專利名稱：極軌氣象衛(wèi)星遙感白天和夜間海霧的檢測(cè)方法
極軌氣象^M遙感白天和夜間海霧的檢測(cè)方法
獄領(lǐng)域
本發(fā)明屬于海洋環(huán)，測(cè)技術(shù)，具M(jìn)^及一種極軌氣象:EM遙感白天和夜間海霧的 檢測(cè)方法。 背景獄
根據(jù)中國(guó)氣象局《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》規(guī)定，霧指"大量微小水滴#^空中，常呈
乳白色，^7jC平能見度小于1. 0km"。就微理本質(zhì)而言，躬云都是空氣中水汽凝結(jié)的 產(chǎn)物，所以霧升竊開地風(fēng)M為云，而云斷氐至哋面辦爾其為霧。其中云可以細(xì)分為 霧、低云以及中高云等。中高云由于^S低，加上粒子相態(tài)與薪在默的區(qū)別，容易
與霧區(qū)，來(lái)。低云由于^E星的各光譜ffliiLt的物理特性與霧十分接近，因此在海 霧識(shí)別過(guò)程中，干^ft大而影響區(qū)分或ii^iJ。
第五代NOAA系列極軌氣象衛(wèi)星(N0M16-18)安裝了，的甚高^(guò)}# 射計(jì)3型 (AVHRR/3), M6個(gè)可見光紅外M。中國(guó)的極軌氣象衛(wèi)星FY-lD是6^t型的極軌氣 象週，它的可見光紅外掃鵬射itMit數(shù)為10個(gè)，包括4個(gè)可見^lit， 1^M紅外， 2個(gè)近紅外逝直，1個(gè)中波紅外i!3t和2 ^:波紅外，星下點(diǎn)的分辨率為1. lkm。國(guó)內(nèi)外 #^1驢測(cè)都是齢利用以±3131資料，但是目前只能將海霧和低云(簡(jiǎn)寫為海霧/ 低云)作為同一目標(biāo)物進(jìn)行判識(shí)。而海霧對(duì)人類海上胸有嚴(yán)驟響，低云的影響要小 得多。因此，顯然有必要將海霧與低云分離以實(shí)5鵬霧的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是樹共一種極軌氣象:&M遙感白天和夜間海霧的檢測(cè)方法，以彌補(bǔ)現(xiàn) 有技術(shù)的不足。
本發(fā)明是頓常的海霧/低云檢測(cè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)海霧和低^s行分離。
研究發(fā)現(xiàn)，海霧和低云的輻身辨寺性有以下不同在可見^r近紅外波段，海霧具撤 高的反射率。在短波纟I^卜波段(如1.6nm波段)，海霧具有很高的反射率，甚至高于ME 可見光波段的反射率，因此海霧的歸一fl^分積雪指數(shù)NDSI為負(fù)值。
&6一和《.—分別為波長(zhǎng)為o. 67 u m和1. 6 u m的反照率。在遠(yuǎn)紅外波段，霧頂亮溫 與周邊晴空海域的亮溫十分微(霧頂亮溫與周邊晴空海域的亮驢《3K)，而低云的云 頂亮溫與周邊晴空海域的亮驢要大于海霧， 一般高于3K。因此， !照可以作為海霧 刺氏云分離的有效依據(jù)。而在紅外云圖上，霧區(qū)與其鄰近的地面幾乎沒有明顯的熱觀，兩者圖像顏色非常艦，有時(shí)甚至分不出哪慰也面，明隄霧區(qū);而低云則相對(duì)明顯。海霧 的紋理比較t繊，麗氐云的紋理比較清晰。
本發(fā)明的技術(shù)路線是利用極軌氣象巡FY-ID赫N0M16-18資料，讀入其原始數(shù) 據(jù)文件(1A)， MJ^光譜分析得到的海霧和低云在光徽寺tEJi的差異，采用H^判識(shí)
方法先后濾出中高低云、晴空tK體、太陽(yáng)耀珍i;K體(簡(jiǎn)稱耀夢(mèng)i;Jc體)、海冰雪蓋、云陰影 區(qū)，非曖性低云、曖性碎低云、云邊緣濾除，最終檢測(cè)出海霧區(qū)，頓包括海霧檢測(cè)結(jié)
果的文件?？捎肎RADS繪圖軟件，在微!TLhl行圖像顯示。
本發(fā)明具體的:^ 去
步驟1 ^il31極軌衛(wèi)難字可豐礦播系統(tǒng)，獲取并讀入1A文件； 步驟2飄1A文件利用常規(guī)方法進(jìn)行繊頁(yè)處理和質(zhì)量控第鵬1B文件；再對(duì)1B 文件用通用的^t去ia《亍幾何精校正，4^地的等經(jīng)諱度投影i^集文件LDF;
步驟3是一級(jí)判識(shí)，將目標(biāo)t^刀步區(qū)分為包括含海霧和低云的云、含海^K^雪蓋 信息的中高云、晴窮K體、耀飯JC體、云陰影；用海陸tl^繊將大陸與海洋分開；用 耀斑査^^繊將耀夢(mèng)i7jC懶l(wèi)滁；用長(zhǎng)波紅外亮濕可見光、近紅外反照率以及中波紅
夕卜亮溫特征閾值將包括海霧和低云的云、含?！肥裯雪蓋信息的中高云、云陰影區(qū)分，又
禾,歸一化植鄉(xiāng)旨數(shù)NDVI大于~0.05的像元?jiǎng)兛频恫綖V除包括藻類信息的晴窮K體，完 成了一級(jí)判識(shí)；
步驟魏J^一級(jí)判識(shí)結(jié)果中的包括含海霧和低云的云、含海^^口雪蓋信息的中高 云進(jìn)行J判識(shí)，判斷是否滿足海霧和低琉征即將中高云、海冰、雪蓋以及部分晴 空水體的混合像淵滁，保留海霧和低云區(qū)；方》戰(zhàn)娜海霧和晴空水體、海冰、中 高云的輻射特性，檢測(cè)^^可見光反照tt0. 12 0. 15之間、歸一化雪指數(shù)NDSI在 -0.1 0. l之間、光譜l. 6 U mM道的反照率大刊.15、 10. 3 u mai51的亮駄于270K的像 元、歸一化植敏旨數(shù)NDVI大于K). 05剝牛的像元，判斷為含低云的海霧；不滿足則為中 高云，即可初步檢測(cè)或識(shí)別出含低云的海霧，該海霧像元^i己為Fogl;晴空水體像元均 ^H己為CS，完成了二級(jí)判識(shí)；
步驟5就于二級(jí)判識(shí)中含低云的海霧進(jìn)行三級(jí)判識(shí)，即將海群低云分離首先將
與^^驗(yàn)相比明顯佩氐的非暖性低云分離,得到的霧區(qū)標(biāo)己為Fog2，考慮妾'jFog2還可能 包含暖性碎低云，為了將暖性碎低云從霧區(qū)中剔除，對(duì)于標(biāo)己為Fog2的像元再用區(qū)鵬 長(zhǎng)方法，進(jìn)行空間拓展，將暖性碎低云從霧區(qū)中剔除，得至啲海霧檢測(cè),標(biāo)己為Fog3; 然后將夾在海霧區(qū)中的云ii^濾除，再進(jìn)一步將以上得到的海霧檢測(cè)繊用紋理斜粉 析，方法是卿XN矩陣，N》11，如果矩陣中60-7(Fo的像元tP^ieFog3，則判識(shí)為海 霧；如果矩陣中只有30-4(Fo的像元禾私己為Fog3，貝,J識(shí)為云纖；這樣就確定了低云區(qū)、 海霧區(qū)、中高云區(qū)和晴空區(qū)；
:t^將結(jié)果按像元輸出為制的海霧檢測(cè)結(jié)果文件，荊諸存和顯示。本發(fā)明的特點(diǎn):本發(fā)明鵬了戰(zhàn)多Mi星資料，并且餘利用J^海霧和低云的
不同光i鶴身抖寺征，對(duì)海上目^iS行分級(jí)濾除，最終將海霧和低云分離，從而實(shí)現(xiàn)了海 霧的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為海面上空飛行^、海上 ^輸、海港和沿?？崭圩鱚f共了實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè)的有效氣象資料。


圖l、本發(fā)明的基^^程示意圖。
如圖l，本發(fā)明的具體步驟如下
1) 麵采集^Mt及軌氣象:Mm字可Mr播系統(tǒng)(畫)，獲取iA文件
(N0M16-18衛(wèi)星)；或者1B文件(FY1D:EM)。
2) 禾,常規(guī)對(duì)^ji^預(yù)處理MFYlD或者NOM衛(wèi)星的f^集文件的頭文件中
讀;v太陽(yáng)天頂角、太陽(yáng);^位角、衛(wèi)m^頂角、em^位角、iika定^w、定標(biāo) 參
數(shù)，對(duì)1B文件利用常規(guī)方法進(jìn)行繊預(yù)處理和質(zhì)量控制，包括去除條紋、繊定標(biāo)鄰定 位，經(jīng)預(yù)處理和質(zhì)量控制后的文件為HDF，再細(xì)F文件用通用的方法進(jìn)t灣經(jīng)諱度職 變換，^i^iW:影i^集文件LDF，其中LDF文件中包含了太陽(yáng)天頂角、衛(wèi)星天頂角和 太陽(yáng)衛(wèi)星相對(duì)方位角信,辯略M的光譜資料信息。
3) 進(jìn)行一級(jí)判識(shí)，將目標(biāo)物初步區(qū)分為云(包括海霧/低云、t海冰雪蓋信息的 中高云)、耀珍i/JC體、晴空水體、云陰影。具體對(duì)緣首先讀入LD3文件，艦^^繊 中的太陽(yáng)和，間的相對(duì)角度計(jì)算耀斑表 ，同時(shí)讀入海陸*1^ 、30年月平均SST (海表面離) 。用海陸豐Ife繊將大陸與海洋分開；考慮至陏耀斑污染的水體， 在可見光、近紅外以及短紅外甚至中紅外波段和輕霧的光i徵寺性十分艦，容易帶來(lái)誤 判，通常用耀斑査歸,將耀新Jc鵂i滁。云(包括海霧/低云、含海冰、雪蓋信息的 中高云)、云陰影的i照購(gòu)采用通用的長(zhǎng)波紅外亮^&可見光、近紅外反照率以及中波紅 夕卜亮溫特征閾值的方法加以區(qū)分。禾,歸一化植豐財(cái)旨數(shù)NDVI大T"0.05的像元?jiǎng)兣?，?步濾除晴空7jC體(包括其中的藻類信息)，完成了一級(jí)判識(shí)；這里像元的定義為niM傳 繊對(duì)地面景鵬亍掃描采樣的最小單元。
4 )再對(duì)步驟3中的云(包括海霧/低云、含海冰雪蓋信息的中高云)進(jìn)行二級(jí)判識(shí) 判斷是否滿足海霧/低云特征，將中高云、海冰、雪蓋以及部分晴S/JC體的混合像^IJ除， 保留海霧/低云區(qū)。具體方法是根據(jù)海霧和晴空7jC體、海冰、中高云的輻|#爭(zhēng)性，檢測(cè) ^f^可見光反照雜0.12 0.15之間、歸一化雪指數(shù)NDSI在"0.1 0.1之間、光譜1. 6 um ffiit的反照率大于0.15、 10. 3 li m M的亮溫大于270K的像元，歸一化植!射旨數(shù) MM大于-0. 05的像元條件，判識(shí)為含低云的海霧。不滿足則為含海冰、雪蓋信息的中 高云和晴空水體與海冰的混合像元。艦二級(jí)判識(shí)，初步檢測(cè)出含低云的海霧，該海霧 (含低云)像元iH己為Fogl。步驟3和步驟4中得至啲晴空水體像元均禾莉己為CS。5) 對(duì)于步I對(duì)中含低云的海霧進(jìn)行，判識(shí)，即將海霧與低云分離。首先將與海 表驗(yàn)相比明顯備氐糊H暖性低云分離，其方法是對(duì)于步徵中得到盼海霧(含低云) 像^Fogl，在Fogl的同一緯線上100像元內(nèi)找最鄰近的晴空水體像元CS。如果找到了晴空 水體像元CS，則比較兩個(gè)像元在熱纟I^卜(波長(zhǎng)為ll頻)5mh的亮MM;—，該亮溫
差，為^一=|7^-7^。亮^如果在3ICt內(nèi)，貝鵬該禾莉己為Fogl的像元^H己為 Fog2。如果亮驢在3K以上，貝鵬該像元判識(shí)為非曖性低云(Cl)像元。
如果在Fogl像元的同一繹線上100像元內(nèi)沒有找到晴空水體像元，貝贓Fogl像元周 圍20X20像元矩陣內(nèi)找最鄰近的晴空水體像元CS。如果找到了晴空水體像元，則比較兩 個(gè)像元在熱紅外mi:的亮驢Ar一， at;一叫7^-rcs|。亮驢如果在3ICt內(nèi)，貝i將 該^H己為Fogl的像元^H己為Fog2。如果亮^在3K以上，貝!J將該像元判識(shí)為非暖性低云 (C2)像元。
如果敘ogl像元的同一 諱線上100像元內(nèi)和周圍20 X 20像元矩陣內(nèi)都沒有找到晴 空水體像元，貝,4頓30年月平均SST代替晴空水體亮溫值尋找鄰近區(qū)的可能海霧像元。 計(jì)算a7;一-lr一—rcs|，如果亮驢在4K以內(nèi)，貝U將該豐恭己為Fogl的像元iH己為Fog2。
考慮至IJH^判識(shí)步驟完鵬，得至啲霧區(qū)還可能包含曖性碎低云，為了3辦的暖 性低云從霧區(qū)中剔除，對(duì)于標(biāo)己為Fog2的像元再用區(qū)鵬長(zhǎng)方法，進(jìn)行空間拓展。
區(qū) 長(zhǎng)方法將禾射己為Fog2中最f拾閾值^^牛的像元禾射己為Fog3，以Fog3為中 心，比較周圍的鄰近像元與Fog3像元的可見光反照率、中紅外(波長(zhǎng)為3.7ym)、熱紅外 (波長(zhǎng)為10.3um)差值，如果^f直分別在0.02、 1K、 0.5fe內(nèi)，這M卩近的像元作為新 的Fog3像元。由此循環(huán)，判識(shí)出海霧區(qū)。當(dāng)區(qū)il^長(zhǎng)分析要求的條件不符合了，就判識(shí) 為暖性碎低云。
考慮到將夾在海霧區(qū)中的云ii^彖濾除，再進(jìn)一步將以上得到的海霧檢測(cè)麵用紋理 劍^l^析。方 提聊XN矩陣，N》11，如果矩陣中60-70P/。的像元tPiHaFog3，貝廿判 識(shí)為海霧；如果矩陣中只有30-4(Fo的像元^i己為Fog3，貝,識(shí)為云纖；這樣就確定了 低云區(qū)、海霧區(qū)、中高云區(qū)和晴空區(qū)。
6) 將檢測(cè)為低云區(qū)、海霧區(qū)、中高云區(qū)和晴空區(qū)的結(jié)果按像元輸出為^4制的海 霧檢測(cè)結(jié)果文件，用GRADS繪圖軟件編禾魅會(huì)亂以圖像形式輸出，海霧區(qū)、低云區(qū)、中 高云區(qū)和晴空區(qū)分別用不同顏色標(biāo)。以上方法B^圣編制成軟件，可以自動(dòng)運(yùn)行。
顯然，本發(fā)明將海霧和低云分離，有效實(shí)現(xiàn)了海霧的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為海面上空飛行安
全、海上CTig輸、海港和沿海空港作鵬共預(yù)測(cè)氣象資料。
權(quán)利要求
1、一種極軌氣象衛(wèi)星遙感白天和夜間海霧的檢測(cè)方法，其特征在于步驟1是通過(guò)極軌衛(wèi)星數(shù)字可視廣播系統(tǒng)，獲取并讀入1A文件；步驟2是對(duì)1A文件利用常規(guī)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和質(zhì)量控制生成1B文件；再對(duì)1B文件用通用的方法進(jìn)行幾何精校正，生成局地的等經(jīng)緯度投影數(shù)據(jù)集文件LDF；步驟3是一級(jí)判識(shí)，將目標(biāo)物初步區(qū)分為包括含海霧和低云的云、含海冰和雪蓋信息的中高云、晴空水體、耀斑水體、云陰影；用海陸模板數(shù)據(jù)將大陸與海洋分開；用耀斑查算表數(shù)據(jù)將耀斑水體剔除；用長(zhǎng)波紅外亮溫及可見光、近紅外反照率以及中波紅外亮溫特征閾值將包括海霧和低云的云、含海冰和雪蓋信息的中高云、云陰影區(qū)分，又利用歸一化植被指數(shù)NDVI大于-0.05的像元條件初步濾除包括藻類信息的晴空水體，完成了一級(jí)判識(shí)；步驟4是對(duì)上述一級(jí)判識(shí)結(jié)果中的包括含海霧和低云的云、含海冰和雪蓋信息的中高云進(jìn)行二級(jí)判識(shí)，判斷是否滿足海霧和低云特征即將中高云、海冰、雪蓋以及部分晴空水體的混合像元剔除，保留海霧和低云區(qū)；方法是根據(jù)海霧和晴空水體、海冰、中高云的輻射特性，檢測(cè)符合可見光反照率在0.12～0.15之間、歸一化雪指數(shù)NDSI在-0.1～0.1之間、光譜1.6μm通道的反照率大于0.15、10.3μm通道的亮溫大于270K的像元、歸一化植被指數(shù)NDVI大于-0.05條件的像元，判斷為含低云的海霧；不滿足則為中高云，即可初步檢測(cè)或識(shí)別出含低云的海霧，該海霧像元標(biāo)記為Fog1；晴空水體像元均標(biāo)記為CS，完成了二級(jí)判識(shí)；步驟5是對(duì)于二級(jí)判識(shí)中含低云的海霧進(jìn)行三級(jí)判識(shí)，即將海霧與低云分離首先將與海表溫度相比明顯偏低的非暖性低云分離，得到的霧區(qū)標(biāo)記為Fog2，考慮到Fog2還可能包含暖性碎低云，為了將暖性碎低云從霧區(qū)中剔除，對(duì)于標(biāo)記為Fog2的像元再用區(qū)域增長(zhǎng)方法，進(jìn)行空間拓展，將暖性碎低云從霧區(qū)中剔除，得到的海霧檢測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)記為Fog3；然后將夾在海霧區(qū)中的云邊緣濾除，再進(jìn)一步將以上得到的海霧檢測(cè)數(shù)據(jù)用紋理?xiàng)l件分析，方法是取N×N矩陣，N≥11，如果矩陣中60-70％的像元都標(biāo)記Fog3，則判識(shí)為海霧；如果矩陣中只有30-40％的像元標(biāo)記為Fog3，則判識(shí)為云邊緣；這樣就確定了低云區(qū)、海霧區(qū)、中高云區(qū)和晴空區(qū)；最后將結(jié)果按像元輸出為二進(jìn)制的海霧檢測(cè)結(jié)果文件，并儲(chǔ)存和顯示。
2、 如權(quán)利要求l所述的極軌氣象衛(wèi)星遙感白天和夜間海霧的檢測(cè)方法，其特征是上述非暖性低云分離的方法如下對(duì)于上述得到含低云的海霧像元Fogl，是在Fogl的同一緯線上100像元內(nèi)找最鄰近的晴空水體像元 CS;如果找到了晴空水體像元CS，則比較兩個(gè)像元在波長(zhǎng)為llnm的熱紅外通道上的亮溫差A(yù)7;一，該亮溫差表示為Aru^^7^,-rcs|，亮溫差如果在3K之內(nèi)，則將該標(biāo)記為Fogl的像元標(biāo)記為Fog2;如果亮溫差在3K以上，則將 該像元判識(shí)為非暖性低云(Cl)像元；如果在Fogl像元的同一緯線上100像元內(nèi)沒有找到晴空水體像元，則 在Fogl像元周圍20X20像元矩陣內(nèi)找最鄰近的晴空水體像元CS;如果找到 了晴空水體像元，則比較兩個(gè)像元在上述熱紅外通道上的亮溫差A(yù)7;一， △&，=|7>。gl-亮溫差如果在3K之內(nèi)，則將該標(biāo)記為Fogl的像元標(biāo)記為 Fog2;如果亮溫差在3K以上，則將該像元判識(shí)為非暖性低云(C2)像元；如果在Fogl像元的同一緯線上100像元內(nèi)和周圍20X20像元矩陣內(nèi)都沒有找到晴空水體像元，則用使用多年氣候海表溫度值代替晴空水體亮溫值尋找鄰近區(qū)的可能海霧像元，并計(jì)算M;一—7^廣，如果亮溫差在4K以內(nèi)，則將該標(biāo)記為Fogl的像元標(biāo)記為Fog2 。
3、 如權(quán)利要求l所述的極軌氣象衛(wèi)星遙感白天和夜間海霧的檢測(cè)方 法，其特征是區(qū)域增長(zhǎng)方法如下將標(biāo)記為Fog2中最符合閾值條件的像元 標(biāo)記為Fog3，以Fog3為中心，比較周圍的鄰近像元與Fog3像元的反照率、 波長(zhǎng)為3. 7 ix m的中紅外、波長(zhǎng)為ll u m的熱紅外差值，如果差值分別在O. 02、 1K、 0. 5K之內(nèi)，這個(gè)鄰近的像元作為新的Fog3像元，由此循環(huán)，判識(shí)出海 霧區(qū)；當(dāng)區(qū)域增長(zhǎng)分析要求的條件不符合了，就判識(shí)為暖性碎低云。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種極軌氣象衛(wèi)星遙感白天和夜間海霧的檢測(cè)方法。利用極軌衛(wèi)星資料，讀入其原始數(shù)據(jù)文件，通過(guò)分析海霧和低云在光譜特征上的差異，綜合應(yīng)用多通道光譜資料、NDVI指數(shù)、NDSI指數(shù)、30年月平均SST，采用三級(jí)判識(shí)方法先后濾出中高云、晴空水體、太陽(yáng)耀斑水體、云陰影區(qū)、海冰雪蓋、非暖性低云、暖性碎低云、云邊緣，而得到海霧分布區(qū)，生成包括海霧檢測(cè)結(jié)果的文件，即可用GRADS繪圖軟件，在微機(jī)上進(jìn)行圖像顯示。本發(fā)明將海霧和低云分離，從而實(shí)現(xiàn)了海霧的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為海面上空飛行安全、海上交通運(yùn)輸、海港和沿?？崭圩鳂I(yè)提供了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的有效氣象資料。
文檔編號(hào)G01S17/95GK101452078SQ200810249748
公開日2009年6月10日 申請(qǐng)日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者任素玲, 劉應(yīng)辰, 吳曉京, 張?zhí)K平, 張莫生, 曹治強(qiáng), 李三妹 申請(qǐng)人:國(guó)家衛(wèi)星氣象中心