一種基于高分四號衛星的云檢測方法及其應用

呂喆鵬 楊昌軍 劉邵波 高濤 馬天舒

（1.航天恒星科技有限公司，北京 100086；2.國家衛星氣象中心，北京 100081）

一種基于高分四號衛星的云檢測方法及其應用

呂喆鵬1楊昌軍2劉邵波1高濤1馬天舒1

（1.航天恒星科技有限公司，北京 100086；2.國家衛星氣象中心，北京 100081）

在遙感影像中，云檢測是進行遙感數據處理與分析的基礎和必要環節，同時也是研究云對氣候系統作用至關重要的第一步，云量、云高及云特性的變化強烈影響著行星反照率梯度和地表能量交換，進一步影響區域、全球氣候，準確地提取云的相關信息將更加有利于對地觀測的精度。我國2015年發射的高分四號地球同步軌道衛星，該衛星分辨率將達到50m，衛星觀測到的影像將更加精細和準確，因此研究好高分四號衛星的云檢測方法將更加有利于發揮衛星的作用。本文擬采用閾值法云檢測，對高分四號云檢測產品進行研究。

高分四號，云檢測，直方圖動態閾值法

一、引言

在監測地球的過程中，云是獲取高質量遙感圖像的一個障礙，此外，云也一直是圖象處理、圖象分析的一大難點。云的影響不僅僅表現在對衛星圖片的質量上，同時也是臺風、颶風、降雨等氣象現象形成的重要因子。就全球范圍來說，在任意一天里，云覆蓋了全球的大部分區域，這與地球向外太空發射的長波輻射量有直接的關系并最終影響著全球氣候變化。此外，客觀、準確、實時地識別衛星云圖中的云類特征、開展云團短時活動預測是軍事氣象保障中急待解決的重點和難點問題，因此，對云進行相應的監測除解決氣候監測相關問題外，還將為軍事行動提供服務保障。

自從1988年我國把第一顆氣象衛星FY-1A送上太空后，就開始了從太空對氣象變化進行監測。在不到30年的時間里，我國的極軌氣象衛星已經從一代極軌衛星FY-1號發展到現在的二代極軌衛星FY-3號系列衛星。其中搭載在FY-3上的可見光紅外掃描輻射計（VIRR）分辨率為1.1km，搭載在FY-2的可見光和紅外自旋掃描輻射器（VISSR）最高分辨率為1.25km，在這樣分辨率下云檢測結果有一定的局限性，特別是對中小尺度、生命周期短的強對流天氣難以監控和捕捉。高分四號（GF-4，地球同步軌道50m分辨率光學成像衛星）具備高分辨率，高時效性等特點，可以有效彌補FY系列衛星在中小尺度、細微變化的天氣情況監測的弱點。本文簡要地介紹了GF-4衛星以及GF-4衛星上的可見光近紅外（VNIR）通道在產出高分辨率云檢測產品上的應用，特別是提升中小尺度強對流天氣、空中風場和低云大霧的連續跟蹤監測能力，實現重點區域的動態監測。

二、高分四號衛星簡介

GF-4衛星于2015年發射，是我國向地球同步軌道高分辨面陣遙感領域進軍的第一顆星。該衛星具有多光譜和紅外成像能力，通過指向控制，實現對中國及周邊地區的觀測，可以滿足多個業務系統的需要，如減災、氣象、地震、林業、農業、海洋、國家應急等。在地球同步軌道，區域覆蓋廣，時間分辨率高，應對災害和環境污染突發事件時，能夠在第一時間、持續高頻率獲取災情監測數據，對于快速決策和部署搶險救災至關重要。在10分鐘內可以完成2000km×2000km區域成像，并具有快速指向控制能力，具備大范圍內進行實時、連續機動成像和高時間分辨率偵照識別相結合的綜合成像能力。

衛星載荷配置一臺50m分辨率，具備全色、多光譜譜段和紅外譜段成像能力的大面陣凝視相機，用以獲取高分辨率，多譜段地面圖像信息。GF-4部分參數及譜段信息如表1所示：

GF-4利用相機系統，獲取地面像元分辨率50m全色/多光譜圖像信息、地面像元分辨率為400m的紅外圖像信息；利用姿態調整，具備相對星下點滾動、俯仰長期偏置的能力；通過調整衛星姿態實現相對星下點指向范圍內地面目標成像，觀測范圍直徑不小于7000km；衛星運行在地球同步軌道，可利用軌道傾角和偏心率形成一定的星下點軌跡形式，拓展觀測范圍；相機系統可以實現對指定地區的面陣凝視成像；在成像過程中，通過調整濾光片，實現對指定區域的全色、多光譜譜段分時成像；并可以根據地面光照條件和目標觀測的需要，同時進行紅外譜段成像；通過小角度快速姿態機動，實現區域成像、機動巡查等工作模式。

三、云檢測方法及原理

目前，最常用的云檢測算法是利用遙感圖像的光譜信息(ISCCP方法、APOLLO方法、CLAVR方法、多光譜分析法)或紋理信息(紋理分析方法)進行云與地面物體的區分。主要的云檢測算法分為三類：閾值法，聚類分析法和人工神經網絡法，其中閾值法發展最成熟，且運行效率高，檢測精度精度，因此本文主要考慮閾值法云檢測。在閾值法中，閾值的選擇是影響分類精確度、分類結果正確與否的關鍵因素。閾值的選擇方法主要有以下兩種：一是根據經驗，通過對數據庫中大量的歷史樣圖進行統計，獲取云層的經驗閾值；二是利用圖像本身的信息，確定閾值的選取。本文將采用第二種方法確定閥值，即在單通道云檢測的基礎上，計算得到多通道特征綜合云檢測結果，以及云和晴空判識的可信度。使用該方法結合GF-4通道特性闡述云檢測產品原理。

3.1 算法原理

直方圖動態閾值法(DTCM 法),認為像元陣的直方圖曲線中,地表峰值往云一側的直方圖曲線二階差分的極大值點,即直方圖曲線的最大變率處,更適合作為區分云和地面的閾值。

太陽耀斑區判識：用太陽方位角、衛星方位角、衛星天頂角、太陽天頂角計算出太陽耀斑區位置，并標志出來。

a. 動態閾值方法的數學表達和實現如下

數據統計直方圖反映了圖像的基本特性。對于衛星單通道數據進行數據統計并建立相應的統計直方圖，其中直方圖的橫坐標為物理量值，縱坐標為該物理量值對應的象素點個數，通過直方圖建立了物理量值與象素點個數值之間的關系，并以此反映數據圖像的某些特性。根據光譜特性分析，云在衛星數據反射率通道中的特性表現為反射率值較高，陸地次之，水的值最低，因此在理想的直方圖曲線會出現三種不同的特性，即從整體上看出現三個峰值，分別代表水、陸地和云。然而由于陸地地形的復雜性和云類型的多樣性，在陸地和云區的直方圖曲線常會出現頻繁的波動，這些特征將會影響正確獲取云的閾值，而通過直方圖的平滑處理可以在一定程度上消除上述干擾，提高云判識閾值獲取的精度。本項目中采用累計平滑方法，平滑點數為(這里n=7)，具體方法是先通過公式(1) 獲取平滑直方圖的橫坐標范圍，公式如下：

其中smax為平滑直方圖最大值，Max為原始直方圖最大值，n為平滑點數。然后依次累計平滑直方圖中各值的數量，累計方法為：

b. 太陽耀斑角公式如下：

glint=acos(sin(asunz)*sin(asatz)*cos(asun a-asata)+cos(asunz)*cos(asatz))

其中：glint―太陽耀斑角；asunz―太陽天頂角；asatz―衛星天頂角；asuna―太陽方位角；asata―衛星方位角；當glint＜30度時，為太陽耀斑區。

3.2 基本假定

a. 在規定區域內有效象元少于200個時，不進行動態閾值獲取。

b. 太陽高度角大于85度時計算太陽耀斑角，太陽耀斑角計算只用于水面。

3.3 處理流程

處理步驟：讀取GF-4觀測數據、云檢測產品參數等數據進行冰雪判識；利用水陸邊界數據生成水陸邊界位置；計算太陽耀斑區位置；計算晴空和云判識動態閾值；對所有選定的單通道（包括通道比值和通道差）分別進行云檢測；根據單通道云判識結果，計算綜合云判識結果，包含三種情況：晴空、云、未判識，同時還給出云檢測可信度；最后輸出云檢測結果。處理流程如圖 1所示：

3.4 初步驗證

驗證該方法我們使用相關載荷數據進行仿真。在波段設置上GF-4與FY3系列衛星的一些特性，兩者之間有一定的相似性和差異性。在可見光光譜范圍上，GF-4的觀測范圍是0.45～0.90μm共5個波段，FY-2的觀測范圍是0.55～0.90μm 1個波段，FY-3的觀測范圍是0.43～0.89μm共5個波段。在紅外光譜范圍上，GF-4的觀測范圍是3.5μm～4.1μm 1個波段，FY-2的觀測范圍是3.5～12.5μm 4個波段，FY-3的觀測范圍是1.325～12.5μm共5個波段。可以看出在光譜分類上GF-4和FY-3更接近，而且可見光50M和紅外400M的分辨率，明顯優于FY-2的1.25KM、5KM和FY-3的1.1KM。因此使用FY3數據對上述算法進行驗證，可以有效模擬GF-4未來云檢測結果。

圖2是FY-3C星與2014年6月16日拍攝的渤海、朝鮮半島、日本區域的三通道合成圖，圖3是使用上述算法得到的云檢測結果。通過視覺對比可知，在相應的算法下進行云檢測得到的檢測結果的可信度還是非常高的，對確信晴空陸地（深綠色）、疑似晴空陸地（淺綠色）、確信晴空海洋（深藍色）、疑似晴空海洋（淺藍色）、太陽耀斑（紅色）、確信云區（白色）和疑似云區（灰色）的判識準確。而GF-4的云產品分辨率為50M，分辨率的提升使得觀測的結果更加準確，靈敏度更高。因此從上面的分析可知，GF-4使用該算法可以很好的用于云判識。

四、總結與展望

云檢測作為GF-4在氣象觀測領域應用的成功將更加有利于GF系列衛星為整個氣象、軍事及其他各領域的應用拓展。我們通過初步分析研究認為：GF-4系列衛星將會提供更加精細化的氣象相關產品。

如圖4所示，該影像為天宮1號數據，高光譜全色通道，4m分辨率的數據，可以精確觀測云體及陰影、云高信息、目標背景對比度信息等信息，可以在軍事上幫助作戰人員準確識別地面目標；

如圖5所示，同樣為天宮1號所拍影像，從圖中可以觀測精細云結構及顛簸信息，從而可以準確判斷氣流和空中風場等航空條件，可以為民航部門，特別是航空軍事應用服務。

如圖6所示：該影像為375M分辨率的VIIRS觀測到的2012.1.24臺風Funso的灰度和紅外圖像，利用GF-4紅外通道同樣可以達到觀測臺風眼壁坡度特征等信息，為研究中小尺度、強對流天氣提供觀測依據。

此外，由于GF-4在成像過程中，通過調整濾光片，實現對指定區域的全色、多光譜譜段分時成像，因此可能帶來影像“拖尾”的現象，解決好該問題并通過對GF-4在氣象應用領域的進一步研究將大大提升我國在精細化氣象產品研究的地位。

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2017，讓我們帶給世界更多驚喜

2016年是“十三五”規劃的開局之年，是決勝全面小康的開局之年，也是推進供給側結構性改革的攻堅之年。

這一年的中國，闖關奪隘，奮然前行。體制障礙面前，我們動真碰硬，披荊斬棘；轉型困惑面前，我們清醒堅定，勇毅篤行。

這一年的我們，昂首闊步，從容自信。從亞投行開業到G20杭州峰會舉辦，我們的主張擲地有聲；從中國“天眼”遙望星辰到神舟升空造訪“天宮”，我們的創造舉世矚目；從慶祝建黨95周年到十八屆六中全會部署全面從嚴治黨，我們的初心始終如一；從紀念長征勝利到中國女排驚艷里約，我們的精神薪火相傳；從建立五大戰區到全面推開營改增試點，我們的改革蹄疾步穩。

站在歷史與現實、過去與未來的交匯點，我們信心滿懷，豪情滿懷；我們還須努力，還要奮斗。

有夢的人生是美好的，有夢的民族是充滿希望的。2017，我們繼續出發，帶給世界更多驚喜。

新華社評出2016年國內十大新聞

一、“兩學一做”學習教育全面展開

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三、成功主辦二十國集團杭州峰會

四、嚴肅查處遼寧拉票賄選案

五、紀念長征勝利80周年宣示接力長征

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七、全國人大常委會行使香港基本法解釋權

八、出臺完善產權保護制度依法保護產權的意見

九、最高法再審改判聶樹斌無罪

十、穩中求進成為治國理政重要原則