利用環境減災二號A/B衛星紅外相機數據監測沙塵暴

張麗娟 張建輝 趙愛梅 翁國慶 楊藝 陳輝 滕佳華 趙少華 王中挺

(生態環境部衛星環境應用中心，北京 100094)

沙塵天氣是在特定的地理環境和下墊面條件下，由特殊的氣象條件形成的一種較為常見的自然現象[1-2]。沙塵天氣會伴隨大量可吸入顆粒物和強大風力，同時會降低沿途的空氣能見度，由此對區域生態環境、人體健康和交通造成的損失難以估計[3-4]。衛星遙感具有大范圍、空間分布連續、經濟效益高等優勢，對于實時動態監測沙塵天氣的起源、傳輸路徑、影響范圍和強度變化等具有重要意義。

隨著衛星遙感技術的不斷發展，國內外學者基于土(Terra)衛星和水(Aqua)衛星的中等分辨率成像光譜儀(MODIS)數據、諾阿(NOAA)衛星甚高分辨率輻射儀(AVHRR)數據、向日葵衛星-8(Himawari-8)數據、微風衛星(Aura)臭氧監測儀(OMI)數據等開展了大量沙塵天氣研究[5-12]。同時，國內自主研發的衛星數據源也越來越豐富，不少專家學者利用風云-4A衛星多通道掃描成像輻射計(AGRI)數據、風云-3A/B衛星可見光紅外掃描輻射計(VIRR)和風云2號衛星數據等對中國沙塵天氣開展了監測方法研究[13-18]。

本文基于中國自主研發的環境減災二號A/B(HJ-2A/B)衛星搭載的紅外相機(IRS)探測數據構建了沙塵遙感監測算法，并結合MODIS遙感監測數據，探索分析了環境HJ-2A/B衛星在沙塵天氣場景的分辨能力，并討論了其在沙塵遙感監測方面的不足，對于提升國產衛星遙感自主應用、減少沙塵領域對國外遙感數據的依賴具有參考意義。

1 研究方法、研究區域與數據來源

1.1 沙塵反演方法

1)云和水體像元識別

云像元的識別也是沙塵遙感觀測中的最為重要的科學問題之一。考慮到與下墊面相比，云一般具有較高的反射同時溫度相對較低的特征，利用紅波段(0.65 μm)、近紅外波段(0.86 μm)的表觀反射率和熱紅外通道的亮度溫度通過閾值方法可以很好的把云檢測出來，即云像元的識別方法為

(ρr+ρn)>Thρ1∪(T12

Thρ2∩(T12

(1)

水體象元的判別條件為

(ρn

其中，NNDVI=(ρn-ρr)/(ρn+ρr)

(2)

式中：ρr和ρn分別表示在紅波段(0.66 μm)和近紅外波段(0.86 μm)的表觀反射率；T12為熱紅外波段(12 μm附近)的亮度溫度；Thρ1、Thρ2和Thρ3分別為表觀反射率判別閾值，本文結合MODIS的真彩圖判識結果分別設為0.9、0.7和0.1；Tht1和Tht2分別為熱紅外波段亮溫判別閾值，本文設為265 K和285 K；NNDVI為歸一化植被指數。同時，為消除云邊緣的影響，將識別出的云像元擴展到周圍5×5個像元。

2)沙塵遙感監測

根據沙塵粒子光譜特征，通常情況下沙塵在可見光及近紅外波段較地表具有較高的反射率，而在紅外波段，懸浮在空中的沙塵粒子溫度通常比地面低。因此，可綜合沙塵粒子在可見光-近紅外波段的高反射和熱紅外波段的低輻射特征，設計不同的判斷閾值可有效將沙塵和地表區分開來。因此在出現沙塵天氣時，可以根據HJ-2A/B衛星紅外相機(IRS)觀測到的11 μm和12 μm波段的亮溫，結合沙塵的紅波段和近紅外波段光譜特征，實現沙塵衛星遙感判別，如圖1所示。

圖1 紅外相機沙塵遙感監測技術路線圖Fig.1 Flowchart of dust remote sensing monitoring based on infrared camera

(1)可見光及近紅外波段沙塵識別

考慮沙塵粒子在可見光波段的反射率高于地表而低于云，結合HJ-2A/B的紅波段對不同地物的反射率，沙塵天氣發生時，紅波段的反射率大于0.3且小于0.5。

ρr>0.3∩ρr≤0.5

(3)

(2)熱紅外波段沙塵識別

根據輻射傳輸理論，在熱紅外波段(10～12 μm)范圍，沙塵的散射和吸收作用隨著波長的增加而逐漸減弱。特別是干燥沙塵對11 μm和12 μm波段輻射有不同的吸收衰減，其中對11 μm波段的衰減略強于12 μm波段，這就使得一般情況下12 μm波段的亮溫略高于11 μm波段，因此可以采用11 μm和12 μm波段衛星傳感器探測的亮溫差來判斷沙塵區域。判斷閾值為

T12-T11>0

(4)

(3)沙塵強度遙感計算

近紅外波段1.6 μm波段由于受大氣分子與微粒氣溶膠的紅外輻射干擾較小，同時對大氣沙塵遙感特征是線性分布的，且穩定性較高。因此，一般可以采用1.6 μm波段的反射率，構建沙塵強度指數為

I=α×exp(β×ρ1.6-1)

(5)

式中：ρ1.6為1.6 μm波段的反射率；α和β為調節因子，可設為10和0.8[19]；I表示沙塵強度，一般當I為1～2時可認為浮塵，2～3為揚沙，3以上為沙塵暴。

1.2 紅外相機研究數據

紅外相機(IRS)是HJ-2A/B衛星的主載荷，具有多譜段、高分辨、大視場、能夠快速重復探測等特點，設計覆蓋了11 μm和12 μm等可用來監測沙塵信息的波段(見表1)。通過雙星組網，監測幅寬超過720 km，衛星有望實現我國及世界范圍內的環境和災害全天時、短重復周期的有效監測預報，為生態環境治理、災后救援重建等工作提供重要科學依據。

表1 紅外相機波段參數信息Table 1 Parameter information of infrared camera

2 結果分析

利用HJ-2A/B衛星紅外相機數據，對我國北方地區的沙塵天氣影響范圍及等級等進行監測分類，采用相近時相的MODIS衛星數據的結果進行比對，評判其紅外相機數據在沙塵分布范圍、強度等級等信息提取方面的應用能力。

2.1 HJ-2A/B衛星對沙塵天氣場景分辨能力

從HJ-2A/B衛星紅外相機數據影像可以看出，影像地物紋理特征明顯、邊界清晰，陸地、沙塵、云、水體不同場景物的差異顯著，有利于開展沙塵天氣遙感識別(圖2)。

圖2 我國北方新疆、內蒙古和蒙古國過交界處地區圖像Fig.2 Color image of Xinjiang, Inner Mongolia of China and Mongolia

2.2 沙塵天氣環境HJ-2A/B衛星監測能力

2021年3月14—19日，我國北方地區發生了一次大范圍沙塵天氣，MODIS對本次沙塵天氣過程進行持續跟蹤監測。14日，蒙古國西北部起沙，我國內蒙古西部及甘肅中部出現沙塵天氣；15日—16日，隨著氣流東移南下，我國北方各省均出現沙塵天氣，局部地區出現沙塵暴；17日—19日，受沙塵回流影響，華北地區又出現了短暫的沙塵天氣。14日—19日國內沙塵影響面積分別為27萬、133萬、116萬、114萬、51萬和117萬平方千米。

選取2021年3月17日HJ-2A/B衛星紅外相機數據，對我國北方局部地區沙塵天氣進行遙感監測，并與MODIS監測結果進行對比分析。選取HJ-2A/B和Terra衛星過境時間較為接近的3月17日13時左右衛星監測數據，其中12時57分過境的HJ-2A/B和13時20分過境的Terra衛星均監測到我國新疆、內蒙古和蒙古國接壤地區發生了一次沙塵暴天氣(圖3)。疊加選取二者監測交集區域，統計對比二者監測結果一致性，以MODIS監測結果為參考，在沙塵天氣地區，IRS與MODIS監測的一致率為57.6%；在非沙塵天氣地區，二者一致率為89.8%，綜合來看二者總體一致率約為81%(見表2)。從沙塵強度等級統計結果來看(圖4)，與MODIS監測結果相比，IRS非沙塵和浮塵監測面積略大于MODIS，揚塵和沙塵暴天氣范圍小于MODIS。總體來看，MODIS和IRS監測沙塵分布范圍基本一致，MODIS監測的沙塵分布范圍略大，沙塵強度也略強。

圖3 2021年3月17日沙塵天氣等級結果提取遙感圖像對比Fig.3 Comparison of dust classification retrievals on March 17，2021

表2 MODIS和IRS沙塵分布監測結果統計對比Table 2 Comparison of dust retrievals between MODIS and IRS

圖4 沙塵各等級分類結果統計對比Fig.4 Comparison of dust classification results at different levels

2.3 沙塵天氣環境二號衛星監測能力

1)單景影像沙塵天氣遙感監測能力

根據本次沙塵過程，選取部分HJ-2A/B衛星數據開展多期監測結果測試(圖5～7)，表明HJ-2A/B衛星相機能有效針對不同場景提取沙塵分布及其強度等級信息。

圖5 2021年3月16日山東黃海等地浮塵天氣結果提取遙感圖像Fig.5 Floating dust retrievals in Shandong and Yellow Sea on March 16, 2021

圖6 2021年3月17日山東河北等地浮塵天氣結果提取遙感圖像Fig.6 Floating dust retrievals in Shandong and Hebei provinces on March 17, 2021

圖7 2021年3月18日內蒙古中部等地浮塵和揚塵天氣結果提取遙感圖像Fig.7 Floating dust retrievals in central Inner Mongolia on March 17, 2021

2)沙塵天氣日變化遙感監測能力

以2021年3月15日為例，對HJ-2A/B衛星沙塵天氣業務監測應用能力進行測試。共檢索到HJ-2A/B衛星紅外相機數據35景，將每一景監測結果與MODIS日監測結果進行疊加對比分析(圖8)。

圖8 我國北方地區沙塵天氣結果提取遙感圖像Fig.8 Remote sensing image extracted from dust results in northern China

從圖8可以看出，HJ-2A/B衛星紅外相機和MODIS數據在新疆西南部、內蒙古西南部、甘肅東部、寧夏北部、陜西北部、河北南部等地均監測到沙塵天氣，但是在我國北方遼寧西北部、河北北部、山西北部、南疆盆地東部等大部分地區MODIS監測到沙塵天氣的地區，IRS未監測到沙塵。這主要是因為HJ-2A/B衛星覆蓋范圍有限且信號強度相對較弱等問題導致部分地區沙塵天氣缺乏有效監測信號或者信號較弱未能識別出沙塵天氣，在沙塵天氣業務化監測應用方面還有待優化改善。

2.4 沙塵天氣HJ-2A/B衛星監測能力

1)數據質量

從HJ-2A/B衛星提取沙塵結果來看，沙塵提取條帶影響較大，導致條帶覆蓋部分提取結果失真，這主要和原始數據質量有關(圖9)。

圖9 2021年3月15日寧夏東部地區IRS11 μm DN值和沙塵天氣結果提取結果Fig.9 DN value of IRS at 11μm and dust results in Eastern Ningxia on March 15, 2021

2)輻射定標

總體來看，與MODIS監測沙塵天氣強度相比，IRS監測的沙塵強度偏弱。這主要是因為熱紅外波段輻射定標精度有待提高，對不同場景差異表現能力偏弱會導致沙塵天氣監測范圍偏小、強度偏弱。

為定量對比分析IRS和MODIS的輻射定標精度監測結果對比情況，選取2021年3月15日新疆南部地區的一副衛星遙感影像，分別計算IRS和MODIS在11 μm附近波段的亮溫(圖10)，將IRS重采樣至1 km與MODIS進行空間疊加，并隨機抽樣選取10 000個像元進行對比分析(圖11)。結果表明，MODIS與IRS在11 μm波段亮溫空間分布基本一致，二者相關系數超過0.98；其中，IRS的11 μm亮溫略高于MODIS，與MODIS相比平均絕對誤差為3.15 K，標準差為24.14 K，較MODIS低0.58 K，說明IRS的亮溫對不同地物差異呈現略弱于MODIS，這與輻射定標密切相關。

圖10 新疆南部地區11 μm波段亮溫計算結果Fig.10 Brightness temperature at 11μm in southern Xinjiang

圖11 IRS和MODIS亮溫計算結果抽樣對比散點圖Fig.11 Comparison of brightness temperature from IRS and MODIS

3 結束語

HJ-2A/B衛星數據整體質量較好，在測試區域內影像較為清晰，可以較為準確地提取沙塵天氣。測試影像能較清晰的呈現陸地、云和沙塵等主要場景的整體輪廓以及結構特征，在提取沙塵天氣遙感監測信息時，能較準確地判識沙塵天氣影響區域，與國際上常用的MODIS結果相比，在沙塵天氣地區，IRS與MODIS監測的一致率為57.6%；在非沙塵天氣地區，二者一致率為89.8%，綜合來看二者總體一致率約為81%，其空間分布規律與參照數據整體吻合，HJ-2A/B衛星IRS具備一定的沙塵遙感監測能力。但是IRS仍存在熱紅外波段條帶噪聲較大、輻射定標精度不高等問題，可能會導致沙塵天氣監測結果范圍偏小、強度偏弱，并且受幅寬、重訪周期等因素限制，HJ-2A/B衛星開展沙塵天氣業務監測應用能力有限，需要開展多星組網觀測以提高其覆蓋度和監測頻次。