利用環(huán)境一號衛(wèi)星熱紅外影像反演渤海海表溫度

余曉磊，巫兆聰

（武漢大學 遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079）

利用環(huán)境一號衛(wèi)星熱紅外影像反演渤海海表溫度

余曉磊，巫兆聰

（武漢大學 遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079）

針對環(huán)境衛(wèi)星熱紅外遙感影像，結合美國環(huán)境預報中心(NCEP）再分析數(shù)據(jù)，運用覃志豪單窗算法（MW），修訂了該算法的主要參數(shù)計算公式，建立了反演海洋表面溫度的流程。利用2009年10月4日渤海上空的熱紅外遙感影像進行反演試驗，同時對比反演結果和美國中等分辨率成像光譜儀（MODIS）的海表溫度產品（MOD28）之間的差異。結果表明，反演得到海表溫度的空間分布趨近一致，與MOD28相比相對誤差在5%左右，具有良好的相關性。

環(huán)境一號衛(wèi)星；海表溫度反演；單通道算法；MODTRAN；MODIS；MOD28

海洋表面溫度（SST）是研究海洋表面海-空水汽和熱量交換的一個重要物理參量，它同時還影響著海洋生物的生長、繁殖和分布特征以及各類的海洋環(huán)境要素[1]。渤海作為我國的內海，具有豐富優(yōu)質的漁業(yè)、港口、石油、景觀和海鹽資源，其水溫變化受北方大陸性氣候影響。隨著海洋資源的開發(fā)利用活動，渤海的資源和生態(tài)環(huán)境受到了較大的破壞。渤海環(huán)境質量不斷惡化，主要表現(xiàn)于海岸帶污染明顯、污染范圍擴大、生態(tài)系統(tǒng)弱化、生態(tài)環(huán)境退化、赤潮、富營養(yǎng)化等[2]。因此，監(jiān)測渤海海面溫度成為迫切必要的任務。傳統(tǒng)實地測量的方法無法滿足大面積實時監(jiān)測海溫的需要，遙感技術可以大面積重復觀測海洋表面，為反演海表溫度提供了便利[3,13]。

環(huán)境一號衛(wèi)星（HJ-1）是我國2008年9月6日發(fā)射的專門用于環(huán)境和災害監(jiān)測預報的小衛(wèi)星星座，它由兩顆衛(wèi)星組成（HJ-1A和HJ-1B）。其中HJ-1B搭載的紅外相機（IRS）可以完成對地幅寬為720 km、地面像元分辨率為150 m/300 m、近短中長4個光譜譜段的成像，重復周期4 d（表1）。其熱紅外波段與Landsat-TM6號波段相仿。

本文利用IRS影像的熱紅外波段（IRS8），采用覃志豪單窗算法（MW）反演渤海海表溫度，修正了主要參數(shù)，針對反演所需的大氣平均作用溫度以及大氣柱狀水汽含量不易實時獲取的問題，嘗試采用美國環(huán)境預報中心(NCEP）再分析數(shù)據(jù)進行對偶克里金（Kriging）插值。同時將反演結果和中等分辨率成像光譜儀（MODIS）的 MOD28（SST）產品，進行了比較。結果表明，反演的海表溫度同MOD28相比，相對誤差5%左右，而利用環(huán)境星影像反演溫度的動態(tài)范圍比MODIS影像反演的要大，且其空間分布趨近一致。說明利用環(huán)境衛(wèi)星監(jiān)測海表溫度具有廣闊的應用前景。

表1 HJ-1B有效載荷參數(shù)

1 反演算法

1.1 單窗算法及其修訂

對于遙感影像熱紅外波段（10.5～12.5 μm），假設海洋表面和大氣對熱輻射的傳導有朗伯體特性，則按照輻射傳輸方程，傳感器接收到的熱紅外輻射亮度可以表示為[4]：

式中：Bsensor,λ表示傳感器接收到的熱紅外輻射亮度；Batm↑表示大氣上行輻射亮度；Latm↓表示大氣下行輻射亮度；ελ表示海表在熱紅外波段的發(fā)射率，一般在無浪的情況下可認為是 0.98[5,13]；τλ表示大氣在熱紅外波段的大氣透射率；Bλ（Ts）表示海表自身的輻射亮度，其中Ts表示海表溫度。同時根據(jù)輻亮度定義以及普朗克公式有[5]：

式中：c為光速；h為普朗克常數(shù)；k為波爾茲曼常數(shù)，c1=2πhc2=3.741 8×10-16W·m2，c2=hc/k=1.438 8×104μm·K。

考慮大氣上行輻射亮度與下行輻射亮度大致相等的條件下，式（1）可以簡化為[6]：

式中：Ta表示大氣平均作用溫度。

覃志豪等通過對輻射傳輸方程線性展開，針對TM6影像，建立了適用于熱紅外通道（10.5～12.5 μm）反演溫度的單窗算法（Mono-Window Algorithm）[6-7]：

式中：C=ελ·τλ，D=（1-τλ）[1+τλ（1-ελ）]，覃志豪等在 MW算法中對普朗克公式（式3）在地球表面的溫度范圍內（0℃～70℃）按照泰勒級數(shù)線性展開，并據(jù)此定義溫度參數(shù)L：

發(fā)現(xiàn)參數(shù)L與溫度T有很好的線性關系，根據(jù)這一關系建立L于T之間的聯(lián)系（如式7），對于HJ-1B衛(wèi)星的IRS8波段的 a，b 為回歸系數(shù)，依據(jù)式（3）,（6）,（7），當海表溫度在-2℃～70℃之間時，a=-68.690 7，b=0.586 6，如圖 1 所示，相關系數(shù)的平方為0.999 8，RMSE=0.223 4。

圖1 參數(shù)L隨溫度T變化關系圖

對于大氣平均作用溫度Ta，利用MODTRAN4輻射傳輸模型中自帶的美國1976標準大氣、熱帶大氣、中緯度夏季大氣和中緯度冬季大氣的大氣剖面參數(shù)，并根據(jù)Ta的近似計算公式[6-7,15]：

式中：m為大氣剖面層數(shù)；Tz為每層大氣溫度；w為水汽總含量；w（z）為每層大氣水汽含量；Rw（z）為每層水汽占總含量之比，且

其中：T0為近地表溫度；Rt(z)為逐層大氣溫度隨高度變化的比率。依照式（8）～式（9）并集合常見大氣剖面數(shù)據(jù)可得表2，以計算大氣平均作用溫度Ta。

表2 IRS8通道大氣平均作用溫度計算表

對于熱紅外波段的大氣透射率τλ，通過分析整理大連探空站 （38°57′43″N～121°25′05″N）2008 年 9 月 1 日—2008 年10月31日的大氣探空數(shù)據(jù)，運用大氣輻射傳輸計算程序MODTRAN4結合IRS8通道的光譜響應函數(shù)（如圖2）模擬其同大氣柱狀水汽含量w的關系后，有以下線性近似關系[7,15]：

相關系數(shù)的平方為0.976 8，RMSE=0.003 4。

1.2 NCEP再分析數(shù)據(jù)的Kriging插值

如前所述，用單窗算法反演海表溫度，需要獲取近地表的大氣溫度和大氣柱狀水蒸氣含量數(shù)據(jù)。對于海洋地區(qū)，其上空的無線電探空資料有限，無法滿足實時反演的需要。美國國家環(huán)境預報中心（NCEP）和國家大氣研究中心（NCAR）聯(lián)合執(zhí)行的全球大氣資料再分析計劃,通過收集全球無線電測風資料、綜合海氣資料(COADS)、飛機觀測資料、陸面天氣觀測資料、衛(wèi)星探測資料、微波特殊探測/圖像(SSM/I)資料和衛(wèi)星觀測風(云的移動)資料等一系列數(shù)據(jù)，利用巨型計算機進行數(shù)據(jù)同化（Data Assimilation），并對外發(fā)布每日逐6 h再分析資料集[8]。數(shù)據(jù)集為全球1°×1°經緯格網點處的位勢高度、溫度廓線、濕度廓線、氣壓廓線和太陽輻射通量等數(shù)據(jù)。

本文利用NCEP分析數(shù)據(jù)，獲取渤海上空4個格網點的近地表溫度和大氣柱狀水汽含量，同時采用對偶Kriging插值[9]，以獲取每個象元對應近地表溫度和大氣柱狀水蒸汽含量值。

2 算法實現(xiàn)

2.1 環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)預處理

通過中國資源衛(wèi)星應用中心獲取了2009年10月4日過境的HJ-1B紅外相機（IRS）二級影像，掃描時間為 5：34（UTC） 截取了覆蓋范圍為 37°06′08″N～40°11′08″N，117°45′04″E～121°53′49″E 的渤海上空的子影像。以 1：50 000 的基礎地形圖為基準采用三次多項式模型，雙線性內插采樣方法對原始衛(wèi)星影像進行了幾何糾正，糾正后的圖像以WGS-84橢球為參考，投影方式為UTM投影，糾正精度在0.3個像元以內。將幾何糾正后的影像進行云掩模和海陸淹沒運算，只保留海表像元。

在反演海表溫度之前需要把影像中每個像元的數(shù)字灰度值（DN）轉換為亮度溫度。首先根據(jù)資源衛(wèi)星應用中心提供的定標公式和定標系數(shù)，將DN值轉換為輻射能量強度，定標公式：

對于HJ-1B的IRS8波段，式中b=-25.441為偏移量，a=59.421（DN/W·m-2·sr-1·μm-1）為增益，DN 為數(shù)字灰度值。

根據(jù)式（3）可以推導得：

式中：K1=2hc2/λ5（W·m-2·sr-1·μm-1），K2=hc/kλ（K），其中λ為IRS8波段的等效中心波長，按資源衛(wèi)星應用中心提供的 IRS8 波段響應函數(shù)（如圖 2），同時依照式（13）[5]，計算等效中心波長：

其中 f（λ）為 IRS6波段的光譜響應函數(shù)，λmax與 λmin為光譜波段范圍，由此可以計算出λc=11.494 8 μm，則：

2.2 海溫（SST）反演流程

海溫反演流程如圖3所示：

圖2 HJ-1B IRS8波段光譜響應曲線

圖3 HJ-1B IRS8波段反演海表溫度（SST）流程

3 結果分析

3.1 中等分辨率成像光譜儀（MODIS）反演海表溫度算法簡介

中等分辨率成像光譜儀（MODIS）作為美國對地觀測系統(tǒng)（EOS）中的主要傳感器搭載在TERRA和AQUAR衛(wèi)星上，可以每天兩次獲取全球任意地點的影像數(shù)據(jù)，其中的31號（中心波長 11.03 μm），32 號波段 （中心波長 12.202 μm），類似于NOVAA衛(wèi)星AVHRR傳感器的4、5號波段，處于大氣的熱紅外窗口，受到太陽光反射的影響微弱，且對于水汽的吸收作用不同，可以用來校正水汽吸收的影響，其反演海表溫度（SST）采用分裂窗口算法[10]。NASA下屬的海洋水色工作組，將海表溫度（SST）作為 MODIS的二級產品（MOD28）對外分發(fā)[11]，經過長期的大洋浮標數(shù)據(jù)以及船舶報數(shù)據(jù)的驗證表明，其精度為 0.053℃～0.66℃[10-11]。

3.2 環(huán)境星反演結果和MOD28的比較

圖4 HJ-1-B反演SST結果(a)和MODIS反演SST結果(b)對比

表3 環(huán)境星反演結果與MOD28比較表

由于缺少海表實測溫度數(shù)據(jù)，所以將用HJ-1-B衛(wèi)星IRS影像反演得到的海表溫度和MODIS的標準海表溫度（如圖 4）產品（MOD28）進行交叉驗證[14]（cross validation），隨機抽取30個點，比較二者之間的差異，如表3所示。

其中MOD28海表溫度產品由2009年10月4日03：22： 02（UTC）過境的 TERRA 衛(wèi)星 MODIS傳感器獲取，與HJ-1B 衛(wèi)星同日 02：52：31（UTC）的過境時間相差約 0.5 h，基本可以認為兩時刻海表溫度保持不變。

圖5 環(huán)境星反演結果與MOD28之間的相關性

從表3可以看出，環(huán)境衛(wèi)星反演的海表溫度與MOD28相比，最大偏差在5%以內，由圖4可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)境衛(wèi)星反演結果在15.0℃～27.2℃之間，動態(tài)范圍大于MOD28（15.1℃～26.5℃之間）。進一步分析二者之間的相關性，如圖5，其相關性為0.936 2，標準偏差為1.374。可見環(huán)境衛(wèi)星反演的海表溫度與MOD28有較高的一致性。

3.3 渤海海域海表溫度分布特征

通過圖4可發(fā)現(xiàn)，渤海海域在2009年10月4日海表溫度呈南高北低的總體趨勢，而且溫度分布趨勢沿岸低，中心區(qū)域高，除有明顯人為活動作用的沿岸港口外，中心呈閉合暖中心區(qū)域的溫度比沿岸海域的溫度高0.68-2.74℃。但是遼東半島老鐵山附近海域有一明顯的冷舌區(qū)，整個地區(qū)最低溫度達16.34℃。反演結果的海表溫度分布規(guī)律同賈瑞麗，孫璐[12]對黃、渤海冬夏季主要月份的海溫分布特征相符，表明衛(wèi)星反演海表溫度分布和多年觀測平均值具有一致性。

如圖6所示，分別截取了天津塘沽港（a）以及唐山市曹妃甸新區(qū)（b）的環(huán)境衛(wèi)星反演海表溫度影像。根據(jù)影像統(tǒng)計，塘沽港附近海面的溫度平均比外海區(qū)域海表溫度高3.69℃，這主要是由頻繁往來的船只，船艙冷卻水對外排放以及港口地區(qū)生產生活產生的熱水所致[2]。而唐山市曹妃甸工業(yè)區(qū)，由于近年來填海造陸，新建鋼鐵廠和港口，人類活動頻繁，其附近海域的海表溫度平均比外海區(qū)域高4.01℃。可見渤海海域沿岸由于人類活動加巨，工業(yè)生活快速發(fā)展，對海表溫度的影響巨大，從而間接的影響到該海域，特別是近海岸地帶的海洋生態(tài)環(huán)境。

圖6 環(huán)境星反演塘沽口（a）與曹妃甸（b）海域海表溫度

3.4 誤差分析

對于單窗算法反演海表溫度（SST），反演精度受限于大氣透射率和環(huán)境溫度的修正，這需要掌握反演區(qū)域上空實時的大氣狀態(tài)廓線。實際對于廣闊的海洋區(qū)域，缺乏探空資料。本文嘗試采用美國環(huán)境預報中心(NCEP）再分析數(shù)據(jù)，通過對偶克里金插值，獲取反演區(qū)域的大氣狀態(tài)資料，以確定反演所需要的大氣平均作用溫度和水汽含量參數(shù)，但是由于所覆蓋的NCEP再分析數(shù)據(jù)只有1°×1°分辨率，對大范圍的影像仍顯稀少，所以直接影響了反演的精度。在本文討論的反演流程中，認為海表的發(fā)射率ε為0.98，但是海水的發(fā)射率還可能隨水泥沙含量、海浪狀況，和觀測幾何條件[5]而發(fā)生改變。相應的研究表明，高視角天頂角條件下，平靜海面的發(fā)射率可能下降到0.95，這也影響了反演的精度。此外，由于海洋表面的“皮膚效應”，衛(wèi)星遙感反演的海表溫度實際上是海面幾微米薄層內的平均溫度，而傳統(tǒng)的海溫測量，則是量測海面0.1～1 m深的水層的溫度[3,5]，在實際運用過程中，還需要作出相應的修正。

4 結論與展望

（1）利用環(huán)境衛(wèi)星熱紅外遙感影像，修訂了基于TM6波段的單窗算法，反演海表溫度，反演結果具有良好的時空一致性，同時與MOD28相比，具有很高的相關性。

（2）使用NCEP再分析數(shù)據(jù)進行克里金插值獲取研究區(qū)域上空的大氣狀況可用于確定單窗算法反演海表溫度所需的參數(shù)，對于進一步業(yè)務化流程的實現(xiàn)具有推廣意義。

（3）由于缺乏實測海表溫度資料，本文僅對環(huán)境衛(wèi)星反演結果和MOD28產品進行了交叉驗證，在下一步的研究應用中，還需結合實測資料，對算法的精度和可靠性作出進一步的分析和評價。

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SST Retrieving of Bohai Sea Using Thermal Infrared Images on HJ-1 Satellite

YU Xiao-lei,WU Zhao-cong
（School of Remote Sensing and Information Engineering,Wuhan University,Wuhan Hubei 430079,China）

Using thermal infrared images from HJ-1 Satellite,combined with the National Centers for Environmental Prediction(NCEP)reanalysis data,the sea surface temperature(SST)retrieving process was established by mono-window algorithm(MW)with modifying the main parameter calculating formulas.The thermal infrared remote sensing image obtained on October 4th 2009,over the Bohai Sea was utilized to validate the process.The comparison between the result made by HJ-1 Satellite and the Sea Surface Temperature product(MOD28)made by MODIS showed that the distribution characteristics of SST is consistent to the former research and the most warps between them is less than 5%,which indicates that they have a nice correlation.

HJ-1 Satellite;retrieval of SST;mono-window algorithm;MODTRAN;MODIS;MOD28

TP79

A

1003-2029（2011）02-0001-06

2011-04-15

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目(2007AA120203)：遙感軟件體系架構及標準規(guī)范研究。

余曉磊（1986-），男，湖北武漢人，博士研究生，主要從事遙感信息定量化方面研究。

致謝：感謝中國資源衛(wèi)星應用中心提供的環(huán)境衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、定標數(shù)據(jù)、光譜響應函數(shù)文件。