CN107192459A - 一种卫星热红外遥感在轨定标及卫星遥感温度产品现场验证的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卫星热红外遥感在轨定标及卫星遥感温度产品现场验证的方法，通过水体皮温‑表温同步测量装置实现，包括步骤1、在卫星遥感图像某像元对应的水域中，将多个水体皮温‑表温同步测量装置布置成等间距的网格状观测阵列，获得该水域水体‑大气界面附近的三维温度实测值；步骤2、统计计算各三维温度实测值，获得该水域的平均皮温和平均表温；步骤3、采用MODTRAN模型或LBLRTM模型模拟海表‑卫星间红外辐射传输，对与现场温度测量同步的卫星热红外传感器进行在轨定标或对卫星遥感温度产品进行现场验证。本发明的方法能有效解决卫星热红外遥感在轨定标及卫星遥感温度产品现场验证中实测数据与遥感数据之间的空间不匹配、时间不同步的难题。
Description
技术领域
本发明涉及海洋测量技术，特别是一种基于水体皮温-表温同步测量装置对大范围海域表层水体温度的三维同步测量，以对卫星热红外传感器进行在轨场地定标及卫星遥感温度产品现场检验的方法。
背景技术
海表温度(Sea Surface Temperature SST)是海洋上层水体最重要的物理参数，也是一种重要的海洋生态环境参数。SST具有非常广泛的应用，包括在海气相互作用、全球气候变化、中尺度海洋过程、水团和海洋生态环境等研究、海洋数值模拟、近岸热污染评价等许多领域具有广泛应用价值。
经过数十年的发展，卫星热红外遥感技术已经成为海表温度探测的最主要手段，大量基于卫星遥感探测的卫星遥感温度产品也被广泛应用。卫星热红外传感器在轨运行过程中，由于各种元器件老化、太空环境等因素的干扰，仪器的性能和灵敏度会不断衰减，导致整个遥感系统的辐射性能与发射前实验室检校结果之间产生一定偏差，从而影响热红外遥感数据的质量，因此需要对热红外传感器进行在轨场地定标，以保证卫星热红外传感器的测温精度，从而保证卫星遥感温度产品的反演精度。而在对热红外传感器进行在轨定标时，需要准确测量与卫星遥感数据像元对应范围内水体的皮温。
另一方面，物理海洋学研究，一直以来都是采用次表层(0.5～1.0米甚至数米)水温作为海洋与大气“相互作用”的温度，因此，目前卫星遥感温度产品反演的温度也是次表层温度，是利用卫星遥感信号与次表层水温的统计关系建立的估算模型计算得到的。为了检验卫星遥感温度产品估算的温度精度，需要用现场测量的次表层温度与卫星遥感温度产品估算的温度进行对比，以评价SST估算模型的精度。因此，在对卫星遥感温度产品现场验证(检验)时，需要准确测量与卫星遥感数据像元对应范围内水体的表温。
目前，对卫星热红外传感器在轨定标或对卫星遥感温度产品反演真实性检验进行的现场温度测量，通常是选择在卫星过境前后1小时(甚至更长时间差)当中开展现场测量工作，而且还是以现场单点观测(观测站点，观测船或浮标)为主。这其中存在两个方面的问题：①现场实测数据与卫星遥感数据之间时间上不同步：有大约1小时的时差。②现场实测数据与卫星遥感数据之间空间上不匹配(点状实测数据与遥感像元面状数据空间不匹配)：卫星热红外传感器获得是所在像元海域的平均温度，而海洋表层温度在水平分布上变化很剧烈，特别是有锋面存在的海域，因此，现场实测获得的单点测量数据不能够代表其所在像元海域的平均温度。从而严重影响定标和检验的可靠性和可信度。
有鉴于此，申请人的在先专利ZL201310400448.8(名称：水体皮温-表温同步测量装置对卫星遥感定标的方法)公开一种水体皮温-表温同步测量装置，包括测温系统、压力感应测深装置和数据采集系统。该装置可以同步测量水体皮温和表温，准确测量水体表层(1米水深)的水温三维分布，而且该装置的测量频率为每1秒测量一次，因此，实测数据在时间上可以与卫星遥感数据同步到秒级，有效解决上述的现场实测数据与卫星遥感数据之间时间上不同步的技术问题。同时该在先专利也公开了一种卫星遥感的在轨定标方法，其包括步骤1：在同一水域，分别采用水体皮温-表温同步测量装置以及热成像仪同时对该水域的水体皮层进行温度测量；步骤2、将所述水体皮温-表温同步测量装置的测量结果与热成像仪的测量结果进行比对，以完成水体皮温-表温同步测量装置到热成像仪的定标传递；步骤3、采用定标传递后的热成像仪快速获取贯穿卫星遥感图像像元的条带状水体的皮温，基于MODTRAN模型模拟海表-星间红外辐射传输，对与现场温度测量同步的卫星热红外传感器进行在轨定标。
可以看出，其为了解决点状实测数据与遥感像元面状数据空间不匹配的技术问题，采用了一个中间转换模块“热成像仪”，即先将只能单点测量的水体皮温-表温同步测量装置和能够进行面状测量的热成像仪进行定标，再通过热成像仪对卫星热红外传感器进行在轨定标。其虽然解决了现场实测数据与卫星遥感数据之间空间上不匹配的问题，但是热成像仪获取的现场实测数据与卫星遥感数据之间依然存在时间上不同步的技术问题。这样反而浪费了水体皮温-表温同步测量装置的现场实测数据能够和卫星遥感数据之间秒同步的功能。
因此，本发明在水体皮温-表温同步测量装置的现场实测数据和卫星遥感数据之间时间同步的基础上，使水体皮温-表温同步测量装置的点状实测数据转换成面状数据，以与卫星遥感数据实现空间上的同步。从而解决一直困扰遥感界的实测数据与遥感数据之间的空间不匹配、时间不同步的难题。
发明内容
针对上述不足，本发明提供一种利用水体皮温-表温同步测量装置对卫星遥感定标的新方法，以解决卫星热红外遥感在轨定标及卫星遥感温度产品现场验证中实测数据与遥感数据之间的空间不匹配、时间不同步的难题。
为实现以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种卫星热红外遥感在轨定标及卫星遥感温度产品现场验证的方法，通过水体皮温-表温同步测量装置实现，包括以下步骤：
步骤1、在卫星遥感图像某像元对应的水域中，将所述多个水体皮温-表温同步测量装置布置成n*m等行列间距的网格状观测阵列，同步测量该水域范围内大气底层、水体皮层和水体次表层温度，获得该水域水体-大气界面附近的三维温度实测值；
其中，n≥3，m≥3，且水体皮温-表温同步测量装置的行列间距与卫星红外传感器所对应的地面分辨率相适应；
步骤2、统计计算各水体皮温-表温同步测量装置同步测量的三维温度实测值，获得该水域的平均皮温和不同水体深度的平均表温；
步骤3、采用MODTRAN模型或LBLRTM模型模拟海表-卫星间红外辐射传输，对与现场温度测量同步的卫星热红外传感器进行在轨定标或对卫星遥感温度产品进行现场验证。
进一步地，在步骤1前还包括以下步骤：对所述的各水体皮温-表温同步测量装置中的测温棒进行温度标定。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、使用的水体皮温-表温同步测量装置较快的观测频率(每秒1次)，因此实测数据在时间上可以与卫星数据同步到秒级，可以在同一幅卫星遥感图像中，根据成像时间，不同行列的像元可以采用与其同步到秒级的观测资料做定标或验证。
2、本发明采用等间距网格状布放的多台(例如16台)水体皮温-表温同步测量装置，同步测量水域范围的各处皮温和表温，获得水域的皮温和表温的平均值，大大改进了现场测量数据与卫星遥感像元数据之间的空间匹配性。
3、使用的水体皮温-表温同步测量装置具有较高的测量精度(0.05℃)，加上提高现场实测数据与遥感数据之间的空间匹配性，从而提高对卫星热红外传感器在轨定标的精度，提高卫星遥感温度产品反演SST真实性检验的可靠性和可信度。
附图说明
图1为水体皮温-表温同步测量装置的结构示意图；
图2为测温棒的结构示意图；
图3为水体皮温-表温同步测量装置网格状布放示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例
本发明的卫星热红外遥感在轨定标及卫星遥感温度产品现场验证的方法，其采用了发明人的在先专利(专利号：ZL201310400448.8，名称：水体皮温-表温同步测量装置对卫星遥感定标的方法，申请日：2013年9月5日，公告日：2015年12月23日)公开的水体皮温-表温同步测量装置，在本实施例中，只对该装置进行简要说明。
请参照图1和图2所示，本申请的水体皮温-表温同步测量装置100只有一根测温棒1，测温棒1下段插接于一半球形的浮体2上实现固定，浮体2为中空结构，信息采集系统安装于该中空结构中，浮体2的半径根据信息采集系统、测温棒1以及固定浮体2的环形体3的总重量而定，即浮体2经受水体的浮力与上述总重量的重力需满足测温棒1露出水面5-45cm。
测温棒1包括测温棒上段11和测温棒下段12，温度探头包括皮层温度探头111和表层温度探头121。测温棒1的总长度为130cm，测温棒上段11的长度为50cm，则测温棒下段12的长度为80cm。皮层温度探头111以紧密排列方式沿测温棒1的长度方向安装于测温棒上段11上，同理，表层温度探头121以一定的间隔沿测温棒1的长度方向安装于测温棒下段12上。
测量时，可以采用锚定浮标的方式，也可以采用固定桩的形式，将水体皮温-表温同步测量装置100布放在水域中，应尽量使测温棒1在水面保持垂直状态。测温棒上段11的长度为50cm，因此测温棒上段11中总有一皮层温度探头111位于水体的皮层中，保证该测温棒1能够同步测量大气底边界层气温(由露出水面的皮层温度探头111完成)、水体皮温(由置于水体中的第一个皮层温度探头111完成)和水体上表层(1.2米以浅，可由剩余皮层温度探头111和表层温度探头121共同完成)水温。每一时刻总有一个皮层温度探头111指示了海水的皮层温度，由于皮层的位置，位于海水皮层的皮层温度探头111总会是第一个水面以下的那个皮层温度探头。对该第一个水面以下的皮层温度探头111的判断可以采用多种方法，包括压力传感器、激光传感器、电阻传感器和电容传感器测量，以及采用图像识别法等确定。
本实施例中，是通过多个压力传感器进行判断，压力传感器沿测温棒1的长度方向安装于测温棒1上，相邻两压力传感器的距离为20cm。在水面放置1个背压压力传感器测量背景大气压，通过测温棒1上设置具有等距离间隔的压力传感器测量的压力分布和背景大气压相结合可以高精度反演海水液面相对测温棒1的位置，从而确定是哪一个皮层温度探头111是水面以下的第一个。压力传感器将确定的第一个位于水面以下的皮层温度探头111的信息发送至信息采集系统，该信息采集系统即可确定皮层温度，并可以哪些皮层温度探头111用于测量大气底层温度，哪些表层温度探头121用于测量水体表层温度。
为实现较高的测温精度(0.05℃)和较快的观测频率(每秒1次)，皮层温度探头111和表层温度探头121均使用PSB-S7热敏电阻可以实现0.6mm的空间分辨率。因为响应速度快的热敏电阻体积也很小，使用恒流源测量阻值会产生很大的自热误差，因此使用惠斯通不平衡电桥将R-T的变化转换为电桥输出电压的变化。惠斯通不平衡电桥输出的模拟电压需要使用模-数转换为数字值，因此在该惠斯通不平衡电桥的输出端连接A/D转换器的输入端。为了便于测量，在惠斯通不平衡电桥和A/D转换器之间设置一信号放大器。为了获得较高的测量精度，需要使用高精度的AD芯片，为了适应多路温度信号同步采集的需要，需要AD芯片具有较多的采集通道和与热敏电阻响应时间匹配的测量速度。系统采用美国ADI公司AD7794采集温度信号。AD7794是专为高精度温度测量设计的低功耗、低噪音ADC：工作电压2.7V～5.25V，典型电流值400A，内置低端电源开关，在省电模式下的电流消耗仅为1A，适用于供电受限的应用场合。
设计使用多片AD7794高精度AD转换器同步并行工作，每个AD7794可采集6个温度通道，全部测量各通道最短仅需40ms(470Hz数据更新速率时)，与温度探头的响应时间匹配。AD7794是24位Σ-Δ型AD转换器，能够分辨微小信号变化，实现高精度的温度测量。多个AD7794并行采集，使用16位宽度的数据总线和4路4-16线译码器作为片选信号，总计只用24根数据与片选线和2根电源线即可实现5000余路数据的同步采集，极大的简化了系统结构。使用多层印制电路板技术，每个AD7794与测量的热敏电阻焊接在同一个电路板上，不用额外引线，降低了系统的制作难度，采集的温度信号经过线性化处理后通过相应的接口经由高速SPI数据总线传输给ARM核心的数据采集系统，保存在NAND Flash架构的大容量存储器中。使用多片AD7794型6通道(每一个AD7794转换器可对应连接六个温度探头)24位精密AD作为温度采集芯片，对热敏电阻构成的非平衡电桥的输出电压经过信号放大、AD转换、线性化变换后转换为温度信号的测量方案，达到了5mK的测温精度和最短40ms遍历所有通道的高度同步测量。
采用该水体皮温-表温同步测量装置进行卫星热红外遥感在轨定标及卫星遥感温度产品现场验证的方法，包括以下步骤：
1、首先在该水体皮温-表温同步测量装置投入使用前，须对测温棒上的温度探头进行实验室标定，以提高测量精度。
2、在卫星遥感图像某像元对应的水域中，将16个水体皮温-表温同步测量装置布置成4*4等行列间距的网格状观测阵列，参看图3所示，同步测量该水域范围内大气底层、水体皮层和水体次表层温度，获得该水域水体-大气界面附近的三维温度实测值。
可以根据具体需要，适当增加或减少网格阵列的格点(可以采用的阵列如3*3，3*4，3*5，3*6，4*5，4*6，5*5，5*6，6*6等)。针对不同的卫星传感器所对应的地面分辨率不同，网格阵列的间距要做相应的调整。另外，即使同一卫星每次过境时，其像元对应的地表位置也是变化的，为了应对这种不确定性，可以适当扩大测量装置的布放范围以及增加布放测量装置的网格点。
3、统计计算各水体皮温-表温同步测量装置同步测量的三维温度实测值，获得该水域的平均皮温和平均表温。
4、采用MODTRAN模型或LBLRTM模型模拟海表-卫星间红外辐射传输，对与现场温度测量同步的卫星热红外传感器进行在轨定标或对卫星遥感温度产品进行现场验证。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
最后，本专利研究得到广州市科技计划科学研究专项(20170702003)、国家自然科学基金项目(41276182)及中国科学院前瞻性创新项目(南海海面温度遥感产品研制与精度验证)等项目的资助，在此致谢。
Claims (2)
1.一种卫星热红外遥感在轨定标及卫星遥感温度产品现场验证的方法，通过水体皮温-表温同步测量装置实现，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在卫星遥感图像某像元对应的水域中，将所述多个水体皮温-表温同步测量装置布置成n*m等行列间距的网格状观测阵列，同步测量该水域范围内大气底层、水体皮层和水体次表层温度，获得该水域水体-大气界面附近的三维温度实测值；
其中，n≥3，m≥3，且水体皮温-表温同步测量装置的行列间距与卫星红外传感器所对应的地面分辨率相适应；
步骤2、统计计算各水体皮温-表温同步测量装置同步测量的三维温度实测值，获得该水域的平均皮温和平均表温；
步骤3、采用MODTRAN模型或LBLRTM模型模拟海表-卫星间红外辐射传输，对与现场温度测量同步的卫星热红外传感器进行在轨定标或对卫星遥感温度产品进行现场验证。
2.根据权利要求1所述的卫星热红外遥感在轨定标及卫星遥感温度产品现场验证的方法，其特征在于，在步骤1前还包括以下步骤：对所述的各水体皮温-表温同步测量装置中的测温棒进行温度标定。
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