部分云覆盖下红外辐射传输模型及对火山灰云的敏感性研究

针对我国新一代地球同步气象卫星FY-4的预期发射和数据应用,本文借助与FY-4卫星成像仪类似的Meteosat-8卫星的SEVIRI仪器数据资料开展先期研究,建立了一种部分云覆盖条件下红外辐射传输模型,模拟了不同大气条件、火山灰云高度、有效云量和观测天顶角情况下卫星观测的红外通道的亮度温度的变化.美国标准气候态大气廓线和火山灰区实时大气廓线两种模拟结果都表明,模型模拟的8.3～9.1μm,9.8～11.8μm,11～13μm,12.4～14.4μm的入瞳亮度温度对云高度、有效云量较为敏感,基本呈线性相关;卫星天顶角对模拟的辐射亮温的影响相对较小.通过不同大气廓线状态和火山灰云发射率情景下的测试结果表明,只有同时考虑大气条件和火山灰云通道发射率的差异后,模式才能够较好地模拟出火山爆发情景下火山灰云中酸性物质在11μm和12μm的反吸收特性.与大气条件相比,通道的发射率差异对火山灰云的遥感建模更为重要.因此,可在传统的分裂窗通道的基础上,通过热红外多通道亮温及亮温差异信息联合反演火山灰云高度和有效云量等因子,提高部分覆盖下火山灰云的微物理参数的反演精度.本研究为建立基于我国新一代静止气象卫星FY-4数据的火山灰云浓度定量反演模型提供了理论基础.     

基于TRMM VIRS可见光和红外五通道的白天云检测方案

热带测雨卫星(Tropical Rainfall Measuring Minion,TRMM)积累的从可见光到微波的多光谱云和降水辐射信息,为全球尺度云和降水参数反演研究提供了宝贵资料.云/晴空识别作为反演流程中的关键一环,对反演结果准确度起到决定性的作用.利用可见光/红外扫描仪(visible and infrared scanner,VIRS)提供的五通道辐射通量观测,提出一种可依靠TRMM平台观测资料独立实现的白天云检测方案.此方案由地形识别、二维表云检测和决策树云检测三个基本步骤构成,检测结果分为无云覆盖、部分云覆盖和完全云覆盖三种.与MODIS云产品的对比结果表明,非冰雪下垫面云检测精度较高,云量均值差异低于5%.特别对于冰雪下垫面,结合使用1.6μm反射率以及3.7μm和10.8μm亮温信息,利用阈值法对冰雪覆盖的晴空像素和真实云像素实现了较好的分离.利用该云检测方案,仅借助TRMM平台可见光和红外多通道资料即获得可信的云/晴空识别,这将为基于TRMM卫星多仪器融合资料的云和降水参数反演等相关研究带来方便.     

风云二号静止气象卫星的云相态识别算法

风云二号静止气象卫星上装载有可见光、中波红外、水汽和红外波段探测通道,其中白天的中波红外通道反射率可以反映云顶粒子的尺度和相态信息.联合使用可见光、中波红外和热红外通道辐射,可构建白天云顶粒子相态识别算法.云相态识别结果与CloudSat卫星的云分类产品相比较,个例分析表明,两种数据对于以深对流和卷云为主的高层冰云识别...     

利用MODIS数据进行海岸带卫星图像大气校正

提出一种利用同步MODIS图像的水体像元反演出混浊水域上空气溶胶光学特性的算法.在晴空无云的条件下,假设一定范围内的海岸带上空的大气和水体上空的大气一致,借助6S辐射传输模型,并考虑临近像元效应,利用反演出的气溶胶光学特性对卫星海岸带图像进行大气校正的方法,给出了应用该方法对我国沿海地区QuickBird-2卫星图像和CBERS-02卫星图像进行大气订正的结果,并对反演结果进行了比较分析.实验证明,利用MODIS图像进行海岸带卫星图像大气校正取得了很好的效果,该方法无需地面实测数据,具有很高的适用性.     

红外卫星资料的云检测对台风数值模拟的影响

为提高红外卫星资料的利用率,需将更多的资料同化进入数值预报模式初始场,尽量减小云污染的影响。针对大气红外探测器(Atmospheric Infrared Sounder, AIRS)卫星资料,用云检测方法识别了云顶高度。在验证该方法的有效性之后,在大范围卫星视场的含云区域中保留所有云顶以上的通道,并将这些通道的亮温数据同化进入数值预报模式初始场,通过对比分析不同方案下台风的模拟路径来评估云检测方法对台风数值模拟的影响。结果表明,该云检测方法的效果较好,检测出的晴空区及云区的分布与实际观测对应,检测得到的高云顶区域与台风云系的对应性较好。将云顶以上的通道亮温加以利用后,红外卫星资料的利用率得到很大提高,数据是原数据量的2.4倍。在台风路径模拟方面,同化云层以上的通道数据后,数据量的增加使路径模拟变得更精确了,与观测值明显接近。     

HJ-1B卫星IRS传感器热红外通道交叉定标

以TERRA卫星中分辨率成像光谱仪(MODIS)传感器热红外通道的星上定标结果为标准,采用交叉定标方法获取HJ-lB卫星红外多光谱相机(IRS)传感器热红外通道定标系数.首先,获取两个传感器的对应通道,利用MODTRAN模拟光谱响应、观测角、大气条件和温度变化对匹配因子的影响.然后确定此研究只考虑对应通道的波谱响应和地表温度差异,并计算出不同地表温度下匹配因子的变化趋势.选择7次不同时间双星同步观测青海湖区域的图像作为交叉定标数据,根据MODIS的辐射亮度和匹配因子计算出IRS传感器热红外通道的辐射亮度,最后,将得到的辐射亮度和DN值进行线性回归,获得IRS热红外通道的定标系数.将此次定标结果与HJ-1B卫星IRS传感器热红外通道星上4次黑体定标结果进行比较,定标结果一致性较好.     

利用南海水面开展我国静止气象卫星红外通道在轨辐射定标

中国遥感卫星辐射校正场以青海湖水面作为遥感卫星红外探测通道外场辐射定标的场地.我国静止气象卫星风云二号(FY-2)系列是自旋稳定卫星,其红外通道无法进行在轨时的星上绝对定标,而青海湖对于位于东经105°赤道上空的FY-2卫星来说,卫星天顶角有36°,超过了外场辐射校正测量规范要求.本文介绍了利用我国南海海面水体辐射,进行与静止气象卫星的同步测量试验,开展卫星红外通道在轨外场辐射定标处理的可行性研究.在分别对FY-2B与FY-2C的测量数据处理后,初步确定我国南海海面可以作为我国静止气象卫星在轨辐射定标的场地.     

结合分类与迁移学习的薄云覆盖遥感图像地物信息恢复

利用多源多时相遥感图像,给出一种结合分类与迁移学习的薄云覆盖遥感图像地物信息恢复算法.首先利用多方向非抽样对偶树复小波变换对多源多时相遥感图像进行多分辨率分解,对分解后的薄云图像的高频系数利用贝叶斯方法进行地物初分类;再对每类地物的低频系数通过迁移最小方差支持向量回归模型进行域自适应学习,获取模型参数;最后利用所获的迁移回归模型,用无云参考图像的低频系数预测薄云覆盖图像的低频系数,去除薄云,恢复薄云覆盖图像的地物信息.实验结果表明,本文算法恢复的地物细节清楚,光谱失真较小.特别对地物季节性变化的薄云覆盖遥感图像,本文算法能有效恢复薄云覆盖区域的地物信息.     

高空间分辨率卫星图像的薄云去除

为了有效地去除高分辨卫星图像中薄云的影响,提出了一种基于Mallat小波变换的薄云去除方法。对图像进行Mallat小波分解得到高频细节部分和低频近似部分,根据云噪声在分解系数中处于低频部分而地物信息占据相对高频部分的特点,在小波变换多尺度分析的基础上,算法在最大尺度低频图像上按照云厚度掩膜值对云区进行线性处理;对于高频子带图像根据尺度的不同运用非线性增强算子进行不同程度的增强,从而提高图像的清晰度,减小残留云的影响,之后将重构后的图像进行中值滤波以减少高频云的影响。针对高分一号卫星图像进行了实验。实验证明,该方法在去除薄云的同时很好地保留了图像细节及边缘信息,去薄云效果优于传统小波变换法。     

基于遗传算法综合Terra/Aqua MODIS热红外数据反演地表组分温度

混合像元组分温度相对来说更有应用价值,而多角度热红外遥感的发展推动了混合像元组分温度反演基础和方法的发展.根据前期数值模拟得到Terra和Aqua卫星上的MODIS测量可以认为是同一卫星在两个不同观测时间和观测角度上的测量,综合利用Terra和Aqua卫星上的MODIS数据反演混合像元内土壤和植被组分温度.根据混合像元热红外辐射模型,利用遗传算法,分别模拟Terra卫星MODIS的32和33通道,以及Terra和Aqua卫星上MODIS的32通道辐射反演了河北怀来试验区范围内植被覆盖率、土壤组分温度和比辐射率、植被组分温度和比辐射率等表面参数.通过与实测数据进行比较,综合利用上午Terra和下午Aqua卫星32通道数据反演的上午植被组分温度与地面同步测量温度偏差在1℃内,而利用上午Terra卫星32和33通道数据反演的上午植被组分温度与地面同步测量值偏差在1.4℃内.尽管利用双星数据反演的组分温度精度相对较高,但针对同一个像元,两个方案反演的结果有一定偏差.     

基于正交匹配追踪的云检测算法研究

云的定量识别在卫星数据反演中非常重要。云检测结果的质量直接影响各种反演产品的准确性。云检测实际上是一种目标识别和分类的过程,检测的目的是为了特征提取,因此,大量信号与系统中的新兴算法都被运用于云检测的技术研究中来。匹配追踪算法是近年来发展起来的非常有效的特征提取算法,而正交匹配追踪算法更能有效提高信噪比。因此文中利用正交匹配追踪算法与多通道阈值法相结合,进行了卫星云图云检测的相关研究。通过MODIS的云检测试验表明,将正交匹配追踪算法应用到多光谱云图的信息处理中可以有效提高云检测的精度。     

Satellite-Observed Location of Stratocumulus Cloud-Top Heights in the Presence of Strong Inversions

Infrared channels on the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) are used to infer cloud-top pressure (CTP), temperature, and effective cloud amount or emissivity. For low clouds, those with tops at pressures greater than 700 hPa, the infrared window 11-mum channel brightness temperature is used to determine the CTP and the corresponding cloud-top temperature by comparison with the temperature profile obtained from the NCEP Global Data Assimilation System meteorological analysis. In the presence of strong inversions which are common for marine stratus and stratocumulus, this leads to the identification of an erroneously high cloud-top height (CTH). This discrepancy is illustrated by comparing MODIS CTHs with those inferred from the geometric method used by the Multiangle Imaging SpectroRadiometer on the same satellite platform, and field observations. The error in CTH is typically about 2 km and depends on the shape of the actual temperature profile. It is shown that column water vapor above cloud retrieved from the MODIS solar infrared channels in the vicinity of the 0.94-mum water vapor absorption band can be used to flag the error and that the location of the true CTH could possibly be obtained using lapse rate formulations for cloud-topped boundary layers.     

基于最小剩余法的FY-3B/IRAS资料云检测研究

由于红外探测器的观测易受云的影响及快速辐射传输模式对云亮温的模拟不精确,在同化风云三号B星(Feng Yun-3B)红外分光计(Infrared Atmospheric Sounder, IRAS)的亮温资料时,首先需要进行云检测,以获得晴空视场点或晴空通道信息。基于最小剩余法(Minimum Residual Method, MRM)对IRAS资料进行了云检测研究,该方法不仅能判识视场点是否有云,还能得到视场点的云参数(有效云量)。同时,采用FY-2E卫星云图对云检测效果进行了验证。结果表明,将该方法用于IRAS资料云检测是可行的。     

基于深度学习的云参量反演方法研究

有效的云检测与云相态判识对于农业、气候及人类生活具有重要意义, 而这些数据的获取离不开卫星遥感。 卫星遥感数据在当今社会的生产和生活中都扮演着至关重要的角色, 众多领域的发展都离不开卫星遥感数据的支持。 随着高精度传感器的发展, 传统研究方法无法满足大规模、高维度数据的高效挖掘与处理, 因此深度学习技术在遥感 领域得到了快速的发展。基于深度学习技术提出了一种结合多波段遥感影像的云检测及云相态判识的方法。该方法 采用 MODIS 云产品影像作为样本, 将不同波段信息作为特征值, 分别建立针对云检测与云相态判识研究任务的多个 数据库, 并采用 DeepLab V3+ 模型进行训练并预测, 从而完成高精度的云检测及云相态判识任务。与传统方法相比, 该方法高效便捷、特征提取能力较强, 将多波段作为特征值输入模型进行预测时, 该方法展现了良好的结果。     

联合CloudSat-CALIPSO-MODIS进行云相态检测的新方法(英文)

云与生活息息相关,云参量的定量研究便显得极其重要 ,其中包括云相态的精确判识。由于传统基于单传感器的云相态识别算法都存在一定的局限性,提出了联合CloudSat-CALIPSO-MODIS多传感器进行云相态检测的新方法,提高了云相态的识别精度。利用2008年5月2日和2010年2月1日的CloudSat、CALIPSO、MODIS综合观测数据,获取了6种云相态,包括不确定云,混合云, 水云,过冷水云,冰云和晴空。结果表明协同算法可以更精确地进行云相态识别,并为数值天气预报提供条件,具有重要的科学意义。     

海洋上空云多角度偏振辐射阈值检测方法研究

云是海洋遥感的一项重要研究内容,云检测精度对于海洋上空云微物理特性的反演和海洋水体观测具有重要意义.以高分五号卫星搭载的大气气溶胶多角度偏振探测仪(Directional polarimetric camera,DPC)在轨成像数据为研究对象,提出了一种基于多角度偏振辐射信息的海洋上空云检测方法.首先用耀光角判别法区分...     

国产卫星多角度偏振传感器的光谱特征云检测方法研究

在卫星遥感研究中, 云检测是基础环节, 其结果影响大气、地表各种参数的定量遥感, 同时也影响云微物理特 性的反演。本研究针对多角度偏振卫星载荷(高分五号DPC 传感器), 建立了一种改进的光谱特征云检测算法。该算 法综合利用云像元和非云像元在可见光反射率光谱、氧A 波段吸收、蓝光偏振反射率以及偏振虹等特性上的差异, 分别提出了陆地、海洋上空的云检测方案, 并进一步建立了多角度云检测融合策略以标记云、晴空和未定像元。在 陆地检测中, 通过增加表观压强检测和偏振虹检测分别改进了高层薄云和低层薄云的识别; 在海洋检测中, 利用表观 压强与云层的退偏特性改进了耀光区云像元的识别。全球云检测结果示例显示该算法整体检测效果较好, 同时典型 区域的检测结果与MODIS 云产品也具有较好的一致性。该研究可为高分五号02 星上的多角度偏振传感器云检测提 供方法基础。     

FY-3B红外分光计亮温资料的云检测算法研究

结合风云三号B星(FY-3B)载红外分光计(InfraRed Atmospheric Sounder,IRAS)资料的通道特性,分析了云在不同波段的光谱特性。与通道亮温偏差阈值法不同,利用通道多光谱信息以及基于平滑梯度和通道信噪比的方法对FY-3B/IRAS资料进行云检测方法研究,更有效地识别出了有云视场点。对2013年1月9日00时至1月14日00时共5天的IRAS资料数据进行了偏差订正,然后采用以上方法进行了IRAS资料云检测。结果表明,经过云检测后的通道亮温偏差服从高斯分布,满足后期变分同化IRAS通道亮温的要求。     

基于高分五号DPC氧气A吸收波段的云顶压强反演

云顶压强可用于估计云高,对气象观测和云特性研究等具有重要的作用.基于高分五号卫星搭载的多角度偏振探测仪(DPC)在氧气A吸收带设置的763 nm和765 nm两个波段进行了云顶压强反演方法的研究.首先,通过辐射传输模拟和多项式拟合得到了大气压强的计算公式,并对拟合公式进行了误差分析和校正.然后,分析了气溶胶、大气廓线等...     

Aerosol-cloud interaction-Misclassification of MODIS clouds in heavy aerosol

The accuracy of the spaceborne Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) cloud mask was evaluated for possible contamination by areas of heavy aerosol that may be misclassified as clouds. Analysis for several aerosol types shows that the cloud mask and products can be safely used in the presence of aerosol up to optical thickness of 0.6. Here we define as cloudy all MODIS 1-km (at nadir) pixels that were used to derive the cloud effective radius and optical thickness of water and ice clouds. The findings make it possible to study aerosol-cloud interaction from the MODIS aerosol and cloud products.