一種監(jiān)測沙塵覆蓋區(qū)域的范圍和強度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣象學領(lǐng)域。更具體地，涉及一種監(jiān)測沙塵覆蓋區(qū)域的范圍和強度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]沙塵天氣根據(jù)其強度可以分為揚沙，沙塵暴和強沙塵暴。
[0003]強風將地面大量沙塵吹起，使大氣渾濁，水平能見度小于Ikm的災害性天氣現(xiàn)象稱為沙塵暴。沙塵暴不僅是一種災害性天氣現(xiàn)象，還具有重要的生態(tài)意義。沙塵在生物化學循環(huán)中有明顯的作用，能夠作為媒介，攜帶細菌，真菌，病毒，種子等長距離運移。沙塵的顆粒物質(zhì)中包含大量有細顆粒養(yǎng)分物質(zhì)。沙塵天氣的過程就是土壤礦物質(zhì)和有機物重分配的過程。
[0004]使用遙感技術(shù)檢測沙塵暴是一種低成本，高效的方法，MODIS(中分辨率成像頻譜儀)衛(wèi)星由于其數(shù)據(jù)的可獲取性及較高的時間，空間，光譜分辨率，廣泛應用沙塵暴監(jiān)測?，F(xiàn)有遙感技術(shù)基礎(chǔ)上，監(jiān)測沙塵天氣的方法主要基于兩種途徑，一種是利用沙塵與其他地物的反射差異，通過使用可見光波段進行歸一化獲得沙塵信息，如NDDI (歸一化沙塵指數(shù))，可以用于海洋范圍內(nèi)沙塵的監(jiān)測，但是因為沙塵與裸地的反射特征相似，這種方法并不能適用于反射條件復雜的陸地地區(qū)。另一種途徑是基于沙塵在對流層內(nèi)隨高度的增加而溫度降低的原理，使用監(jiān)測沙塵，如BTD(亮溫差)等。這種手段可以有效的刻畫沙塵的范圍，一定程度上減少了裸地與沙塵的混淆，但是隨著沙塵空間濃度的增加，一定閾值范圍內(nèi)計算獲得的BTD值存在飽和現(xiàn)象，不能表達沙塵的強度信息。
[0005]另外，前人還發(fā)現(xiàn)，沙塵粒子空間濃度與波長為3.75um與1.06um的亮溫差存在較好的線性關(guān)系，但是，這種方法在實際應用中，會混淆云區(qū)與沙塵，依舊無法解決精準刻畫沙塵范圍和強度的問題。
[0006]因此，需要提供一種監(jiān)測沙塵覆蓋區(qū)域的范圍和強度的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種監(jiān)測沙塵覆蓋區(qū)域的范圍和強度的方法，減少傳統(tǒng)方法在監(jiān)測陸地地區(qū)時易將沙塵與其他地物的混淆，同時有效表達沙塵的空間濃度，更加準確的刻畫沙塵覆蓋區(qū)域的范圍和強度。
[0008]為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0009]一種監(jiān)測沙塵覆蓋區(qū)域的范圍和強度的方法，該方法包括如下步驟:
[0010]S1、下載待監(jiān)測區(qū)域時間，空間范圍內(nèi)的MODIS數(shù)據(jù)；
[0011]S2、提取MODIS數(shù)據(jù)中B20、B31和B32波段的亮溫值；
[0012]S3、根據(jù)亮溫值計算沙塵指數(shù)，公式為:
[0013]A= [(B20-B31) ~2] X (B32-B31)；
[0014]公式中，A為沙塵指數(shù)，B20、B31、B32分別為MODIS的波段20，波段31，波段32的亮溫值；
[0015]S4、判定沙塵指數(shù)大于限定值的區(qū)域均為沙塵覆蓋區(qū)域，且沙塵覆蓋區(qū)域中沙塵強度隨著沙塵指數(shù)的增加而線性增加。
[0016]優(yōu)選地，步驟S2通過遙感軟件ENVI實現(xiàn)。
[0017]優(yōu)選地，步驟S2還包括如下子步驟:
[0018]對提取的亮溫值進行投影轉(zhuǎn)換和/或蝴蝶結(jié)校正。
[0019]優(yōu)選地，步驟S3通過遙感軟件ENVI實現(xiàn)。
[0020]優(yōu)選地，步驟S3中根據(jù)亮溫值計算沙塵指數(shù)還包括如下子步驟:
[0021]對計算沙塵指數(shù)的公式進行歸一化。
[0022]優(yōu)選地，對計算沙塵指數(shù)的公式進行歸一化的公式為:
[0023]A1= π/2Xarctan {[(B20-B31) ~2] X (B32-B31)+10000};
[0024]公式中，A1S歸一化計算后的沙塵指數(shù)。
[0025]優(yōu)選地，步驟S4中歸一化計算后的沙塵指數(shù)的限定值為0.03。
[0026]本發(fā)明的有益效果如下:
[0027]本發(fā)明所述技術(shù)方案能夠增強對其他地物的識別，提高對達沙塵覆蓋區(qū)域范圍的觀測精度，線性地表達沙塵覆蓋區(qū)域的沙塵空間濃度，且本發(fā)明所述技術(shù)方案操作簡便，適用性強。
【附圖說明】
[0028]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0029]圖1示出監(jiān)測沙塵覆蓋區(qū)域的范圍和強度的方法的流程圖。
[0030]圖2示出使用本發(fā)明實施例提供的方法監(jiān)測沙塵覆蓋區(qū)域的范圍和強度的效果圖。
[0031]圖3示出使用本發(fā)明實施例提供的方法監(jiān)測沙塵覆蓋區(qū)域的強度的示例圖。
[0032]圖4示出使用現(xiàn)有NDDI方法監(jiān)測沙塵覆蓋區(qū)域的強度的示例圖。
[0033]圖5示出使用現(xiàn)有BTD方法監(jiān)測沙塵覆蓋區(qū)域的強度的示例圖。
【具體實施方式】
[0034]為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實施例和附圖對本發(fā)明做進一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標記進行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應當理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0035]如圖1所示，本實施例提供的監(jiān)測沙塵覆蓋區(qū)域的范圍和強度的方法，包括如下步驟:
[0036]I)、下載待監(jiān)測區(qū)域時間，空間范圍內(nèi)的MODIS的LlB數(shù)據(jù)(該數(shù)據(jù)可以來自NASA的 MODIS web site 網(wǎng)站);
[0037]2)、通過遙感軟件自帶的模塊提取MODIS的LlB數(shù)據(jù)中MODIS的B20、B31和B32波段的亮溫值，可通過遙感軟件ENVI 4.3或4.3以上版本的軟件中裝載modis convers1ntoolkit擴展模塊，使用MCTK工具提取原始文件中的亮溫信息并另存為img”或其他可以由相應遙感軟件讀寫的格式?？梢愿鶕?jù)實際需要對提取的亮溫值進行投影轉(zhuǎn)換和/或蝴蝶結(jié)校正等步驟，其中投影轉(zhuǎn)換的步驟通過遙感軟件自帶的模塊實現(xiàn)，具體為由衛(wèi)星圖像通過拉伸和變形使獲得的數(shù)據(jù)與地球坐標相一致，蝴蝶結(jié)校正的步驟也可通過常用軟件實現(xiàn)，用于減小MODIS數(shù)據(jù)邊緣異常值；
[0038]3)、根據(jù)MODIS的B20、B31和B32波段的亮溫值計算與沙塵空間濃度值線性相關(guān)的沙塵指數(shù)，并根據(jù)沙塵指數(shù)判斷沙塵覆蓋區(qū)域的范圍和強度，計算沙塵指數(shù)可利用ENVI的波段計算功能，
[0039]現(xiàn)有BTD方法為利用B32與B31波段的亮溫差計算沙塵指數(shù)，即公式:
[0040]Abtd= B32-B31 ；
[0041]但是隨著沙塵空間濃度的增加，一定閾值范圍內(nèi)計算獲得的Abtd存在飽和現(xiàn)象，不能表達沙塵的強度信息。
[0042]經(jīng)研宄發(fā)現(xiàn)B20與B31波段的亮溫差能夠比較好的表示沙塵強度，但易與云區(qū)混淆，所以本實施例將B20與B31波段的亮溫差、B32與B31波段的亮溫差相結(jié)合來計算沙塵指數(shù)，進而本實施例采用的計算沙塵指數(shù)的公式為:
[0043]A = [(B20-B31) ~2] X (B32-B31)；
[0044]公式中，A為沙塵指數(shù)，B20、B31、B32分別為MODIS的波段20，波段31，波段32的亮溫值；
[0045]進而，為了對比和應用方便，可對上述公式進行多種方式的歸一化，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為歸一化計算后的沙塵指數(shù)；
[0049]4)、如圖2所示，計算結(jié)果中，沙塵區(qū)域能夠明顯的與其他地物區(qū)分來，同時沙塵指數(shù)與沙塵空間濃度值之間呈現(xiàn)良好的線性相關(guān)關(guān)系，判定沙塵指數(shù)大于限定值的區(qū)域均為沙塵覆蓋區(qū)域，且沙塵指數(shù)隨沙塵空間濃度增加而線性增加，則沙塵覆蓋區(qū)域中沙塵強度隨著沙塵指數(shù)的增加而線性增加。
[0050]圖3、圖4、圖5依次示出使用本實施例提供的方法、NDDI方法、BTD方法監(jiān)測沙塵覆蓋區(qū)域的強度的示例圖，圖3、圖4、圖5中的R值分別為該線性回歸的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)越高，表明橫坐標與縱坐標越線性相關(guān)。由此3個示例圖對比可看出，本實施例提供的方法對沙塵覆蓋區(qū)域的強度的表達能力更強。本實施例的這次監(jiān)測沙塵覆蓋區(qū)域的范圍和強度事件中，歸一化計算后的沙塵指數(shù)限定值為0.03，沒有沙塵的地方，空間濃度是0，沙塵最強的地方，空間濃度是I。
[0051]此外，通過其他遙感軟件和對計算方式歸一化的改變均能達到類似的效果，鑒于遙感軟件的龐大功能體系和波段計算方法，此處不再贅述。
[0052]顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定，對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之列。
【主權(quán)項】
1.一種監(jiān)測沙塵覆蓋區(qū)域的范圍和強度的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: 51、下載待監(jiān)測區(qū)域時間，空間范圍內(nèi)的中分辨率成像頻譜儀MODIS數(shù)據(jù)； 52、提取MODIS數(shù)據(jù)中B20、B31和B32波段的亮溫值； 53、根據(jù)所述亮溫值計算沙塵指數(shù)，公式為:A= [(B20-B31) ~2] X (B32-B31)；公式中，A為沙塵指數(shù)，B20、B31、B32分別為MODIS的波段20，波段31，波段32的亮溫值； 54、判定沙塵指數(shù)大于沙塵指數(shù)的限定值的區(qū)域均為沙塵覆蓋區(qū)域，且沙塵覆蓋區(qū)域中沙塵強度隨著沙塵指數(shù)的增加而線性增加。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測沙塵覆蓋區(qū)域的范圍和強度的方法，其特征在于，所述步驟S2通過遙感軟件ENVI實現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測沙塵覆蓋區(qū)域的范圍和強度的方法，其特征在于，所述步驟S2還包括如下子步驟: 對提取的亮溫值進行投影轉(zhuǎn)換和/或蝴蝶結(jié)校正。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測沙塵覆蓋區(qū)域的范圍和強度的方法，其特征在于，所述步驟S3通過遙感軟件ENVI實現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一所述的監(jiān)測沙塵覆蓋區(qū)域的范圍和強度的方法，其特征在于，所述步驟S3中所述根據(jù)所述亮溫值計算沙塵指數(shù)還包括如下子步驟: 對計算沙塵指數(shù)的公式進行歸一化。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的監(jiān)測沙塵覆蓋區(qū)域的范圍和強度的方法，其特征在于，所述對計算沙塵指數(shù)的公式進行歸一化的公式為:A1= π/2Xarctan {[(B20-B31) ~2] X (B32-B31)+10000}； 公式中，A1S歸一化計算后的沙塵指數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的監(jiān)測沙塵覆蓋區(qū)域的范圍和強度的方法，其特征在于，步驟S4中歸一化計算后的沙塵指數(shù)的限定值為0.03。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種監(jiān)測沙塵覆蓋區(qū)域的范圍和強度的方法，包括如下步驟：S1、下載待監(jiān)測區(qū)域時間，空間范圍內(nèi)的MODIS數(shù)據(jù)；S2、提取MODIS數(shù)據(jù)中B20、B31和B32波段的亮溫值；S3、根據(jù)亮溫值計算沙塵指數(shù)；S4、判定沙塵指數(shù)大于限定值的區(qū)域均為沙塵覆蓋區(qū)域，且沙塵覆蓋區(qū)域中沙塵強度隨著沙塵指數(shù)的增加而線性增加。本發(fā)明所述技術(shù)方案能夠增強對其他地物的識別，提高對達沙塵覆蓋區(qū)域范圍的觀測精度，且能夠線性地表達沙塵覆蓋區(qū)域的沙塵空間濃度。
【IPC分類】G01W1-02
【公開號】CN104793269
【申請?zhí)枴緾N201510202368
【發(fā)明人】岳桓陛, 何春陽, 許敏, 李經(jīng)緯
【申請人】北京師范大學
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年4月24日