阴影。具^^法是首先读入LD3文件，Mil^数 据中的太阳和卫星间的相对角度计算耀斑表 ，同时读入海陆丰1^ 、 30年月平均 SST (海表面驗) 。用海陆丰I^娜将大陆与海洋絲；考虑至IJ有耀斑污染的7JC体， 在可见光、近红外以及短红夕堪至中红外波段和轻雾的光徵争性十分,，容易带来误 判，通常用耀斑查録M将耀艱JC鸺l腺。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皿可见光、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。禾佣归一化植丰對旨数NDVI大于-O. 05的斜牛初步滤除 晴空7乂体(包括其中的藻类信息)。,像元的定义为卫屋传ii^对地面f^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^T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 顽l滁，保留海雾/低云区。方腿根据海雾和晴空水体、海冰、中高云的辐赚性， 检测f始可见光反照率在0.12 0.15之间、归一化雪指数M)SI在"0.1 0.1之间、1. 6 "m鹏的反照率大于0.15、 10. 3 u m鹏的亮温大于270K的像元，判识为含低云的海 雾。W脔足则为含海冰雪盖信息的中高云和晴空水购海冰的混合像元。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中得到 的晴空^C体像元均标己为CS。5)对于步徵中含低云的海雾进行^^j识，即将海雾与低云分离。首先将与海
表，相比明显佩氐的非暖性低云分离，其方法是对于步驟中得到的海雾(含低云)
像^Fbgl，在Fogl的同一讳线上100像元内找最邻近的晴穷K体像元CS。如果找到了晴空 水体像元CS，贝吡较两个像元在热红外(波长为ll,) MLL的亮驢A7]—，
差^;为A7;一^7^-rcs|。亮,如果在3ltt内，贝鹏谢gi己为Fogl的像元iH己为 Fog2。如果亮驢在汰以上，贝i將该像元判识为非暧性低云(Cl)像元。
如果在Fogl像元的同一讳线上100像元内没有找到晴空水体像元，则在Fogl像元周 围20X20像扉巨阵内找最邻近的晴穷JC体像元CS。如果找到了晴空水体像元，贝吡较两
个像元在热红外S3ti:的亮驢A7;一， Az;1/m=|7>。gl-:rcs|。亮驢如果在3ict内，贝赂
该丰gi己为Fogl的像元禾就为Fog2。如果亮驢在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M^,^7V。g广rcs卜如果亮^M在4K以内，贝鹏i刻恭己为Fogl的像元标己为Fog2。
考虑至'J，判识步骤完鹏，得到的雾区还可能包含暧性碎低云，为了4辦的暖 粗氐云从雾区中剔除，对于^H己为Fog2的像元再用区鹏长方法，进行空间拓展。
区WI长方法将^i己为Fog2中最ff^阈值割牛的像元^i己为Fog3，以Fog3为中 心，比綱围的邻近像元与Fog3像元的可见光反照率、中红外(波长为3.7pm)、热红外 (波长为10.3um)差值，如果差值分别在0.02、 1K、 0.5Itt内，这刊卩近的像元作为新 的Fog3像元。由此循环，判识出海雾区。当区鹏长分析要求的割牛^r給了，就判识 为暖性碎低云。
考虑至iM^在海雾区中的云ii^滤除，再进一步将以上得到的海雾检测 用纹理 ^#分析。方 緣聊XN矩阵，N》11，如果矩阵中60-7TO的像元t^莉BFog3,贝lj判 识为海雾；如果矩阵中只有30-4(F。的像元标己为Fog3，贝ij判识为云，；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^3t制的海雾 检测结果文件，荆诸存。
如图2， 7)在海雾检测的基础上，计算海^f寺征量。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{ ^应的1鹏(波长0.62-0.67nm) 反照率数值，读入太阳天顶角Usi^和视，比阈值e，按公式(1)謝 M像元计算，
得到卫顧见测时刻的雾区光学厚度值7 o计算公式如下
<formula>formula see original document page 8</formula>
式中r是光学厚度，",是雾的反照率，A是太阳天顶角的余效A^s(Us)),"")是后
向翻寸系数，可由已有的精细多重tfclft試计算得到，MODIS卫星鹏时间基本固定， 后向翻寸系数计算结果己经制定戯格，方M^將中，供禾骄调用)。计算好的光学厚度 值以^4制格式输出至恍学厚度值7的文件中。
8) 读入光学厚度值r文件，并由公式(2)计算液态7K路径
<formula>formula see original document page 8</formula> (2) 式中LWP是液态7KS射5 (grn'2)。将计算好的液态7乂路径值以，制格式输出妾啵 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，可以得到薪辭立子的有效半径，公 式如下
<formula>formula see original document page 8</formula>
式中re是有效^S (Mm)， LWP是是液态7jC路径(gm'2), -是液态水密度(gm—3)， r是光学厚度。因此，re顿感上的应用是指研究区域内雾滴大小的加权意Xh的判5。 将计算结果以制格式输出至U文件re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
<formula>formula see original document page 9</formula> (4)
式中H的单位^。由于itk^验公式得到的是雾顶几何厚度，而海雾发生在W^面
上，可以将雾的厚度，看成是雾顶高度。将结果以1制格式输出至瞎顶高度文件中。
11) 水平會巨见度可以由柯1^什(Koschmieder)公式求得
<formula>formula see original document page 9</formula> (5) A力 e
式中5=0.02，""'为消光系数，可以表示为单{鼓巨离内相对光辐射倉疆的变化率， 由公式(6)得到
把e和^,^(戈入公式(5)，贝脂S见度公式可以简化为
<formula>formula see original document page 9</formula> (7)
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llii制格式输出至螺中能见度文件中。
12)将J^果用GRADS绘图软件输出，用不同的颜色或#^{直线^^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*、海上^Slig输、 海港和沿海空港作4mt共预测气象资料。
权利要求
1、一种卫星遥感海雾特征量的实时提取方法，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PDS文件；步骤2是对PDS文件利用常规方法进行数据预处理和质量控制生成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集文件LD3；步骤3是一级判识，将目标物初步区分为包括海雾和低云的云、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条件的像元，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、海冰积雪、部分海冰与晴空的混合像元剔除，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、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，即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；步骤6是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；步骤7是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区的像元，同时读入LD3文件中与雾区像元位置对应的波长为0.62-0.67μm的1通道反照率数值，读入太阳天顶角us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，计算公式如下式中τ是光学厚度，af是雾的反照率，μ0是太阳天顶角的余弦(μ0＝cos(us))，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；步骤8是读入光学厚度值τ文件，并由公式(2)计算液态水路径式中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；步骤9是读入雾区光学厚度文件和液态水路径文件，计算雾滴粒子的有效半径，公式如下式中re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，re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re中；步骤10是计算雾顶高度，白天雾顶高度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＝45τ2/3 (4)式中H的单位是米，将结果以二进制格式输出到雾顶高度文件中；步骤11是计算水平能见度，水平能见度可以由柯喜密什(Koschmieder)公式求得式中ε＝0. 02，βext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)得到把ε和βext都代入公式(5)，则能见度公式可以简化为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；将上述结果用GRADS绘图软件输出。
2、如权利要求l所述的卫星遥感海雾特征量的实时提取方法，其特征在于非暖性 低云分离的方法是对于上述得到含低云的海雾像元Fogl，是在Fogl的同一讳线上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iium的热红外通道上的亮温差A7;一，该亮温差表示为Ar1Um=|rF。gl-res|，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， m;一-I7;广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(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A7;一-l^。g,-rcsl ，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所述的卫星遥感海雾特征量的实时提取方法，其特征在于区域增 长方法是将标记为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. 7um的中红外、波长为llum的热红外差 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；当不符合区域增长分析要求的条件，就判识为暖性碎低云。
全文摘要
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。
文档编号G01S17/00GK101424741SQ20081023809
公开日2009年5月6日 申请日期2008年12月8日 优先权日2008年12月8日
发明者刘应辰, 刘诗军, 吴晓京, 张纪伟, 张苏平, 张莫生 申请人:中国海洋大学