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。
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。