基于FY-3A／VIRR衛(wèi)星資料的江西省大霧遙感監(jiān)測(cè)

陳興鵑，黃淑娥，樊建勇，辜曉青，聶志強(qiáng)

（江西省氣象科學(xué)研究所，江西 南昌 330096）

引 言

霧是一種常見(jiàn)的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，可嚴(yán)重危害到航空、航海和陸路交通安全，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)生活和軍事活動(dòng)造成的影響日益增大。此外，人類(lèi)活動(dòng)的增加使霧中混有各種復(fù)雜的化學(xué)成分，對(duì)空氣質(zhì)量、作物生長(zhǎng)等都有著嚴(yán)重的影響，而且大霧中化學(xué)成分的積累可導(dǎo)致“霧閃”。因此，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)大霧的分布區(qū)域，跟蹤其生消動(dòng)態(tài)變化有非常重要的意義。傳統(tǒng)的地面人工觀測(cè)方法常常受到觀測(cè)站點(diǎn)分布及觀測(cè)時(shí)間的限制，對(duì)大范圍的霧無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，而氣象衛(wèi)星遙感具有覆蓋范圍廣、時(shí)間分辨率高、信息量豐富等優(yōu)勢(shì)，可對(duì)霧進(jìn)行宏觀、動(dòng)態(tài)、連續(xù)監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)常規(guī)監(jiān)測(cè)方法站點(diǎn)設(shè)置密度和觀測(cè)密度不夠的缺點(diǎn)［1-4］。

國(guó)外自上世紀(jì)70年代就開(kāi)始了這方面的研究。Gurka［5］進(jìn)行了云霧識(shí)別及其消散研究，取得了較好的效果。Eyre等［6］首次提出使用高分辨率輻射計(jì)（AVHRR）3、4紅外通道亮溫差來(lái)區(qū)分夜間霧和低層云。隨后，很多學(xué)者也用類(lèi)似的方法進(jìn)行了研究，如，Ellrod［7］首先對(duì) GOES衛(wèi)星的雙通道紅外圖像在夜晚云霧檢測(cè)中不同功能進(jìn)行分析。國(guó)內(nèi)在大霧遙感監(jiān)測(cè)方面也進(jìn)行了大量研究。居為民等［8］利用NOAA和GMS衛(wèi)星資料進(jìn)行了滬寧高速公路大霧的監(jiān)測(cè)，獲得初步成果。劉健等［9］利用NOAAAVHRR資料分析了云霧頂部粒子的分布狀況和尺度特征，并分析了粒子分布與3通道反照率的定性關(guān)系。張樹(shù)譽(yù)［10］利用 MODIS 通道 1、3、7 資料進(jìn)行了白天霧的監(jiān)測(cè)，并使用通道21、31資料監(jiān)測(cè)夜間大霧。近年來(lái)，部分學(xué)者已開(kāi)始用我國(guó)的衛(wèi)星資料進(jìn)行大霧遙感監(jiān)測(cè)研究，如梁益同等［11］以FY-1D衛(wèi)星資料為數(shù)據(jù)源，分析了大霧在FY-1D各波段圖像上的光譜特征，指出可見(jiàn)光1波段和紅外4波段是FY-1D衛(wèi)星監(jiān)測(cè)霧的代表波段。蔣璐璐和魏鳴［12］利用FY-3A衛(wèi)星的VIRR數(shù)據(jù)，采用多波段閾值法對(duì)我國(guó)東部沿海日間霧進(jìn)行了遙感監(jiān)測(cè)，并估算了霧的垂直厚度、光學(xué)厚度以及能見(jiàn)度等特征參數(shù)。

總體來(lái)講，國(guó)內(nèi)利用氣象衛(wèi)星進(jìn)行大霧遙感監(jiān)測(cè)的研究起步較晚，且利用國(guó)外衛(wèi)星資料者居多。我國(guó)自主研發(fā)的風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星搭載的可見(jiàn)光紅外掃描輻射計(jì)（VIRR）性能已達(dá)國(guó)際同類(lèi)衛(wèi)星的先進(jìn)水平，部分指標(biāo)處于領(lǐng)先。江西省是大霧多發(fā)區(qū)，年平均區(qū)域性大霧日數(shù)（全省單日15站以上出現(xiàn)大霧）達(dá)20天以上，而利用風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星對(duì)內(nèi)陸地區(qū)大霧遙感監(jiān)測(cè)的研究尚少見(jiàn)報(bào)道。本文從遙感影像紋理特征、光譜分布特征等方面入手，旨在探索FY-3A在江西省大霧遙感監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，使其能在霧的監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中發(fā)揮作用，同時(shí)可為江西省有關(guān)部門(mén)提供大霧的精細(xì)化監(jiān)測(cè)和預(yù)警信息，從而為實(shí)施大霧災(zāi)害科學(xué)調(diào)控和管理提供可靠依據(jù)。

1 風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)霧的基本原理

1.1 FY-3A氣象衛(wèi)星簡(jiǎn)介

風(fēng)云三號(hào)（FY-3）氣象衛(wèi)星是在風(fēng)云一號(hào)衛(wèi)星基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的我國(guó)第二代極軌氣象衛(wèi)星，能夠獲取全球、全天候、三維、定量、多光譜的大氣、地表和海表特性參數(shù)。星上搭載了多臺(tái)遙感儀器，包括：可見(jiàn)光紅外掃描輻射計(jì) （VIRR）、紅外分光計(jì)（IRAS）、 微波溫度計(jì) （MWTS）、 微波濕度計(jì)（MWHS）、微波成像儀（MWRI）、中分辨率光譜成像儀（MERSI）等［13］。

FY-3A氣象衛(wèi)星是風(fēng)云三號(hào)系列衛(wèi)星的首顆星，于2008年5月27日在太原發(fā)射升空，軌道高度為831km，軌道傾角98.81°，繞地球一周大約需要102min［14］。FY-3A氣象衛(wèi)星攜帶了11臺(tái)遙感探測(cè)儀器，其中，可見(jiàn)光紅外掃描輻射計(jì)（VIRR）擁有10個(gè)光譜通道（各通道光譜性能參數(shù)見(jiàn)表1），光譜范圍為 0.43～12.5μm，星下點(diǎn)分辨率為 1.1km，可用于監(jiān)測(cè)全球云量，判識(shí)云的高度、類(lèi)型和相態(tài)等。FY-3A衛(wèi)星每天過(guò)境兩次，一是在每天早晨，大約在當(dāng)?shù)貢r(shí)間7～9時(shí)，此時(shí)段非常有利于監(jiān)測(cè)晨間大霧；另一時(shí)次為晚上19～22時(shí)。

表1 可見(jiàn)光紅外掃描輻射計(jì)（VIRR）通道性能參數(shù)表

1.2 霧的紋理特征分析

圖 1 中（a），（b）為 2017 年 3月 1日 07 時(shí) FY-3A氣象衛(wèi)星可見(jiàn)光（CH1）和近紅外（CH2）單波段遙感圖像，可見(jiàn)與下墊面背景相比，云霧都表現(xiàn)出較高的反射率，云區(qū)比霧區(qū)反射率要高，在遙感影像上顯現(xiàn)出的亮度也更高。在白天大霧監(jiān)測(cè)中，可將CH1、CH2通道用來(lái)做多通道合成。

在可見(jiàn)光（CH1）圖像上，霧區(qū)表現(xiàn)為霧頂光滑，紋理較均勻，邊緣清晰光滑。霧一般比其他云類(lèi)暗，且亮度變化不明顯。而中高云則更加明亮，亮度變化幅度大，紋理散亂，邊界不規(guī)則。

圖1 2017年3月1日07時(shí)FY－3A單通道圖像（F處為霧區(qū)，C處為云區(qū)）

利用多通道合成原理，把FY-3A衛(wèi)星的長(zhǎng)波紅外（CH4）、近紅外（CH2）和可見(jiàn)光（CH1）通道數(shù)據(jù)分別以紅、綠、藍(lán)生成 RGB 彩色圖（圖 2（a）、（b），見(jiàn)彩頁(yè)）來(lái)監(jiān)測(cè)白天大霧。由于中高云區(qū)的可見(jiàn)光反射率最高，近紅外通道反射也較大，而在長(zhǎng)波紅外輻射最小，因此呈現(xiàn)亮藍(lán)綠色。下墊面在可見(jiàn)光和近紅外上的反射很小，但是它的長(zhǎng)波輻射很大，因此呈現(xiàn)紅或綠色。霧區(qū)在可見(jiàn)光反射率小于中高云，近紅外波段反射也較大，在長(zhǎng)波紅外也有一定的輻射，因此霧區(qū)以淡藍(lán)綠色為主，顏色相比中高云區(qū)平滑。

在FY-3A圖像上，中高云高度變化明顯，其波譜廓線的波動(dòng)較大，云頂凹凸不平，紋理散亂，亮度差異大，且邊界也不像霧區(qū)那么整齊，見(jiàn)圖2a（見(jiàn)彩頁(yè)）。低層云霧則因反射率較低而顏色較暗，且外形上紋理特征不明顯，霧頂紋理光滑均勻，邊界整齊清楚。霧低，受到地形的影響，隨山谷分布特征明顯，見(jiàn)圖 2b（見(jiàn)彩頁(yè)）。

1.3 霧的光譜特征分析

霧是近地面層氣溫低于露點(diǎn)溫度時(shí)，過(guò)飽和的水汽凝結(jié)（或凝華）成水滴（或冰晶）生成的產(chǎn)物［15-16］。霧粒子小而均勻，半徑一般在幾個(gè)μm到幾十個(gè)μm之間，比云粒子小得多。霧粒子的微物理特性顯著影響了霧的光學(xué)特性和大氣能見(jiàn)度，引起云霧輻射特性差異。利用這些差異可在衛(wèi)星影像上區(qū)分霧與其他地物信息，為衛(wèi)星遙感大霧監(jiān)測(cè)提供有效依據(jù)［17］。

霧在可見(jiàn)光通道的反射率一般為0.45～0.6（見(jiàn)圖3），明顯高于植被、水體、土壤等地物，但小于中高云，在可見(jiàn)光圖像上表征出不同的波譜特征。在可見(jiàn)光波段，衛(wèi)星得到的輻射值主要是目標(biāo)物反射太陽(yáng)輻射部分。云有著高反射率，霧區(qū)次之，地物的反射率最小。利用可見(jiàn)光通道可將地物剔除。

在長(zhǎng)波紅外波段，中高云與霧、地物相比具有較高的高度，因此云頂溫度也較霧頂和地物低，其亮溫值也較低。而霧接近地面，它的溫度也相對(duì)接近地面，與中高云比明顯較低，見(jiàn)圖4。利用長(zhǎng)波紅外通道可將中高云剔除。

同時(shí)，在中紅外波段，傳感器得到的輻射值既有目標(biāo)物反射太陽(yáng)輻射部分又有其自身的發(fā)射，而且反射太陽(yáng)輻射占大比例。霧在中紅外波段對(duì)太陽(yáng)的反射要大于云，去除目標(biāo)物自身得到的太陽(yáng)反射部分后，霧區(qū)有著最大的發(fā)射輻射值，這與其微物理參數(shù)有關(guān)。由于溫度上的差異，云區(qū)的發(fā)射輻射值比霧區(qū)要小。那么，霧區(qū)的反射太陽(yáng)輻射較大，且其自身的溫度也高，因此霧區(qū)反演得到的亮溫值要比云區(qū)大，見(jiàn)圖5。

圖3 2017年3月1日（a）、27日（b）FY－3A云、霧及地物CH1（可見(jiàn)光）通道光譜剖面圖

圖4 2017年3月1日（a）、27日（b）FY－3A云、霧及地物CH4（長(zhǎng)波紅外）通道光譜剖面圖

圖5 2017年3月1日（a）、27日（b）FY－3A云、霧及地物CH3（中紅外）通道光譜剖面圖

2 監(jiān)測(cè)實(shí)例分析

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用國(guó)家衛(wèi)星氣象中心的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)分析與遙感應(yīng)用系統(tǒng)（SMART）對(duì)0級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行等角投影、輻射定標(biāo)等處理，將可見(jiàn)光波段灰度值轉(zhuǎn)化為反射率值，紅外波段灰度值轉(zhuǎn)化為亮溫值，同時(shí)利用ENVI地理位置查找表（GLT）方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正，完成數(shù)據(jù)預(yù)處理。

2.2 光譜特征分析

通過(guò)霧在不同通道光譜特征分析，可選擇可見(jiàn)光（CH1）通道（0.58～0.68μm）、中紅外（CH3）通道（3.55～3.93μm）和熱紅外（CH4）通道（10.3～11.3μm）信息，利用閾值法對(duì)大霧進(jìn)行提取。圖3～5即為在數(shù)據(jù)預(yù)處理后的遙感影像上提取云、霧、地物作為感興趣區(qū)所得到的光譜剖面圖，通過(guò)分析不同目標(biāo)物在可見(jiàn)光、中紅外和熱紅外波段的輻射特性差異，確定合適閾值，提取大霧信息。

根據(jù)圖3，在可見(jiàn)光CH1通道處，云有高反射率，霧區(qū)次之，反射率均在0.3以上，地物的反射率最小，在0.3以下，利用這個(gè)特點(diǎn)可以把反射率較小的地物剔除。

在長(zhǎng)波紅外波段，太陽(yáng)輻射的能量很小，云、霧和地物自身的發(fā)射輻射是主要的輻射來(lái)源。根據(jù)圖4，在長(zhǎng)波紅外CH4通道處，云區(qū)的亮溫值最低，在260K以下，霧和地物的亮溫值則在270K以上，利用這個(gè)特點(diǎn)可以把中高云剔除。

低層云與霧的亮溫值差異很小，利用單波段閾值很難進(jìn)行區(qū)分。而由于在CH1可見(jiàn)光波段，云的反射率高于霧區(qū)，而在CH3中紅外波段，霧區(qū)反演出的亮度溫度高于云區(qū)（見(jiàn)圖5），將CH3波段圖像比上CH1波段，霧區(qū)的比值要大于云區(qū)，因此可采用比值指數(shù)RFI（CH3/CH1），將中紅外反射太陽(yáng)輻射和可見(jiàn)光反射率的比值用于進(jìn)一步區(qū)分云霧。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析表明，當(dāng) 6＜（CH3/CH1）＜8 時(shí)，低云和霧的分離效果較好。

2.3 云霧檢測(cè)

決策樹(shù)是遙感圖像分類(lèi)中的一種分層處理結(jié)構(gòu)，可以逐級(jí)分層次地把所研究的目標(biāo)一一區(qū)分、識(shí)別出來(lái)，具有靈活、直觀、運(yùn)算效率高的特點(diǎn)。根據(jù)前面光譜特征分析得到的閾值建立分類(lèi)規(guī)則，得到FY-3A/VIRR白天云霧分離算法流程（圖6），可分離出地物、中高云和低層云，得到大霧信息，見(jiàn)圖7（見(jiàn)彩頁(yè)），圖中黃色行政邊界代表江西省縣界，其中（b）圖黑色為下墊面和云區(qū)，灰色為霧區(qū)。與圖2b（見(jiàn)彩頁(yè)）紋理分析結(jié)果對(duì)比可知，通過(guò)閾值法提取出了絕大部分的大霧，但同時(shí)也有少量云被提取出來(lái)，這主要是由于在一些區(qū)域，霧和中高云、低層云同時(shí)存在，利用閾值法很難從中準(zhǔn)確提取大霧信息。

圖6 FY－3A／VIRR云霧分離算法流程

2.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

表3為2017年3月27日6時(shí)～7時(shí)左右大霧危險(xiǎn)報(bào)。江西省共91個(gè)國(guó)家站，自動(dòng)報(bào)送大霧危險(xiǎn)報(bào)，當(dāng)能見(jiàn)度小于750m、相對(duì)濕度達(dá)80%以上時(shí)發(fā)一次報(bào)，小于500米時(shí)續(xù)發(fā)一次，小于50m時(shí)再續(xù)發(fā)一次。根據(jù)表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，2017年3月27日6時(shí)～7時(shí)前后江西省興國(guó)、定南、廣昌、銅鼓、資溪、永豐等6個(gè)國(guó)家站監(jiān)測(cè)到大霧，在GIS系統(tǒng)疊加分析表明，此6個(gè)站均包含在利用FY-3A數(shù)據(jù)提取的大霧監(jiān)測(cè)結(jié)果中（圖5）。其余地區(qū)由于未達(dá)到能見(jiàn)度小于750m、相對(duì)濕度80%以上，或不在91個(gè)國(guó)家站監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，故未報(bào)送危險(xiǎn)報(bào)。造成誤差的另一個(gè)原因是一些零星霧區(qū)分布在縣市的局部區(qū)域，未能被地面氣象站觀測(cè)到和記錄。

表2 2017年3月27日6～7時(shí)左右大霧危險(xiǎn)報(bào)

3 結(jié)語(yǔ)

從紋理特征、光譜分布特征等方面對(duì)云霧的差異進(jìn)行分析研究，并利用多波段閾值法對(duì)風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行日間大霧信息提取。結(jié)果表明，F(xiàn)Y-3A/VIRR遙感資料對(duì)霧的監(jiān)測(cè)效果較好，可在大霧衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中推廣應(yīng)用。

需要注意的是：（1）有時(shí)霧和中高云、低層云在一些區(qū)域同時(shí)存在，因此利用閾值法很難從中準(zhǔn)確提取大霧信息，這也是該方法的一個(gè)弊端。（2）根據(jù)業(yè)務(wù)經(jīng)驗(yàn)，利用多通道閾值法監(jiān)測(cè)大霧時(shí)，閾值需要根據(jù)遙感資料的時(shí)相差異及影像特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，在使用中要注意閾值選取的動(dòng)態(tài)性，因此尚需進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究來(lái)不斷驗(yàn)證閾值準(zhǔn)確性。（3）本文只對(duì)單日的白天大霧進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與驗(yàn)證，后續(xù)還將利用風(fēng)云三號(hào)系列衛(wèi)星進(jìn)行夜間霧監(jiān)測(cè)方法的研究，并總結(jié)其季節(jié)變化特征，以期在業(yè)務(wù)中推廣使用。

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