海洋上空云多角度偏振輻射閾值檢測方法研究

王佳佳,孫曉兵,提汝芳,余海嘯

(1中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所,中國科學院通用光學定標與表征技術重點實驗室,安徽 合肥 230031;2中國科學技術大學,安徽 合肥 230026)

0 引言

云覆蓋了60%以上的地球表面[1],在地氣輻射平衡過程中起著重要的作用,一方面,云以向后散射的方式反射一部分太陽短波輻射,另一方面,以長波的形式向外發(fā)射輻射[2]。除此之外,云通過調節(jié)水文循環(huán)的方式影響大氣降水,云和大氣潛在的熱量交換影響大氣環(huán)流[3],云量的微小變化或垂直分布的變化都可能會對地球的能量收支產(chǎn)生重大影響[1]。研究云量變化不但可以幫助發(fā)現(xiàn)危險的氣候現(xiàn)象,而且可以跟蹤氣象條件的變化[4]。

衛(wèi)星遙感可以全天候、大范圍監(jiān)測云的時空變化,云檢測是衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)處理中的首要關鍵部分。目前,基于遙感圖像的云檢測方法主要有閾值法,紋理特征和空間特性法、統(tǒng)計學方法等。光譜閾值法主要有固定閾值法[5,6]、動態(tài)閾值法[7]和多波段組合閾值法[8]等。紋理特征法[9,10]主要是利云和其他地物圖像的紋理特征及空間信息特征的差異進行的云檢測算法。統(tǒng)計學方法[11,12]是通過統(tǒng)計大量具有云和其他地物信息特征的樣本庫,構建云檢測公式或基于神經(jīng)網(wǎng)絡、深度學習等機器學習方法對樣本信息進行學習和訓練來達到云檢測的作用。

針對閾值的云檢測方法在不斷改進中,對于大多數(shù)的光譜數(shù)據(jù)來說,往往是使用輻射強度信息進行云檢測,而利用DPC數(shù)據(jù)的多角度偏振輻射特性可以實現(xiàn)多角度判別,并且利用偏振對單次散射敏感可以很好地區(qū)分水云像元。針對海洋上空的云檢測往往是將耀光區(qū)域剔除[13],并不檢測耀光區(qū)域上空的云。然而,在研究海洋上空云物理特性和氣溶膠特性時,耀光區(qū)域的云也有重要的影響。利用云的偏振特性可以檢測出耀光區(qū)域的云像元。

POLDER3是法國國家空間研究中心(CNES)研制的3顆POLDER載荷系列之一,具有多角度、多波段偏振的探測功能,主要用于研究大氣氣溶膠、云、水汽和地-氣輻射收支。POLDER3于2004年12月一直持續(xù)運行到2013年12月,獲取了大量的觀測數(shù)據(jù)。

搭載在我國高分五號衛(wèi)星上的大氣氣溶膠多角度偏振探測(Directional polarimetric camera,DPC)于2018年5月成功開機,并下傳數(shù)據(jù)。DPC的波段設置與POLDER3/PARASOL類似,主要為443～910 nm范圍內的八個工作譜段,其中490、670、865 nm為偏振波段,多角度成像數(shù)量大于9個,星下點空間分辨率約為3.29 km。與POLDER3相比,DPC擁有更高的分辨率,檢測云的效率更高。

DPC的主要任務是獲取全球大氣氣溶膠和云特性參數(shù),可用于海洋和陸地的觀測。有效的云檢測是進行云特性參數(shù)反演和海洋水色反演的前提?；贒PC多角度偏振輻射信息設計了一套針對海洋上空的云檢測算法,利用云的反射率和偏振輻射特性進行閾值檢驗,分別對海洋耀光區(qū)域和非耀光區(qū)域進行云檢測。

1 數(shù)據(jù)和方法

云檢測是進行云微物理特性研究和大氣氣溶膠特性反演的前提,在DPC產(chǎn)品中云檢測是不可缺少的一個環(huán)節(jié),接下來介紹DPC的主要技術參數(shù),再分析云檢測算法。

1.1 POLDER3和DPC數(shù)據(jù)

大氣氣溶膠多角度偏振探測儀(DPC)波段設置和功能與POLDER3相似,主要功能和任務是獲取大氣層頂?shù)亩嗖ǘ?、多角度偏振輻射反射信?用以開展大氣氣溶膠、云的光學和物理特性研究,也可以進行海洋水體觀測,為全球氣候變化和大氣環(huán)境監(jiān)測提供遙感數(shù)據(jù)支撐和保障。由于POLDER3和DPC相似的儀器特性,因而利用POLDER3數(shù)據(jù)和其官方云檢測產(chǎn)品驗證云檢測算法的有效性。DPC和POLDER3儀器的主要技術參數(shù)見表1。

表1 DPC和POLDER3主要技術參數(shù)對比Table 1 The comparison of main technical parameters of DPC and POLDER3

DPC采用512×512面陣CCD作為探測器,以實現(xiàn)大視場和多角度觀測成像,空間分辨率約為3.29 km,和POLDER3相比有更高的精度。DPC有海洋模式和陸地模式兩種工作方式,可在軌切換。

1.2 海洋上空云檢測算法

非偏振的太陽直射光經(jīng)過大氣分子、氣溶膠和地物等的散射或反射后偏振態(tài)會發(fā)生改變,通常用邦加球法、瓊斯矢量和斯托克斯矢量來表征偏振態(tài)。由于斯托克斯四個矢量都有光強特征,偏振遙感儀器探測不同偏振方向的光強,通過穆勒矩陣和斯托克斯矢量的方法可以研究入射光的偏振特性。文中采用斯托克斯參量(I、Q、U、V)來描述偏振光,其中,I為強度分量,Q、U、V是偏振分量,圓偏振分量V在自然界中存在極少,可以忽略。

為了描述地-氣系統(tǒng)對直射太陽光的反射特性,定義歸一化反射率為R,歸一化的偏振反射率為RP。二者的計算公式分別為

式中:L表示輻亮度,μs表示太陽天頂角余弦,E表示大氣層頂太陽輻照度,RP表示歸一化的偏振反射率,Q表示平行或垂直于參考平面的線偏振的強度,U表示與參考平面成45°角的線偏振的強度。

定義線偏振度P為

海洋水體和云的光譜反射率差異較大[14],在865 nm波段海水的反射率通常低于5%,而云在此波段的反射率普遍高于50%,因此將該波段作為云檢測算法的主要波段。根據(jù)菲涅爾反射定律,水體在入射光滿足布儒斯特入射角條件時,反射光的偏振度接近于1。受海面上空風的影響,海面通常不是平靜的水面,粗糙的海面可以分解為滿足一定概率分布的微小鏡面元,在一定角度范圍的反射率很高,且線偏振度峰值可達0.7～0.9[15,16]。而云的線偏振度相對較弱,因此可以利用耀光的偏振特性進行海洋耀光區(qū)域上空的云檢測。海洋非耀光區(qū)域在近紅外波段的反射率較低,而云反射率比較高,利用二者反射率的差異,可以檢測出云像元。

1.2.1 多角度海洋耀光和云檢測

DPC可以獲取9個觀測角度數(shù)據(jù),同一個目標像元在不同觀測角度的海洋耀光檢測和云檢測結果可能有差異。海洋耀光是由于太陽光從特定角度照射到海洋表面形成的,有耀光的區(qū)域在某個觀測角度可能沒有耀光,利用多角度可以對耀光區(qū)域不同角度的數(shù)據(jù)分別用有耀光和沒有耀光的方法進行云檢測,最后對不同角度的像元進行空間融合可以提高云檢測結果的精度。在云檢測過程中,通過遍歷9個角度檢測海洋上空的云。

1.2.2 海洋耀光區(qū)域判識

海洋耀光是由海洋表面的鏡面反射形成的[17]亮海表,常規(guī)的云檢測算法是針對暗海表的,當有海洋耀光時,容易將其誤判為云,因此海洋上空的云檢測首先需要通過耀光角判別法區(qū)分耀光區(qū)域和非耀光區(qū)域,針對耀光區(qū)域采用偏振度閾值進行云檢測。耀光角的定義[18]為

式中:θs、θv、φ分別是太陽天頂角、觀測天頂角、相對方位角。利用耀光角的經(jīng)驗值判斷是否為耀光像元。

在某些角度,太陽光照在海洋表面經(jīng)過多次菲涅爾反射形成海洋耀光,海洋耀光具有強偏振的特點,而云的多次散射減弱了偏振信息,云的偏振度小于海洋耀光,因此可以利用偏振度進行海洋耀光上空的云檢測。

1.2.3 晴空反射率閾值云檢測

式中:R865是像元在865 nm波段的反射率,是像元在865 nm波段的晴空反射率,ΔR1和ΔR2為閾值,式(5)中大于ΔR1的像元為云像元,式(6)中小于ΔR2的像元為晴空像元。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)可知,非耀光區(qū)域的海表在865 nm波段的反射率大約為0.6%,利用海洋上空目標像元和晴空像元的反射率差異進行云檢測。對于海洋上空,晴空反射率可以通過輻射傳輸模擬來獲得,海表反射模型采用Cox-Munk粗糙海面模型[19]。

1.2.4 近紅外/可見光反射率比值晴空像元檢測

式中:T是晴空像元閾值,通常T取0.7。

云在865 nm和670 nm波段的反射率比值接近于1,而晴空海表的反射率比值小于閾值T[14]。所以,目標像元的比值小于T時為晴空像元,大于T時為未定像元。利用此特性可以檢測出晴空像元。

1.2.5 云檢測算法流程

綜合上述云檢測原理,提出了針對海洋上空云的多角度偏振輻射閾值檢測算法,算法流程如圖1所示。

圖1 基于多角度偏振輻射信息的海洋上空云檢測算法流程圖Fig.1 Flowchart of cloud detection algorithm over the ocean based on multi-angle polarization radiation information

海洋上空的云檢測算法流程如下:

第一步:輸入多角度偏振輻射的DPC數(shù)據(jù),根據(jù)海陸標識選擇下墊面為海洋的像元,進行多角度檢測。

第二步:根據(jù)耀光角大小判斷是否為海洋耀光,MODIS[18]的數(shù)據(jù)是依據(jù)40°的耀光角去除耀光,POLDER3[20]在業(yè)務化處理時采用30°經(jīng)驗值判別,在應用到DPC數(shù)據(jù)時,發(fā)現(xiàn)用30°的耀光角作為閾值是比較合適的。耀光角大于30°的區(qū)域標記為非耀光區(qū)域,小于等于30°的區(qū)域標記為耀光區(qū)域。

第三步:對非耀光區(qū)域進行云檢測。1)反射率檢驗,根據(jù)DPC自身的儀器特性,將與晴空反射率差值大于ΔR1的像元標記為云像元,將與晴空反射率差閾值小于ΔR2的像元標記為晴空像元。反射率檢驗可以檢測出反射率特別大的云像元和反射率特別小的晴空像元;2)對反射率檢驗識別不出來的像元進行偏振反射率檢驗,當135°<γ<150°并且偏振反射率大于0.02時將像元標記為云像元;3)對剩下的未標記像元,利用近紅外反射率和可見光反射率比值檢測晴空像元,當目標像元在波長分別為865 nm和670 nm的反射率比值小于0.7時,標記為晴空像元,否則是未定像元。

第四步:對耀光區(qū)域進行云檢測。由于云層的多次散射有退偏作用,云像元的線偏振度較小目標像元的偏振度小于閾值時標記為云像元,否則標記為晴空像元。

第五步:輸出多角度云檢測結果。多角度云檢測貫穿在全部云檢測算法中,當一個角度的檢測結果為云就標記為云像元,當所有角度的檢測結果都不是云時,有一個角度的目標像元檢測結果為晴空就標記為晴空像元,剩下的是未定像元,最后輸出結果。

2 數(shù)據(jù)分析

基于上述云檢測算法,利用POLDER3數(shù)據(jù)進行云檢測,將云檢測結果與POLDER3的官方云檢測結果進行對比,驗證算法的可行性。對DPC數(shù)據(jù)進行了云檢測,用時空匹配的MODIS云掩膜產(chǎn)品作為驗證數(shù)據(jù)。

2.1 云檢測算法驗證

POLDER3官方的云檢測算法主要是基于反射率閾值、表觀壓強和云的偏振特性等來進行云檢測,早期的POLDER3數(shù)據(jù)通過了大型云層表面觀測數(shù)據(jù)集的驗證[21]。POLDER3運行到2013年,其業(yè)務化產(chǎn)品也使用了很長時間,因此用上述云檢測算法對POLDER3數(shù)據(jù)進行海洋上空云檢測,并與其官方云檢測產(chǎn)品進行對比來驗證云檢測算法的有效性。

以POLDER3 2012年12月24日一軌海洋上空數(shù)據(jù)為例,選定區(qū)域范圍54°N～?70°S,?12°W～22°E。一致的像元標為100,多檢的像元標為0,漏檢的像元標為50,如圖2所示。從圖2(d)可以看出,本研究算法和POLDER3算法都判為“有云”的像元標記為100;云檢測算法判為“有云”,POLDER3算法判為“無云”的像元標記為50;云檢測算法判為“無云”,POLDER3算法判為“有云”的像元標記為0,兩者算法都認為“無云”的像元不統(tǒng)計在內,都統(tǒng)計為“有云”的像元占統(tǒng)計像元的比例為90.40%,即兩者的云檢測一致性為90.40%,驗證了算法的可靠性。

圖2 2012年12月24日大西洋上空云檢測算法可靠性驗證。(a)POLDER3數(shù)據(jù)的真彩圖;(b)云檢測算法結果;(c)POLDER3官方的云檢測結果;(d)云識別結果與POLDER3的結果對比Fig.2 The reliability verification of the cloud detection algorithm over the Atlantic Ocean on December 24,2012.(a)True color picture of POLDER3 data,(b)the recognition result of the algorithm in this paper,(c)official cloud detection results of POLDER3 data,(d)the comparison of the cloud recognition result of the algorithm and POLDER3

2.2 DPC數(shù)據(jù)云檢測結果和分析

基于多角度偏振輻射閾值云檢測算法,針對DPC數(shù)據(jù)進行了云檢測。以印度洋和大西洋上空為試驗區(qū)域進行了云檢測,與MODIS的云掩膜產(chǎn)品進行比較驗證。

2018年8月16 日以印度洋上空為試驗區(qū)域進行云檢測,目標區(qū)域范圍在20°N～?40°N,70°E～110°E之間,實驗區(qū)域的云檢測結果如圖3所示。圖3(b)是2018年8月16日,基于DPC數(shù)據(jù)在印度洋上空的云檢測結果圖。比較DPC的云檢測結果和真彩圖,可以看出非耀光區(qū)域的云輪廓比較一致,耀光區(qū)域的云也可以檢測出來。圖3(c)的紅框區(qū)域是MODIS和DPC云檢測結果中經(jīng)緯度相同的區(qū)域,將圖3(b)中標識1、2、3的云分別和圖3(c)中標識1、2、3的云作比較,可以看出標識1、標識2和標識3的云輪廓非常相似。

圖3 2018年8月16日印度洋上空的DPC、MODIS云檢測結果及對比分析。(a)DPC真彩圖;(b)DPC云檢測結果圖;(c)MODIS云掩膜產(chǎn)品圖Fig.3 DPC and MODIS cloud detection results and comparative analysis over the Indian Ocean on August 16,2018.(a)True color image of DPC,(b)cloud detection results image of DPC,(c)cloud mask product image of MODIS

考慮到MODIS和DPC的成像方式不同以及云的移動等問題,選取圖3(b)和圖3(c)標記1的區(qū)域進行云檢測結果對比驗證。對MODIS和DPC的云檢測結果進行像元融合和空間匹配,都統(tǒng)計為“有云”的像元占統(tǒng)計像元的比例為91.39%,即云像元檢測的一致性為91.39%。

2018年5月16 日以大西洋上空為試驗區(qū)域進行云檢測,目標區(qū)域范圍50°N～40°S,180°W～100°W。圖4(b)是基于上述云檢測算法的結果,圖4(c)是與DPC成像時間相近區(qū)域相同的MODIS云掩膜產(chǎn)品。將圖4(b)中標識1、2、3、4部分的云檢測結果分別對應于圖4(c)中標識1、2、3、4處,可以看出兩圖中對應標識的部分云輪廓相似,云檢測結果相似。考慮到海洋上風速風向的影響,云的位置可能稍微有移動,可以認為DPC云檢測結果和成像時間相近區(qū)域相同的MODIS云掩膜產(chǎn)品一致。選取圖4(b)和圖4(c)中標記1區(qū)域的云檢測結果進行對比驗證,對MODIS和DPC的云檢測結果進行像元融合和空間匹配,云像元檢測的一致性為94.73%,MODIS的云檢測結果和DPC的比較相近,驗證了DPC云檢測結果。

圖4 2018年5月16日大西洋上空的DPC、MODIS云檢測結果及其對比分析。(a)DPC真彩圖;(b)DPC云檢測結果圖;(c)MODIS的云掩膜圖像Fig.4 DPC and MODIS cloud detection results and their comparative analysis over the Atlantic Ocean on May 16,2018.(a)True color image of DPC,(b)cloud detection results image of DPC,(c)cloud mask image of MODIS

3 結論

基于DPC多角度偏振輻射信息,提出了識別海洋耀光、晴空、耀光區(qū)域和非耀光區(qū)域的云檢測算法。用POLDER3數(shù)據(jù)和官方云檢測產(chǎn)品驗證了算法的有效性,云檢測一致性達到90.40%。利用DPC多角度偏振輻射信息對印度洋和大西洋上空進行了云檢測試驗,試驗結果和成像時間較為一致的MODIS云掩膜產(chǎn)品作比較,經(jīng)過有特征區(qū)域的評估,DPC和MODIS的云檢測結果比較一致,選取區(qū)域的云檢測一致性分別為91.39%和94.73%,說明該云檢測算法適用于DPC數(shù)據(jù)的云檢測,為DPC的全球云性質參數(shù)反演提供了可靠的云檢測算法。