GF-5衛星模擬單通道SST反演

崔文杰，李忠，李家國，朱利，張永紅

(1.防災科技學院，河北 廊坊 065000；2.中國科學院遙感與數字地球研究所，北京 100101；3.環境保護部衛星環境應用中心，北京100094)

0 引 言

SST(sea surface temperature)是海洋-大氣之間物質和能量交換的重要參數，對理解海洋生物物理過程具有重要意義[1]。SST測量方法有2種：一種是實地測量；另一種是用遙感手段進行反演。這2種測量方法因測量深度的不同，測量結果有著本質的差異。實測數據是利用海洋浮標或者船只實地在0.3～5 m 不等深度測量得到的水溫，這個溫度叫作“體溫”(bulk temperature)，可以獲取全球或區域實時的、較為精確的表面溫度[2]。采用遙感手段測量的是海水表面小于1 mm厚度的水溫叫作“皮膚溫度”(skin temperature)[3]，與實測數據相比往往偏低。傳統的實測數據很難獲取大面積同步SST，且成本高、速度慢，而熱紅外數據可以快速獲取大面積的SST數據，成本低、速度快、數據更新快，方便進行SST反演[4]。

使用單個通道算法的主要有輻射傳輸算法、單通道物理法、QIN單窗算法、普適性單窗算法[5-7]。輻射傳輸算法是利用大氣輻射傳輸方程模擬出大氣透過率、大氣上下行輻射等參數求出SST，該方法需要獲取實時大氣參數，計算復雜。單通道算法對大氣參數的要求較高[8]，反演的 SST 是海水表層溫度，時空變化適應性強，尤其適用于缺乏浮標數據的海域，其精度在理論上要高于 0.5 K，不過對大氣溫濕廓線和海水比輻射率方向性模型提出了很高的要求[9-11]。李萬彪等[12]進行過單通道物理法反演SST的研究，由于缺少精確的大氣溫濕廓線，對海水比輻射率模型進行了過度簡化，反演 SST的均方根誤差為2.86 K，難以滿足業務化的要求。目前，針對該算法的研究較少。單通道物理算法，主要思想是利用大氣輻射傳輸方程求解 SST。該算法要求對大氣海洋環境參數有較準確的了解，并能對其物理機制及相互間關系進行精確定量化建模。它的優點是時空變化適應性強、精度較高，適用于缺乏浮標數據的海域，但對大氣參數的精度，特別是溫度和濕度廓線[13]的要求較高。周旋等[14]利用像元尺度的大氣廓線，精確計算大氣上行輻射、下行輻射和透過率，然后將這些參數與海水比輻射率代入大氣紅外輻射傳輸方程，求解SST。周旋等[15]定量分析了反演SST的單通道物理法對海水比輻射率、海面風速、海水鹽度、大氣透過率、大氣上下行輻射等參數的敏感性，發現海水比輻射率、大氣透過率對算法精度影響較大，是單通道物理法反演SST的主要誤差來源。單通道物理法需要大量參數，水汽含量等參數隨著時間和空間發生劇烈變化，對SST反演結果造成較大誤差。為了減少對探空數據的依賴性，Qin等[16]提出了一種基于Landsat-5 TM數據的單通道反演算法。該算法只需知道大氣透過率與水汽含量關系、近地表氣溫、大氣平均作用溫度之間的線性關系，而無需知道大氣廓線。文獻[7，17]提出了一種通用型單通道算法，前提是只需知道總的大氣水汽含量和地表發射率。本文采用GF-5衛星熱紅外數據進行JM&S和QIN單通道算法SST的仿真模擬研究，有利于GF-5衛星熱紅外數據SST反演的衛星遙感監測業務化應用。

1 數據來源與方法

GF-5衛星全譜段成像儀在熱紅外8～13 μm譜段范圍內具有4個溫度反演通道(B09為8.01～8.393 μm；B10為8.42～8.833 μm；B11為10.3～11.33 μm；B12為11.4～12.53 μm)，空間分辨率優于40 m的特點，是國內首個具有4個熱紅外通道的衛星，為溫度反演等領域研究提供良好的基礎。本文用大氣廓線數據庫數據作為模擬SST反演基礎。該數據庫共有1 761條大氣廓線，編號1～322為熱帶地區廓線，編號323～1 064為中緯度地區廓線(中緯度夏季廓線388條，中緯度冬季廓線354條)，編號1 065～1 761為極地區廓線。研究選取的是中緯度廓線數據。大氣廓線包含大氣風向、風速、溫度、濕度、經緯度等參數。將大氣廓線數據與GF-5通道響應函數結合MODTRAN 4.0可以模擬出不同條件下所需參數，用于SST的模擬反演。

2 單通道算法修訂

2.1 普適性單通道算法修訂

普適性單通道算法是通過輻射傳輸過程模擬得到大氣上行輻射、大氣下行輻射、大氣透過率，建立大氣影響因子ψ1、ψ2、ψ3與大氣水汽含量w、輻射等效波長λc的關系。對于GF-5的B09、B10、B11、B12 4個熱紅外通道，分別模擬求出全球中緯度夏季(水汽含量較大)、中緯度冬季(水汽含量較低)和中緯度大氣廓線中的參數，得到大氣影響因子ψ1、ψ2、ψ3與大氣水汽含量w的關系，最后通過曲線擬合得到算法估算系數。

普適性單通道算法修訂是從同一發射率不同角度及同一角度不同發射率2個方面進行的。觀測天頂角度不同導致傳感器接收能量不同，大氣影響因子受大氣透過率、大氣上行輻射、大氣下行輻射的影響不同，需要進行不同觀測天頂角條件下的曲線擬合。GF-5傳感器的觀測天頂角偏離基本在20°以內，因此選取角度為0°、5°、10°、15°、20°進行不同角度的普適性單通道算法修訂，發射率選取的是水體發射率0.98[18-19]。同一觀測天頂角不同發射率的大氣水汽含量與大氣影響因子擬合是在垂直觀測條件下進行的，因此選用該角度進行SST的反演。不同海表狀態下發射率也有所不同，本文選取的發射率為0.99、0.98、0.97、0.96、0.95，基本涵蓋所有不同水表狀態。

2.2 QIN單通道算法修訂

1)大氣透過率估算方程修訂。大氣透過率估算方程的修訂是基于TIGR大氣廓線數據，結合MODTRAN 4.0 模擬出的大氣水汽含量ω與大氣透過率τ的線性關系進行修訂。結合GF-5的4個熱紅外通道，分別模擬出在全球中緯度夏季、中緯度冬季和中緯度大氣廓線條件下的不同參數。

2)大氣平均作用溫度估算方程。大氣平均作用溫度Ta估算方程修訂需要確定大氣剖面各層實時氣溫和水汽含量。覃志豪等[20]指出平均作用溫度需要用標準大氣廓線模式和真實海表溫度T0來估算。大氣平均作用溫度是基于全球真實的TIGR數據提取，不受觀測天頂角度和海表發射率的影響，因此大氣平均作用溫度Ta和真實海表溫度T0的擬合同上，用0°觀測天頂角度、發射率0.98為標準。

3)系數a和b的修訂。亮溫和輻亮度關系在不同區間內近似為線性關系，因此劃分不同區間進行線性關系的擬合。系數a、b為B09、B10、B11、B12 4個熱紅外通道在不同的亮溫范圍下得到的通道等效輻亮度與亮溫之間線性關系的系數。根據中緯度地區不同大氣模式下的SST特點，把海表溫度劃分為243.15～293.15 K、293.15～343.15 K、273.15～313.15 K 3個區間，分別應用于中緯度冬季、中緯度夏季和中緯度。

3 修訂結果及精度分析

3.1 JM&S單通道算法修訂結果及精度分析

通過對普適性單通道算法的修訂，在不同角度、發射率為0.98條件下得到SST反演精度結果，如圖1所示。在發射率為0.98時，0°觀測天頂角的反演溫度與真實溫度誤差最小，反演效果最好。其中，在中緯度夏季、冬季和中緯度3種模式下，B11通道反演效果最好，偏差在1.7 K左右。B09通道反演效果最差，偏差在4.5 K左右。B10、B12通道反演效果居中，第12通道結果優于第10通道。普適性單通道算法4個熱紅外通道在中緯度冬季大氣模式反演效果最好，在中緯度大氣模式反演效果較好，在中緯度夏季大氣模式反演效果不好。在中緯度大氣廓線條件下，所有通道的反演精度隨天頂角(從0°到20°)的增大而降低[21]：B09通道的RMSE從5.105 K變化到5.366 K；B10通道的RMSE從3.307 K變化到3.384 K；B11通道的RMSE從1.854 K變化到1.931 K；B12通道的RMSE從2.594 K變化到2.704 K。

圖1 JM&S單通道算法不同大氣模式、不同角度條件下的不同通道的RMSE比較

由上述分析可知，0°觀測天頂角的反演溫度與真實溫度誤差最小，因此選取在0°觀測天頂角、不同發射率條件下的SST反演精度進行分析，結果如圖2所示。在觀測天頂角為0°時，發射率為0.99條件下的反演溫度與真實溫度誤差最小，反演效果最好。發射率為0.99在中緯度夏季、中緯度冬季和中緯度3種模式下，B11通道反演效果最好，偏差在1.2 K左右；B09通道反演效果最差，偏差在4.5 K左右；B10、B12通道反演效果居中，第12通道反演效果優于第10通道。普適性單通道算法4個熱紅外通道在中緯度冬季大氣模式反演效果最好，在中緯度大氣模式反演效果較好，在中緯度夏季大氣模式反演效果較差。在中緯度大氣廓線條件下，所有通道反演精度隨著發射率(從0.95到0.99)的增大而降低[21]：B09通道的RMSE從5.689 K變化到4.908 K；B10通道的RMSE從4.058 K變化到2.922 K；B11通道的RMSE從3.071 K變化到1.473 K；B12通道的RMSE從3.673 K變化到2.269 K。

圖2 JM&S單通道算法不同大氣模式、不同發射率條件下的不同通道的RMSE比較

3.2 QIN單通道算法修訂結果及精度分析

通過對QIN單通道算法的修訂，在不同角度、發射率為0.98條件下得到SST反演精度結果，如圖3所示。在發射率為0.98、0°觀測天頂角條件下的反演溫度與真實溫度誤差最小，反演效果最好。在4個熱紅外通道的中緯度夏季、中緯度冬季和中緯度3種模式下，B11通道反演效果最好，偏差在0.8 K左右；B09通道反演效果最差，偏差在3 K左右；B10、B12通道反演效果居中，第12通道反演效果優于第10通道。QIN單通道算法4個熱紅外通道在中緯度冬季大氣模式下反演效果最好，在中緯度大氣模式反演效果好，在中緯度夏季大氣模式下反演效果較差。在中緯度大氣廓線條件下，所有通道的反演精度隨天頂角(從0°到20°)的增大而降低：B09通道的RMSE從3.475 K變化到3.832 K；B10通道的RMSE從1.938 K變化到1.955 K；B11通道的RMSE從0.842 K變化到0.872 K；B12通道的RMSE從0.996 K變化到1.029 K。

圖3 QIN單通道算法不同大氣模式、不同角度條件下的不同通道的RMSE比較

由上述分析知，0°觀測天頂角的反演溫度與真實溫度誤差最小，因此選取在0°觀測天頂角、不同發射率條件下的SST反演精度進行分析，結果如圖4所示。在觀測天頂角為0°時，發射率為0.99條件下的反演溫度與真實溫度誤差最小，反演效果最好。發射率為0.99時在中緯度夏季、中緯度冬季和中緯度3種模式下，B11通道反演效果最好，偏差在0.5 K左右；B09通道反演效果最差，偏差在3.5 K左右；B10、B12通道反演效果居中，第12通道反演效果優于第10通道。QIN單通道算法4個熱紅外通道在中緯度冬季大氣模式反演效果最好，在中緯度大氣模式反演效果好，在中緯度夏季大氣模式反演效果不好。中緯度大氣廓線條件下，所有通道反演精度隨著發射率(從0.95到0.99)的增大而降低：B09通道的RMSE從4.295 K變化到3.216 K；B10通道的RMSE從2.757 K變化到1.494 K；B11通道的RMSE從2.080 K變化到0.478 K；B12通道的RMSE從2.242 K變化到0.598 K。

圖4 QIN單通道算法不同大氣模式、不同發射率條件下的不同通道的RMSE比較

4 二次修訂及結果評價

4.1 二次修訂

利用單通道算法進行溫度反演，反演精度較低，因此本文以觀測天頂角度0°(誤差最小)和海水發射率0.98條件下進行反演溫度結果的二次修訂。具體如下。

利用式(1)、式(2)將擬合線盡量矯正到標準線上。理想的反演溫度算法公式為式(1)。擬合的反演溫度算法公式為式(2)。

y1=x

(1)

y2=ax+b

(2)

式中：yi代表反演溫度；x代表真實溫度。

為了將誤差降到最小，需要讓反演溫度盡量靠近真實溫度，因此需要將反演溫度進行推導。標準的反演溫度算法公式如式(3)所示。推導的反演溫度算法公式如式(4)所示。

x=y1

(3)

(4)

推導系數a和b由兩通道劈窗算法真實溫度與模擬反演溫度擬合得出，具體數值見表1和表2。

表1 JM&S單通道算法真實溫度與反演溫度擬合系數

表2 QIN算法真實溫度與反演溫度擬合系數

4.2 結果評價

將JM&S單通道算法、QIN單通道算法分別利用公式法進行二次修訂，得到最終反演值與SST真實值誤差統計分析結果(表3、表4)。可以看出，經過二次修訂后，反演結果誤差明顯減小，且不同大氣模式下不同通道的算法反演誤差基本在1 K以內，二次修訂有效。

表3 JM&S算法公式法二次修訂后的誤差分析匯總

表4 QIN算法公式法二次修訂后的誤差分析匯總

5 結束語

本文基于GF-5衛星4個熱紅外通道的通道響應函數與TIGR大氣探空數據，結合MODTRAN 4.0做了SST單通道算法的模擬反演研究。結果表明，JM&S單通道算法反演精度小于QIN單通道算法反演精度。JM&S單通道算法受水汽含量影響較大，且需要的參數較多，反演精度較低；QIN單通道算法由于大氣平均作用溫度的經驗公式推導增加了算法誤差。這2種算法在不同條件下的反演誤差規律一致。在相同的觀測天頂角和發射率條件下，夏季大氣模式下的反演精度低于中緯度大氣模式下的反演精度，中緯度大氣模式下的反演精度低于冬季大氣模式下的反演精度。2種算法誤差隨著觀測天頂角的增大而增大，隨著發射率的增大而減小。由于JM&S和QIN單通道算法的反演誤差較大，因此進行了二次修訂。修訂后反演精度明顯提高，誤差在1 K以內。因此，二次修訂后的單通道算法可以用于SST的反演。