CN101464521A - 静止气象卫星遥感白天和夜间海雾的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种静止气象卫星遥感白天和夜间海雾的检测方法。首先利用静止气象卫星数接收处理数据文件S－VISSR，经定标定位、资料订正、等经纬度投影等预处理，得到包含5个通道数据的投影后的GPF格式的文件。再利用GPF文件中的4个通道数据：2个长波红外窗区分裂窗通道、1个中红外通道3.7μm和1个可见光通道0.67μm，根据海雾的运动学特征和光谱特征对海雾信息进行提取，采用三级判识方法，先滤出移动性云边界、中高云云边界，再滤除晴空水体和部分低云，最后利用区域生长法确定海雾区域。本发明不仅实现了对广袤洋面上海雾的实时监测和对雾区的动态跟踪，而且还为海雾的短时预报提供重要依据，得到至少每小时的海雾实时监测图像。
Description
技术领域
本发明属于海洋环境监测技术，具体涉及一种静止气象卫星遥感白天和夜间海雾的检测方法。
背景技术
海雾(能见度小于1km)由于影响海面的能见度而对人类海上的各种活动都有影响，随着海上社会经济活动的日益增加，海雾越来越受到关注。由于海上观测资料稀少，卫星遥感已经成为海洋环境监测的一个重要手段。
1975年美国发射了第一颗地球静止环境卫星GOES后，美国、欧洲等开始研究卫星遥感海雾/层云检测技术。白天用可见光和红外通道，夜间只用红外通道进行检测。第一代和第二代GOES卫星只有一个10.7μm的红外窗区通道，难以将海雾或低云(以下“海雾或低云”简写为：海雾/低云)与周围晴空区分开。第三代GOES卫星增加了3.7μm红外通道，由于海雾/低云在这两个通道的亮温差(10.7μm-3.7μm)与晴空水体的亮温差不同，可以用这种双谱方法，即10.7μm和3.7μm两个通道的亮温差，比较好地将海雾低云与其它云以及周围晴空区分开。但是仅用双谱方法还不能完全将中低云与海雾区分开。目前，在国内外各类卫星监测方法中均将海雾和低云作为同一目标物进行判识。但是，海雾对人类活动影响明显，而低云的影响要小得多，显然，将低云和海雾区分开对海雾的实时监测、雾区的动态跟踪以及海雾的短时预报是十分重要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种气象卫星遥感白天和夜间海雾的检测方法，以弥补现有技术的不足。
本发明的集体方法：首先利用静止气象卫星数字可视广播系统(DVBS)接收处理的FY-2C、FY-2D静止气象卫星的原始数据文件(S-VISSR)，经对S-VISSR数据进行定标定位、资料订正、等经纬度投影等预处理，得到包含5个通道数据的投影后的GPF格式的文件。再利用GPF文件中的4个通道数据：2个长波红外窗区分裂窗通道(波长范围为11～12μm，简称分裂窗)、1个中红外通道(波长为3.7μm)和1个可见光通道(波长为0.67μm)，(其中波长为11μm和波长为3.7μm数据需要前后两个时次的资料)，根据海雾的运动学特征和光谱特征对海雾信息进行提取，检测海上雾区，即采用三级判识方法，先滤出移动性云边界、中高云云边界，再滤除晴空水体和部分低云，最后利用区域生长法确定海雾区域。
具体检测步骤的三级判识如下：
一级判识为读入前后两个时次的GPF文件，分别计算中红外通道3.7μm和长波红外通道11μm当前时次和前一时次的韦伯边界，判断3.7μm通道当前时次和前一时次韦伯边界是否重合，如果不重合则判识为移动性的云边界，如果重合则判识为海雾/低云边界和中高云边界进入二级判识；同时再判断当前时次的3.7μm通道韦伯边界是否能在11μm通道韦伯边界中发现，如果能够在11μm通道韦伯边界中找到，判识为11μm韦伯边界能分辨出来的中高云边界，如果不能够找到，则判识为海雾/低云边界和中高云边界进入二级判识。
二级判识为对一级判识中的得到的海雾/低云边界和中高云边界包围的区域进行海雾、云、晴空水体分离。首先利用读入的太阳天顶角数据SZA，判断被上述边界包围的海雾/低云、中高云和晴空水体的像元处于白天还是夜晚，再计算被边界包围的像元的分裂窗亮温差绝对值ΔTBB＝|TBB(11μm-12μm)|(TBB为黑体亮度温度，简称亮温，下同；长波红外窗区分裂窗通道11～12μm，简称分裂窗，下同)，如果在夜晚ΔTBB>0.2K，进入下一步处理，否则判识为夜间晴空和低云；如果在白天，将同时满足ΔTBB>0.2K和可见光反照率Re<0.16的像元进入下一步处理，否则分别判识为白天(部分)低云和白天晴空区；利用11μm通道亮温阈值，将中高云和非暖性低云滤除，得到像元雾1(以下简称雾1)。
考虑到上述判识的条件过于严格，部分海雾被滤除，所以对满足一级判识但不满足上述判识的数据，再用双谱法(3.7μm和11μm)进行补判识，找回部分被滤除过量的海雾，得到像元雾2(以下简称雾2)。方法是：首先用分裂窗判断边界两侧的像元，去掉晴空水体一侧，然后用3.7μm和11μm通道数据，进行纹理分析将顶部不均匀的云(包括中高云、部分低云)滤出，再判断像元在白天还是在夜晚，如果在夜晚，中红外通道和长波红外通道的亮温差满足-7K<TBB(3.7μm-11μm)<-1K，判识为雾2，否则判识为夜间低云；如果在白天，亮温差满足TBB(3.7μm-11μm)>18K，则判识为雾2，否则判识为白天低云。以上完成了检测海雾的二级判识，得到了雾1和雾2进入三级判识进行处理。
考虑到海雾的物理性质比较均匀而且成片分布，因此取雾1和雾2的并集，进入区域生长搜索海雾像元，得到连续的海雾雾区，此为检测海雾的三级判识。方法是：取雾1和雾2像元的并集，标记为fog_flag，对每一个标记为fog_flag的像元进行联通域起始点赋值：T_Orig＝TBB3.7μm(i)、Re_Orig＝Re0.67μm(i)，并定义T0＝TBB11μm(j)-TBB11μm(i)，其中i表示起始点像元、j表示起始点周围八个像元，即联通域；依次对每一个标记为fog_flag的像元进行联通域搜索，即以这些像元为起始点，在相邻的八个点中按照搜索条件搜索。满足搜索条件的像元可以认为是海雾雾区像元。
以上完成了海雾检测的三级判识，符合上述判断条件的像元作为海雾像元输出。将检测出的海雾像元输出为二进制文件，用GRADS或其他绘图软件编程绘图，以图像形式输出。
上述的2个长波红外窗区分裂窗通道范围为11～12μm。上述的1个中红外通道的波长为3.7μm。
上述的1个可见光通道的波长为0.67μm。
本发明充分利用静止气象卫星具有时间分辨率高(每小时或者每30分钟获取一次资料)、覆盖面积大的特点，提出一个利用静止气象卫星检测白天和夜间海雾的业务运行方法，这个方法弥补已有技术中海雾、低云不分的缺陷，具有业务运行稳定性，实现了对海雾的实时业务监测和动态跟踪。因此该方法，不仅实现了对广袤洋面上海雾的实时监测和对雾区的动态跟踪，为海雾的短时预报提供重要依据。应用本发明可以得到每小时、甚至每半小时的海雾实时监测图像，并可以根据连续前几个时次的海雾区位置进行线性外推，而且还可以为海雾的临近预报提供重要的参考依据。
附图说明
图1、本发明的详细流程示意图。
具体实施方式
本发明的方法步骤如下：
1、数据预处理后，用韦伯边界方法对海雾的边界进行一级判识，得到海雾/低云边界和中高云边界，即为海雾/低云、中高云和晴空水体三者之间的边界。
1)读入静止气象卫星数字可视广播系统(DVBS)接收处理的FY-2C、FY-2D静止气象卫星的原始数据文件(S-VISSR)，经对S-VISSR数据进行定标定位、资料订正、等经纬度投影等预处理，得到包含5个通道数据的投影后的GPF格式的文件；
2)从GPF文件中读入中红外3.7μm通道当前时次和前一时次数据、长波红外分裂窗11μm通道当前时次和前一时次数据、12μm当前时次数据、可见光0.67μm通道当前时次数据，再读入海陆模版数据和太阳天顶角数据；
3)通过海陆模版得到通道数据在海洋上的像元，并对海上像元使用通用的计算韦伯边界的方法，分别计算当前和前一时次3.7μm韦伯边界和当前时次11μm的韦伯边界；
4)将上步得到的韦伯边界分成两部分进行判识，第一部分：判断3.7μm当前时次和前一时次韦伯边界是否重合，如果不重合则判识为移动性的云边界，它是低、中高云边界的一部分，如果重合则判识为海雾/低云边界和中高云边界进入二级判识；第二部分：判断当前时次的3.7μm通道韦伯边界是否能在11μm通道韦伯边界中发现，如果能够在11μm通道韦伯边界中找到，判识为11μm韦伯边界能分辨出来的中高云边界，它包含中高云的一部分，如果不能够找到，则判识为海雾/低云边界和中高云边界进入二级判识。以上完成了检测海雾的一级判识。
2、进行二级判识，利用分裂窗和可见光对一级判识中的得到的海雾/低云边界和中高云边界包围区域进行再判识，先后滤出低云、晴空水体和中高云，得到雾1，具体方法如下：
1)利用一级判识得到的海雾/低云边界和中高云边界，得到被边界包围的海雾/低云区、中高云区和晴空水体区。利用前述读入的太阳天顶角数据SZA判断被边界包围的海雾/低云、中高云和晴空水体的像元处于白天还是夜晚，如果SZA大于等于80°为夜晚，小于80°为白天；
2)计算上一步得到的被边界包围的像元的分裂窗亮温差绝对值ΔTBB＝|TBB(11μm-12μm)|(TBB为黑体亮度温度，简称亮温，下同)，如果在夜晚ΔTBB>0.2K，进入下一步处理，否则判识为夜间晴空和低云；如果在白天，将同时满足ΔTBB>0.2K和可见光反照率Re<0.16的像元进入下一步处理，否则分别判识为白天(部分)低云和白天晴空区；
3)利用11μm通道亮温阈值，将中高云和非暖性低云滤除，其方法是：如果该像元11μm亮温与同纬度的2)中得到的晴空像元11μm亮温相比大于阈值-5K，判识为雾1，如果小于-5K，则判识为非暖性低云和中高云。
3、考虑到二级判识(步骤2)的判识条件过于严格，部分海雾被滤除，所以对满足一级判识但不满足步骤2判识的数据，再用双谱法(3.7μm和11μm)进行补判识，找回部分被滤除过量的海雾，得到雾2，具体方法如下：
1)用分裂窗判断边界两边是晴空还是海雾/低云和中高云。分别在边界两侧任取一个像元，计算这个像元的分裂窗亮温差的绝对值ΔTBB＝|TBB(11μm-12μm)|，如果ΔTBB≤0.2K则该像元对应的一侧判识为晴空水体，若ΔTBB>0.2K进入下步处理；
2)采用纹理分析将顶部不均匀的云(包括中高云、部分低云)滤出。方法是，对每一个上一步得到的像元，即符合ΔTBB>0.2K的像元，取以该像元为中心的周围3×3九个像元，计算这九个像元3.7μm和11μm通道亮温的均方差，记为MSD3.7μm和MSD11μm，判断是否同时满足MSD3.7μm<1.1，和MSD11μm<1.0，如果满足，进入下一步，否则判识为顶部不均匀的云(包括中高云和部分低云)；
3)使用前述步骤2中同样的方法判断像元在白天还是在夜晚。如果在夜晚，中红外通道和长波红外通道的亮温差满足-7K<TBB(3.7μm-11μm)<-1K，判识雾2，否则判识为夜间低云；如果在白天，亮温差满足TBB(3.7μm-11μm)>18K，则判识为雾2，否则判识为白天低云。以上2和3完成了检测海雾的二级判识，得到了雾1和雾2进入三级判识。
4、考虑到海雾的物理性质比较均匀而且成片分布，因此取雾1和雾2的并集，进入区域生长搜索海雾像元，得到连续的海雾雾区，此为检测海雾的三级判识，具体方法如下：
1)取雾1和雾2像元的并集，标记为fog_flag，进入下一步计算；
2)首先依次对每一个标记为fog_flag的像元进行联通域起始点赋值：T_Orig＝TBB3.7μm(i)、Re_Orig＝Re0.67μm(i)，并定义T0＝TBB11μm(j)-TBB11μm(i)，其中i表示起始点像元、j表示起始点周围八个像元，即联通域；
3)依次对每一个标记为fog_flag的像元进行联通域搜索，即以这些像元为为起始点，在相邻的八个点中搜索。搜索条件是：逐像元计算T0，在T0≥0的条件下，说明雾区中间温度低，边缘上的温度高，故联通域内像元需满足TBB3.7μm-T_Orig≥0且TBB3.7μm-T_Orig≤3K；同理，在T0<0条件下，联通域内像元需满足TBB3.7μm-T_Orig<0且TBB3.7μm-T_Orig>-3k。另外，因为海雾随时间变化不大，故海雾像元还应该满足TBB11μm(now-pre)<ΔTBB11μm(thres)，其中TBB11μm(now-pre)为当前时刻与前一时刻11μm的亮温差，ΔTBB11μm(thres)为相应亮温差阈值，在1～2.5K之间；且BB3.7μm(now-pre)<ΔTBB3.7μm(thres)，其中TBB3.7μm(now-pre)为当前时刻与前一时刻3.7μm的亮温差，ΔTBB3.7μm(thres)为相应亮温差阈值，在3～5.5k之间。满足上述条件的像元可
以认为是海雾雾区像元；
4)以上完成了海雾检测的三级判识，符合上述判断条件的像元作为海雾像元输出。
将检测出的海雾像元输出为二进制文件，用GRADS或其他绘图软件编程绘图，以图像形式输出。以上方法已经编制成软件，可以自动运行。
用本发明的方法，可以得到每小时、甚至每半小时的海雾实时监测图像，并可以根据连续前几个时次的海雾区位置进行线性外推，为海雾的临近预报提供重要的参考依据。
Claims (4)
1、一种静止气象卫星遥感白天和夜间海雾的检测方法，首先利用静止气象卫星数字可视广播系统DVBS接收处理的FY-2C、FY-2D静止气象卫星的原始数据文件S-VISSR，经对S-VISSR数据进行定标定位、资料订正、等经纬度投影预处理，得到包含5个通道数据的投影后的GPF格式的文件；再利用GPF文件中的2个长波红外窗区分裂窗通道、1个中红外通道和1个可见光通道，其中波长为11μm和3.7μm通道数据需要前后两个时次的资料，根据海雾的运动学特征和光谱特征对海雾信息进行提取，检测海上雾区，采用三级判识方法，先滤出移动性云边界、中高云云边界，再滤除晴空水体和部分低云，最后利用区域生长法确定海雾区域，具体三级判识的检测步骤如下：
一级判识为读入前后两个时次的GPF文件，分别计算中红外通道3.7μm和长波红外通道11μm当前时次和前一时次的韦伯边界，判断3.7μm当前时次和前一时次韦伯边界是否重合，如果不重合则判识为移动性的云边界，如果重合则判识为海雾/低云边界和中高云边界进入二级判识；同时再判断当前时次的3.7μm通道韦伯边界是否能在11μm通道韦伯边界中发现，如果能够在11μm通道韦伯边界中找到，判识为11μm韦伯边界能分辨出来的中高云边界，如果不能够找到，则判识为海雾/低云边界和中高云边界进入二级判识；
二级判识为对一级判识中的得到的海雾/低云边界和中高云边界包围的区域进行海雾、云、晴空水体分离：首先利用读入的太阳天顶角数据SZA，判断被上述边界包围的海雾/低云、中高云和晴空水体的像元处于白天还是夜晚，再计算被边界包围的像元的分裂窗亮温差绝对值ΔTBB＝|TBB(11μm-12μm)|，其中TBB为黑体亮度温度，如果在夜晚ΔTBB>0.2K，进入下一步处理，否则判识为夜间晴空和低云；如果在白天，将同时满足ΔTBB>0.2K和可见光反照率Re<0.16的像元进入下一步处理，否则分别判识为白天部分低云和白天晴空区；利用11μm通道亮温阈值，将中高云和非暖性低云滤除，得到像元雾1；
再对满足一级判识但不满足上述判识的数据，再用3.7μm和11μm的双谱法方法进行补判识，找回部分被滤除过量的海雾，得到像元雾2：方法是：首先用分裂窗判断边界两侧的像元，去掉晴空水体一侧，然后用3.7μm和11μm通道数据，进行纹理分析，将顶部不均匀的云，包括中高云、部分低云滤出，再判断像元在白天还是在夜晚，如果在夜晚，中红外通道和长波红外通道的亮温差满足-7K<TBB(3.7μm-11μm)<-1K，判识为像元雾2，否则判识为夜间低云；如果在白天，亮温差满足TBB(3.7μm-11μm)>18K，则判识为像元雾2，否则判识为白天低云；即完成了检测海雾的二级判识，得到了像元雾1和像元雾2进入三级判识继续进行处理；
再取像元雾1和像元雾2的并集，进入区域生长搜索海雾像元，得到连续的海雾雾区，此为检测海雾的三级判识：具体方法是：取像元雾1和像元雾2的并集，标记为fog_flag，对每一个标记为fog_flag的像元进行联通域起始点赋值：T-Orig＝TBB3.7μm(i)、Re_Orig＝Re0.67μm(i)，并定义T0＝TBB11μm(j)-TBB11μm(i)，其中i表示起始点像元、j表示起始点周围八个像元，即联通域；依次对每一个标记为fog_flag的像元进行联通域搜索，即以这些像元为起始点，在相邻的八个点中按照搜索条件搜索，满足搜索条件的像元为是海雾雾区像元；最后将检测出的海雾像元输出为二进制文件，用GRADS或其他绘图软件编程绘图，以图像形式输出。
2、如权利要求1所述的静止气象卫星遥感白天和夜间海雾的检测方法，其特征是上述的2个长波红外窗区分裂窗通道范围为11～12μm。
3、如权利要求1所述的静止气象卫星遥感白天和夜间海雾的检测方法，其特征是上述的1个中红外通道的波长为3.7μm。
4、如权利要求1所述的静止气象卫星遥感白天和夜间海雾的检测方法，其特征是上述的1个可见光通道的波长为0.67μm。
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