[发明专利]卫星遥感海雾特征量的实时提取方法

摘要

本发明涉及一种卫星遥感海雾特征量的实时提取方法。利用白天EOS/MODIS资料，读入其原始数据文件PDS，通过分析海雾和低云在光谱特征上的差异，分两大步骤首先把海雾与低云分开，再对海雾特征量进行提取。即采用三级判识方法先后滤出中高低云、晴空水体、太阳耀斑水体、云阴影区、海冰雪盖，而建立海雾检测并得到海雾分布区，生成包括海雾检测结果的文件，然后再根据公式计算出海雾特征量——雾区的光学厚度、雾有效半径、液态水路径，与雾顶高度和雾中能见度，在微机上进行图像显示。本发明不仅提取了海雾特征量，并且计算雾能见度和雾顶高度，从而实现了海雾的定量化监测，海雾的消散预报，为海面上空飞行安全、海上交通与沿海空港作业提供气象信息。

主权项

1、一种卫星遥感海雾特征量的实时提取方法，其特征在于步骤1是通过极轨卫星数字可视广播系统，获取并读入PDS文件；步骤2是对PDS文件利用常规方法进行数据预处理和质量控制生成HDF文件；再对HDF文件用通用的方法进行几何精校正，生成局地的等经纬度投影数据集文件LD3；步骤3是一级判识，将目标物初步区分为：包括海雾和低云的云、含海冰和雪盖信息的中高云、晴空水体、耀斑水体、云阴影；用海陆模板数据将大陆与海洋分开；用耀斑查算表数据将耀斑水体剔除；用长波红外亮温及可见光、近红外反照率以及中波红外亮温特征阈值将包括海雾和低云的云、含海冰和雪盖信息的中高云、云阴影区分，又利用归一化植被指数NDVI大于-0.05条件的像元，初步滤除包括藻类信息的晴空水体，完成了一级判识；步骤4是对上述一级判识结果中的包括海雾和低云的云、含海冰和雪盖信息的中高云进行二级判识，判断是否满足海雾和低云特征：即将中高云、海冰积雪、部分海冰与晴空的混合像元剔除，保留海雾和低云区；方法是：根据海雾和晴空水体、海冰、中高云的辐射特性，检测符合可见光反照率在0.12～0.15之间、归一化雪指数NDSI在-0.1～0.1之间、1.6μm通道的反照率大于0.15、10.3μm通道的亮温大于270K的像元、归一化植被指数NDVI大于-0.05条件的像元，判断为含低云的海雾；不满足则为中高云；即可初步检测或识别出含低云的海雾，该海雾像元标记为Fog1；晴空水体像元均标记为CS，完成了二级判识；步骤5是对于二级判识中含低云的海雾进行三级判识，即将海雾与低云分离：首先将与海表温度相比明显偏低的非暖性低云分离，得到的雾区标记为Fog2，考虑到Fog2还可能包含暖性碎低云，为了将暖性碎低云从雾区中剔除，对于标记为Fog2的像元再用区域增长方法，进行空间拓展，将暖性碎低云从雾区中剔除，得到的海雾检测数据标记为Fog3；然后将夹在海雾区中的云边缘滤除，即进一步将以上得到的海雾检测数据用纹理条件分析，方法是：取N×N矩阵，N≥11，如果矩阵中60-70％的像元都标记Fog3，则判识为海雾；如果矩阵中只有30-40％的像元标记为Fog3，则判识为云边缘；这样就确定了低云区、海雾区、中高云区和晴空区；步骤6是将结果按像元输出为二进制的海雾检测结果文件，并储存和显示；步骤7是在海雾检测的基础上，计算海雾特征量：读入海雾检测结果文件中标记为雾区的像元，同时读入LD3文件中与雾区像元位置对应的波长为0.62-0.67μm的1通道反照率数值，读入太阳天顶角us数据和视觉对比阈值ε，按公式(1)进行逐像元计算，得到卫星观测时刻的雾区光学厚度值τ，计算公式如下：式中τ是光学厚度，af是雾的反照率，μ0是太阳天顶角的余弦(μ0＝cos(us))，β(μ0)是后向散射系数，可由已有的精细多重散射模式计算得到，MODIS卫星过境时间基本固定，后向散射系数计算结果已经制定成表格，放入程序中，供程序调用，计算好的光学厚度值以二进制格式输出到光学厚度值τ的文件中；步骤8是读入光学厚度值τ文件，并由公式(2)计算液态水路径：式中LWP是液态水路径(gm-2)。将计算好的液态水路径值以二进制格式输出到液态水路径文件中；步骤9是读入雾区光学厚度文件和液态水路径文件，计算雾滴粒子的有效半径，公式如下：式中re是有效半径(μm)，LWP是是液态水路径(gm-2)，ρ是液态水密度(gm-3)，τ是光学厚度。因此，re在遥感上的应用是指研究区域内雾滴大小的加权意义上的半径。将计算结果以二进制格式输出到文件re中；步骤10是计算雾顶高度，白天雾顶高度的反演只和光学厚度有关，读入光学厚度文件，运用公式(4)计算雾顶高度：H＝45τ2/3 (4)式中H的单位是米，将结果以二进制格式输出到雾顶高度文件中；步骤11是计算水平能见度，水平能见度可以由柯喜密什(Koschmieder)公式求得：式中ε＝0. 02，βext为消光系数，可以表示为单位距离内相对光辐射能量的变化率，由公式(6)得到：把ε和βext都代入公式(5)，则能见度公式可以简化为：读入光学厚度文件和雾顶高度文件，利用(7)式就可以计算得到雾中能见度，将能见度结果以二进制格式输出到雾中能见度文件中；将上述结果用GRADS绘图软件输出。