專利名稱：極軌氣象衛星遙感白天和夜間海霧的檢測方法
極軌氣象^M遙感白天和夜間海霧的檢測方法
獄領域
本發明屬于海洋環，測技術，具M^及一種極軌氣象:EM遙感白天和夜間海霧的 檢測方法。 背景獄
根據中國氣象局《地面氣象觀測規范》規定，霧指"大量微小水滴#^空中，常呈
乳白色，^7jC平能見度小于1. 0km"。就微理本質而言，躬云都是空氣中水汽凝結的 產物，所以霧升竊開地風M為云，而云斷氐至哋面辦爾其為霧。其中云可以細分為 霧、低云以及中高云等。中高云由于^S低，加上粒子相態與薪在默的區別，容易
與霧區，來。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 霧識別過程中，干^ft大而影響區分或ii^iJ。
第五代NOAA系列極軌氣象衛星(N0M16-18)安裝了，的甚高^}# 射計3型 (AVHRR/3), M6個可見光紅外M。中國的極軌氣象衛星FY-lD是6^t型的極軌氣 象週，它的可見光紅外掃鵬射itMit數為10個，包括4個可見^lit， 1^M紅外， 2個近紅外逝直，1個中波紅外i!3t和2 ^:波紅外，星下點的分辨率為1. lkm。國內外 #^1驢測都是齢利用以±3131資料，但是目前只能將海霧和低云(簡寫為海霧/ 低云)作為同一目標物進行判識。而海霧對人類海上胸有嚴驟響，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5鵬霧的實時監測。
發明內容
本發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方法，以彌補現 有技術的不足。
本發明是頓常的海霧/低云檢測的基礎上，進一步對海霧和低^s行分離。
研究發現，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NDSI為負值。
&6一和《.—分別為波長為o. 67 u m和1. 6 u m的反照率。在遠紅外波段，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。而在紅外云圖上，霧區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，有時甚至分不出哪慰也面，明隄霧區;而低云則相對明顯。海霧 的紋理比較t繊，麗氐云的紋理比較清晰。
本發明的技術路線是利用極軌氣象巡FY-ID赫N0M16-18資料，讀入其原始數 據文件(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
方法先后濾出中高低云、晴空tK體、太陽耀珍i;K體(簡稱耀夢i;Jc體)、海冰雪蓋、云陰影 區，非曖性低云、曖性碎低云、云邊緣濾除，最終檢測出海霧區，頓包括海霧檢測結
果的文件。可用GRADS繪圖軟件，在微!TLhl行圖像顯示。
本發明具體的:^ 去
步驟1 ^il31極軌衛難字可豐礦播系統，獲取并讀入1A文件； 步驟2飄1A文件利用常規方法進行繊頁處理和質量控第鵬1B文件；再對1B 文件用通用的^t去ia《亍幾何精校正，4^地的等經諱度投影i^集文件LDF;
步驟3是一級判識，將目標t^刀步區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i7jC懶l滁；用長波紅外亮濕可見光、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、含海》恃n雪蓋信息的中高云、云陰影區分，又
禾,歸一化植鄉旨數NDVI大于~0.05的像元剝科刀步濾除包括藻類信息的晴窮K體，完 成了一級判識；
步驟魏J^一級判識結果中的包括含海霧和低云的云、含海^^口雪蓋信息的中高 云進行J判識，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；方》戰娜海霧和晴空水體、海冰、中 高云的輻射特性，檢測^^可見光反照tt0. 12 0. 15之間、歸一化雪指數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，即可初步檢測或識別出含低云的海霧，該海霧像元^i己為Fogl;晴空水體像元均 ^H己為CS，完成了二級判識；
步驟5就于二級判識中含低云的海霧進行三級判識，即將海群低云分離首先將
與^^驗相比明顯佩氐的非暖性低云分離,得到的霧區標己為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中剔除，對于標己為Fog2的像元再用區鵬 長方法，進行空間拓展，將暖性碎低云從霧區中剔除，得至啲海霧檢測,標己為Fog3; 然后將夾在海霧區中的云ii^濾除，再進一步將以上得到的海霧檢測繊用紋理斜粉 析，方法是卿XN矩陣，N》11，如果矩陣中60-7(Fo的像元tP^ieFog3，則判識為海 霧；如果矩陣中只有30-4(Fo的像元禾私己為Fog3，貝,J識為云纖；這樣就確定了低云區、 海霧區、中高云區和晴空區；
:t^將結果按像元輸出為制的海霧檢測結果文件，荊諸存和顯示。本發明的特點:本發明鵬了戰多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，對海上目^iS行分級濾除，最終將海霧和低云分離，從而實現了海 霧的實時監測。為海面上空飛行^、海上 ^輸、海港和沿海空港作^f共了實時 監測的有效氣象資料。
圖l、本發明的基^^程示意圖。
如圖l，本發明的具體步驟如下
1) 麵采集^Mt及軌氣象:Mm字可Mr播系統(畫)，獲取iA文件
(N0M16-18衛星)；或者1B文件(FY1D:EM)。
2) 禾,常規對^ji^預處理MFYlD或者NOM衛星的f^集文件的頭文件中
讀;v太陽天頂角、太陽;^位角、衛m^頂角、em^位角、iika定^w、定標 參
數，對1B文件利用常規方法進行繊預處理和質量控制，包括去除條紋、繊定標鄰定 位，經預處理和質量控制后的文件為HDF，再細F文件用通用的方法進t灣經諱度職 變換，^i^iW:影i^集文件LDF，其中LDF文件中包含了太陽天頂角、衛星天頂角和 太陽衛星相對方位角信,辯略M的光譜資料信息。
3) 進行一級判識，將目標物初步區分為云(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。具體對緣首先讀入LD3文件，艦^^繊 中的太陽和，間的相對角度計算耀斑表 ，同時讀入海陸*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照購采用通用的長波紅外亮^&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分。禾,歸一化植豐財旨數NDVI大T"0.05的像元剝牛，初 步濾除晴空7jC體(包括其中的藻類信息)，完成了一級判識；這里像元的定義為niM傳 繊對地面景鵬亍掃描采樣的最小單元。
4 )再對步驟3中的云(包括海霧/低云、含海冰雪蓋信息的中高云)進行二級判識 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。具體方法是根據海霧和晴空7jC體、海冰、中高云的輻|#爭性，檢測 ^f^可見光反照雜0.12 0.15之間、歸一化雪指數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 MM大于-0. 05的像元條件，判識為含低云的海霧。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。艦二級判識，初步檢測出含低云的海霧，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) 對于步I對中含低云的海霧進行，判識，即將海霧與低云分離。首先將與海 表驗相比明顯備氐糊H暖性低云分離，其方法是對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，則比較兩個像元在熱纟I^卜(波長為ll頻)5mh的亮MM;—，該亮溫
差，為^一=|7^-7^。亮^如果在3ICt內，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像元內沒有找到晴空水體像元，貝贓Fogl像元周 圍20X20像元矩陣內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 個像元在熱紅外mi:的亮驢Ar一， at;一叫7^-rcs|。亮驢如果在3ICt內，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像元內和周圍20 X 20像元矩陣內都沒有找到晴 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的可能海霧像元。 計算a7;一-lr一—rcs|，如果亮驢在4K以內，貝U將該豐恭己為Fogl的像元iH己為Fog2。
考慮至IJH^判識步驟完鵬，得至啲霧區還可能包含曖性碎低云，為了3辦的暖 性低云從霧區中剔除，對于標己為Fog2的像元再用區鵬長方法，進行空間拓展。
區 長方法將禾射己為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(波長為3.7ym)、熱紅外 (波長為10.3um)差值，如果^f直分別在0.02、 1K、 0.5fe內，這M卩近的像元作為新 的Fog3像元。由此循環，判識出海霧區。當區il^長分析要求的條件不符合了，就判識 為暖性碎低云。
考慮到將夾在海霧區中的云ii^彖濾除，再進一步將以上得到的海霧檢測麵用紋理 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 識為海霧；如果矩陣中只有30-4(Fo的像元^i己為Fog3，貝,識為云纖；這樣就確定了 低云區、海霧區、中高云區和晴空區。
6) 將檢測為低云區、海霧區、中高云區和晴空區的結果按像元輸出為^4制的海 霧檢測結果文件，用GRADS繪圖軟件編禾魅會亂以圖像形式輸出，海霧區、低云區、中 高云區和晴空區分別用不同顏色標。以上方法B^圣編制成軟件，可以自動運行。
顯然，本發明將海霧和低云分離，有效實現了海霧的實時監測，為海面上空飛行安
全、海上CTig輸、海港和沿海空港作鵬共預測氣象資料。
權利要求
1、一種極軌氣象衛星遙感白天和夜間海霧的檢測方法，其特征在于步驟1是通過極軌衛星數字可視廣播系統，獲取并讀入1A文件；步驟2是對1A文件利用常規方法進行數據預處理和質量控制生成1B文件；再對1B文件用通用的方法進行幾何精校正，生成局地的等經緯度投影數據集文件LDF；步驟3是一級判識，將目標物初步區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；用海陸模板數據將大陸與海洋分開；用耀斑查算表數據將耀斑水體剔除；用長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、云陰影區分，又利用歸一化植被指數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，完成了一級判識；步驟4是對上述一級判識結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行二級判識，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；方法是根據海霧和晴空水體、海冰、中高云的輻射特性，檢測符合可見光反照率在0.12～0.15之間、歸一化雪指數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，即可初步檢測或識別出含低云的海霧，該海霧像元標記為Fog1；晴空水體像元均標記為CS，完成了二級判識；步驟5是對于二級判識中含低云的海霧進行三級判識，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，得到的霧區標記為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中剔除，對于標記為Fog2的像元再用區域增長方法，進行空間拓展，將暖性碎低云從霧區中剔除，得到的海霧檢測數據標記為Fog3；然后將夾在海霧區中的云邊緣濾除，再進一步將以上得到的海霧檢測數據用紋理條件分析，方法是取N×N矩陣，N≥11，如果矩陣中60-70％的像元都標記Fog3，則判識為海霧；如果矩陣中只有30-40％的像元標記為Fog3，則判識為云邊緣；這樣就確定了低云區、海霧區、中高云區和晴空區；最后將結果按像元輸出為二進制的海霧檢測結果文件，并儲存和顯示。
2、 如權利要求l所述的極軌氣象衛星遙感白天和夜間海霧的檢測方法，其特征是上述非暖性低云分離的方法如下對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，則比較兩個像元在波長為llnm的熱紅外通道上的亮溫差A7;一，該亮溫差表示為Aru^^7^,-rcs|，亮溫差如果在3K之內，則將該標記為Fogl的像元標記為Fog2;如果亮溫差在3K以上，則將 該像元判識為非暖性低云(Cl)像元；如果在Fogl像元的同一緯線上100像元內沒有找到晴空水體像元，則 在Fogl像元周圍20X20像元矩陣內找最鄰近的晴空水體像元CS;如果找到 了晴空水體像元，則比較兩個像元在上述熱紅外通道上的亮溫差A7;一， △&，=|7>。gl-亮溫差如果在3K之內，則將該標記為Fogl的像元標記為 Fog2;如果亮溫差在3K以上，則將該像元判識為非暖性低云(C2)像元；如果在Fogl像元的同一緯線上100像元內和周圍20X20像元矩陣內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的可能海霧像元，并計算M;一—7^廣，如果亮溫差在4K以內，則將該標記為Fogl的像元標記為Fog2 。
3、 如權利要求l所述的極軌氣象衛星遙感白天和夜間海霧的檢測方 法，其特征是區域增長方法如下將標記為Fog2中最符合閾值條件的像元 標記為Fog3，以Fog3為中心，比較周圍的鄰近像元與Fog3像元的反照率、 波長為3. 7 ix m的中紅外、波長為ll u m的熱紅外差值，如果差值分別在O. 02、 1K、 0. 5K之內，這個鄰近的像元作為新的Fog3像元，由此循環，判識出海 霧區；當區域增長分析要求的條件不符合了，就判識為暖性碎低云。
全文摘要
本發明涉及一種極軌氣象衛星遙感白天和夜間海霧的檢測方法。利用極軌衛星資料，讀入其原始數據文件，通過分析海霧和低云在光譜特征上的差異，綜合應用多通道光譜資料、NDVI指數、NDSI指數、30年月平均SST，采用三級判識方法先后濾出中高云、晴空水體、太陽耀斑水體、云陰影區、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，生成包括海霧檢測結果的文件，即可用GRADS繪圖軟件，在微機上進行圖像顯示。本發明將海霧和低云分離，從而實現了海霧的實時監測。為海面上空飛行安全、海上交通運輸、海港和沿海空港作業提供了實時監測的有效氣象資料。
文檔編號G01S17/95GK101452078SQ200810249748
公開日2009年6月10日 申請日期2008年12月30日 優先權日2008年12月30日
發明者任素玲, 劉應辰, 吳曉京, 張蘇平, 張莫生, 曹治強, 李三妹 申請人:國家衛星氣象中心