一種基于高分四號(hào)衛(wèi)星的云檢測(cè)方法及其應(yīng)用

呂喆鵬 楊昌軍 劉邵波 高濤 馬天舒

（1.航天恒星科技有限公司，北京 100086；2.國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081）

一種基于高分四號(hào)衛(wèi)星的云檢測(cè)方法及其應(yīng)用

呂喆鵬1楊昌軍2劉邵波1高濤1馬天舒1

（1.航天恒星科技有限公司，北京 100086；2.國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081）

在遙感影像中，云檢測(cè)是進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)處理與分析的基礎(chǔ)和必要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是研究云對(duì)氣候系統(tǒng)作用至關(guān)重要的第一步，云量、云高及云特性的變化強(qiáng)烈影響著行星反照率梯度和地表能量交換，進(jìn)一步影響區(qū)域、全球氣候，準(zhǔn)確地提取云的相關(guān)信息將更加有利于對(duì)地觀測(cè)的精度。我國(guó)2015年發(fā)射的高分四號(hào)地球同步軌道衛(wèi)星，該衛(wèi)星分辨率將達(dá)到50m，衛(wèi)星觀測(cè)到的影像將更加精細(xì)和準(zhǔn)確，因此研究好高分四號(hào)衛(wèi)星的云檢測(cè)方法將更加有利于發(fā)揮衛(wèi)星的作用。本文擬采用閾值法云檢測(cè)，對(duì)高分四號(hào)云檢測(cè)產(chǎn)品進(jìn)行研究。

高分四號(hào)，云檢測(cè)，直方圖動(dòng)態(tài)閾值法

一、引言

在監(jiān)測(cè)地球的過(guò)程中，云是獲取高質(zhì)量遙感圖像的一個(gè)障礙，此外，云也一直是圖象處理、圖象分析的一大難點(diǎn)。云的影響不僅僅表現(xiàn)在對(duì)衛(wèi)星圖片的質(zhì)量上，同時(shí)也是臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)、降雨等氣象現(xiàn)象形成的重要因子。就全球范圍來(lái)說(shuō)，在任意一天里，云覆蓋了全球的大部分區(qū)域，這與地球向外太空發(fā)射的長(zhǎng)波輻射量有直接的關(guān)系并最終影響著全球氣候變化。此外，客觀、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地識(shí)別衛(wèi)星云圖中的云類特征、開(kāi)展云團(tuán)短時(shí)活動(dòng)預(yù)測(cè)是軍事氣象保障中急待解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，因此，對(duì)云進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測(cè)除解決氣候監(jiān)測(cè)相關(guān)問(wèn)題外，還將為軍事行動(dòng)提供服務(wù)保障。

自從1988年我國(guó)把第一顆氣象衛(wèi)星FY-1A送上太空后，就開(kāi)始了從太空對(duì)氣象變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在不到30年的時(shí)間里，我國(guó)的極軌氣象衛(wèi)星已經(jīng)從一代極軌衛(wèi)星FY-1號(hào)發(fā)展到現(xiàn)在的二代極軌衛(wèi)星FY-3號(hào)系列衛(wèi)星。其中搭載在FY-3上的可見(jiàn)光紅外掃描輻射計(jì)（VIRR）分辨率為1.1km，搭載在FY-2的可見(jiàn)光和紅外自旋掃描輻射器（VISSR）最高分辨率為1.25km，在這樣分辨率下云檢測(cè)結(jié)果有一定的局限性，特別是對(duì)中小尺度、生命周期短的強(qiáng)對(duì)流天氣難以監(jiān)控和捕捉。高分四號(hào)（GF-4，地球同步軌道50m分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星）具備高分辨率，高時(shí)效性等特點(diǎn)，可以有效彌補(bǔ)FY系列衛(wèi)星在中小尺度、細(xì)微變化的天氣情況監(jiān)測(cè)的弱點(diǎn)。本文簡(jiǎn)要地介紹了GF-4衛(wèi)星以及GF-4衛(wèi)星上的可見(jiàn)光近紅外（VNIR）通道在產(chǎn)出高分辨率云檢測(cè)產(chǎn)品上的應(yīng)用，特別是提升中小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣、空中風(fēng)場(chǎng)和低云大霧的連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)能力，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

二、高分四號(hào)衛(wèi)星簡(jiǎn)介

GF-4衛(wèi)星于2015年發(fā)射，是我國(guó)向地球同步軌道高分辨面陣遙感領(lǐng)域進(jìn)軍的第一顆星。該衛(wèi)星具有多光譜和紅外成像能力，通過(guò)指向控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)中國(guó)及周邊地區(qū)的觀測(cè)，可以滿足多個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的需要，如減災(zāi)、氣象、地震、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、海洋、國(guó)家應(yīng)急等。在地球同步軌道，區(qū)域覆蓋廣，時(shí)間分辨率高，應(yīng)對(duì)災(zāi)害和環(huán)境污染突發(fā)事件時(shí)，能夠在第一時(shí)間、持續(xù)高頻率獲取災(zāi)情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于快速?zèng)Q策和部署搶險(xiǎn)救災(zāi)至關(guān)重要。在10分鐘內(nèi)可以完成2000km×2000km區(qū)域成像，并具有快速指向控制能力，具備大范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)機(jī)動(dòng)成像和高時(shí)間分辨率偵照識(shí)別相結(jié)合的綜合成像能力。

衛(wèi)星載荷配置一臺(tái)50m分辨率，具備全色、多光譜譜段和紅外譜段成像能力的大面陣凝視相機(jī)，用以獲取高分辨率，多譜段地面圖像信息。GF-4部分參數(shù)及譜段信息如表1所示：

GF-4利用相機(jī)系統(tǒng)，獲取地面像元分辨率50m全色/多光譜圖像信息、地面像元分辨率為400m的紅外圖像信息；利用姿態(tài)調(diào)整，具備相對(duì)星下點(diǎn)滾動(dòng)、俯仰長(zhǎng)期偏置的能力；通過(guò)調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)實(shí)現(xiàn)相對(duì)星下點(diǎn)指向范圍內(nèi)地面目標(biāo)成像，觀測(cè)范圍直徑不小于7000km；衛(wèi)星運(yùn)行在地球同步軌道，可利用軌道傾角和偏心率形成一定的星下點(diǎn)軌跡形式，拓展觀測(cè)范圍；相機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)指定地區(qū)的面陣凝視成像；在成像過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整濾光片，實(shí)現(xiàn)對(duì)指定區(qū)域的全色、多光譜譜段分時(shí)成像；并可以根據(jù)地面光照條件和目標(biāo)觀測(cè)的需要，同時(shí)進(jìn)行紅外譜段成像；通過(guò)小角度快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域成像、機(jī)動(dòng)巡查等工作模式。

三、云檢測(cè)方法及原理

目前，最常用的云檢測(cè)算法是利用遙感圖像的光譜信息(ISCCP方法、APOLLO方法、CLAVR方法、多光譜分析法)或紋理信息(紋理分析方法)進(jìn)行云與地面物體的區(qū)分。主要的云檢測(cè)算法分為三類：閾值法，聚類分析法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，其中閾值法發(fā)展最成熟，且運(yùn)行效率高，檢測(cè)精度精度，因此本文主要考慮閾值法云檢測(cè)。在閾值法中，閾值的選擇是影響分類精確度、分類結(jié)果正確與否的關(guān)鍵因素。閾值的選擇方法主要有以下兩種：一是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中大量的歷史樣圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲取云層的經(jīng)驗(yàn)閾值；二是利用圖像本身的信息，確定閾值的選取。本文將采用第二種方法確定閥值，即在單通道云檢測(cè)的基礎(chǔ)上，計(jì)算得到多通道特征綜合云檢測(cè)結(jié)果，以及云和晴空判識(shí)的可信度。使用該方法結(jié)合GF-4通道特性闡述云檢測(cè)產(chǎn)品原理。

3.1 算法原理

直方圖動(dòng)態(tài)閾值法(DTCM 法),認(rèn)為像元陣的直方圖曲線中,地表峰值往云一側(cè)的直方圖曲線二階差分的極大值點(diǎn),即直方圖曲線的最大變率處,更適合作為區(qū)分云和地面的閾值。

太陽(yáng)耀斑區(qū)判識(shí)：用太陽(yáng)方位角、衛(wèi)星方位角、衛(wèi)星天頂角、太陽(yáng)天頂角計(jì)算出太陽(yáng)耀斑區(qū)位置，并標(biāo)志出來(lái)。

a. 動(dòng)態(tài)閾值方法的數(shù)學(xué)表達(dá)和實(shí)現(xiàn)如下

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)直方圖反映了圖像的基本特性。對(duì)于衛(wèi)星單通道數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)并建立相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)直方圖，其中直方圖的橫坐標(biāo)為物理量值，縱坐標(biāo)為該物理量值對(duì)應(yīng)的象素點(diǎn)個(gè)數(shù)，通過(guò)直方圖建立了物理量值與象素點(diǎn)個(gè)數(shù)值之間的關(guān)系，并以此反映數(shù)據(jù)圖像的某些特性。根據(jù)光譜特性分析，云在衛(wèi)星數(shù)據(jù)反射率通道中的特性表現(xiàn)為反射率值較高，陸地次之，水的值最低，因此在理想的直方圖曲線會(huì)出現(xiàn)三種不同的特性，即從整體上看出現(xiàn)三個(gè)峰值，分別代表水、陸地和云。然而由于陸地地形的復(fù)雜性和云類型的多樣性，在陸地和云區(qū)的直方圖曲線常會(huì)出現(xiàn)頻繁的波動(dòng)，這些特征將會(huì)影響正確獲取云的閾值，而通過(guò)直方圖的平滑處理可以在一定程度上消除上述干擾，提高云判識(shí)閾值獲取的精度。本項(xiàng)目中采用累計(jì)平滑方法，平滑點(diǎn)數(shù)為(這里n=7)，具體方法是先通過(guò)公式(1) 獲取平滑直方圖的橫坐標(biāo)范圍，公式如下：

其中smax為平滑直方圖最大值，Max為原始直方圖最大值，n為平滑點(diǎn)數(shù)。然后依次累計(jì)平滑直方圖中各值的數(shù)量，累計(jì)方法為：

b. 太陽(yáng)耀斑角公式如下：

glint=acos(sin(asunz)*sin(asatz)*cos(asun a-asata)+cos(asunz)*cos(asatz))

其中：glint―太陽(yáng)耀斑角；asunz―太陽(yáng)天頂角；asatz―衛(wèi)星天頂角；asuna―太陽(yáng)方位角；asata―衛(wèi)星方位角；當(dāng)glint＜30度時(shí)，為太陽(yáng)耀斑區(qū)。

3.2 基本假定

a. 在規(guī)定區(qū)域內(nèi)有效象元少于200個(gè)時(shí)，不進(jìn)行動(dòng)態(tài)閾值獲取。

b. 太陽(yáng)高度角大于85度時(shí)計(jì)算太陽(yáng)耀斑角，太陽(yáng)耀斑角計(jì)算只用于水面。

3.3 處理流程

處理步驟：讀取GF-4觀測(cè)數(shù)據(jù)、云檢測(cè)產(chǎn)品參數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行冰雪判識(shí)；利用水陸邊界數(shù)據(jù)生成水陸邊界位置；計(jì)算太陽(yáng)耀斑區(qū)位置；計(jì)算晴空和云判識(shí)動(dòng)態(tài)閾值；對(duì)所有選定的單通道（包括通道比值和通道差）分別進(jìn)行云檢測(cè)；根據(jù)單通道云判識(shí)結(jié)果，計(jì)算綜合云判識(shí)結(jié)果，包含三種情況：晴空、云、未判識(shí)，同時(shí)還給出云檢測(cè)可信度；最后輸出云檢測(cè)結(jié)果。處理流程如圖 1所示：

3.4 初步驗(yàn)證

驗(yàn)證該方法我們使用相關(guān)載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。在波段設(shè)置上GF-4與FY3系列衛(wèi)星的一些特性，兩者之間有一定的相似性和差異性。在可見(jiàn)光光譜范圍上，GF-4的觀測(cè)范圍是0.45～0.90μm共5個(gè)波段，F(xiàn)Y-2的觀測(cè)范圍是0.55～0.90μm 1個(gè)波段，F(xiàn)Y-3的觀測(cè)范圍是0.43～0.89μm共5個(gè)波段。在紅外光譜范圍上，GF-4的觀測(cè)范圍是3.5μm～4.1μm 1個(gè)波段，F(xiàn)Y-2的觀測(cè)范圍是3.5～12.5μm 4個(gè)波段，F(xiàn)Y-3的觀測(cè)范圍是1.325～12.5μm共5個(gè)波段?？梢钥闯鲈诠庾V分類上GF-4和FY-3更接近，而且可見(jiàn)光50M和紅外400M的分辨率，明顯優(yōu)于FY-2的1.25KM、5KM和FY-3的1.1KM。因此使用FY3數(shù)據(jù)對(duì)上述算法進(jìn)行驗(yàn)證，可以有效模擬GF-4未來(lái)云檢測(cè)結(jié)果。

圖2是FY-3C星與2014年6月16日拍攝的渤海、朝鮮半島、日本區(qū)域的三通道合成圖，圖3是使用上述算法得到的云檢測(cè)結(jié)果。通過(guò)視覺(jué)對(duì)比可知，在相應(yīng)的算法下進(jìn)行云檢測(cè)得到的檢測(cè)結(jié)果的可信度還是非常高的，對(duì)確信晴空陸地（深綠色）、疑似晴空陸地（淺綠色）、確信晴空海洋（深藍(lán)色）、疑似晴空海洋（淺藍(lán)色）、太陽(yáng)耀斑（紅色）、確信云區(qū)（白色）和疑似云區(qū)（灰色）的判識(shí)準(zhǔn)確。而GF-4的云產(chǎn)品分辨率為50M，分辨率的提升使得觀測(cè)的結(jié)果更加準(zhǔn)確，靈敏度更高。因此從上面的分析可知，GF-4使用該算法可以很好的用于云判識(shí)。

四、總結(jié)與展望

云檢測(cè)作為GF-4在氣象觀測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的成功將更加有利于GF系列衛(wèi)星為整個(gè)氣象、軍事及其他各領(lǐng)域的應(yīng)用拓展。我們通過(guò)初步分析研究認(rèn)為：GF-4系列衛(wèi)星將會(huì)提供更加精細(xì)化的氣象相關(guān)產(chǎn)品。

如圖4所示，該影像為天宮1號(hào)數(shù)據(jù)，高光譜全色通道，4m分辨率的數(shù)據(jù)，可以精確觀測(cè)云體及陰影、云高信息、目標(biāo)背景對(duì)比度信息等信息，可以在軍事上幫助作戰(zhàn)人員準(zhǔn)確識(shí)別地面目標(biāo)；

如圖5所示，同樣為天宮1號(hào)所拍影像，從圖中可以觀測(cè)精細(xì)云結(jié)構(gòu)及顛簸信息，從而可以準(zhǔn)確判斷氣流和空中風(fēng)場(chǎng)等航空條件，可以為民航部門(mén)，特別是航空軍事應(yīng)用服務(wù)。

如圖6所示：該影像為375M分辨率的VIIRS觀測(cè)到的2012.1.24臺(tái)風(fēng)Funso的灰度和紅外圖像，利用GF-4紅外通道同樣可以達(dá)到觀測(cè)臺(tái)風(fēng)眼壁坡度特征等信息，為研究中小尺度、強(qiáng)對(duì)流天氣提供觀測(cè)依據(jù)。

此外，由于GF-4在成像過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整濾光片，實(shí)現(xiàn)對(duì)指定區(qū)域的全色、多光譜譜段分時(shí)成像，因此可能帶來(lái)影像“拖尾”的現(xiàn)象，解決好該問(wèn)題并通過(guò)對(duì)GF-4在氣象應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步研究將大大提升我國(guó)在精細(xì)化氣象產(chǎn)品研究的地位。

[1]楊軍,董超華.新一代風(fēng)云極軌氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)產(chǎn)品及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2011.

[2]盛夏,孫龍祥,鄭慶梅.利用MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行云檢測(cè)[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004,5(4):98-102.

[3]李微,李德仁.基于HSV色彩空間的MODIS云檢測(cè)算法研究[J].中國(guó)圖像圖形學(xué)報(bào),2011,16(9):1696—1701

[4]劉良明,董新奕,周正.基于FY-2C數(shù)據(jù)的閾值云檢測(cè)算法適應(yīng)性研究[D].武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院,2007

[5]孟執(zhí)中,李卿.氣象衛(wèi)星的發(fā)展[J].上海航天,2003, 02-0001-06

[6]Alan V.Di Vittorio．William J.Eery.An automated. dynamic threshoId cloud-masking algoritim for daytime A憫images over

[7]國(guó)家衛(wèi)星氣象中心.風(fēng)云二號(hào)(2)批靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)格式[R].2006

[8]李微.方勝輝,佃袁勇等.基于光譜分析的MODIS云檢測(cè)算法研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)信息科學(xué)版.2005. 30(5):435-439

[9]王家成,楊師植,麻金繼等.東南沿海YJODIS圖象自動(dòng)云檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)信息科學(xué)版. 2006,31(3):270-273

[10]馬芳,張強(qiáng).郭鈮等.多通道衛(wèi)星云圖云檢測(cè)方法的研究[J].大氣科學(xué),2007.31(1):119-128

[11]宋小寧.趙英時(shí).MODIS圖象的云檢測(cè)及分析[J].中國(guó)圖形圖象學(xué)報(bào),2003.8(9):1079-1083

2017，讓我們帶給世界更多驚喜

2016年是“十三五”規(guī)劃的開(kāi)局之年，是決勝全面小康的開(kāi)局之年，也是推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的攻堅(jiān)之年。

這一年的中國(guó)，闖關(guān)奪隘，奮然前行。體制障礙面前，我們動(dòng)真碰硬，披荊斬棘；轉(zhuǎn)型困惑面前，我們清醒堅(jiān)定，勇毅篤行。

這一年的我們，昂首闊步，從容自信。從亞投行開(kāi)業(yè)到G20杭州峰會(huì)舉辦，我們的主張擲地有聲；從中國(guó)“天眼”遙望星辰到神舟升空造訪“天宮”，我們的創(chuàng)造舉世矚目；從慶祝建黨95周年到十八屆六中全會(huì)部署全面從嚴(yán)治黨，我們的初心始終如一；從紀(jì)念長(zhǎng)征勝利到中國(guó)女排驚艷里約，我們的精神薪火相傳；從建立五大戰(zhàn)區(qū)到全面推開(kāi)營(yíng)改增試點(diǎn)，我們的改革蹄疾步穩(wěn)。

站在歷史與現(xiàn)實(shí)、過(guò)去與未來(lái)的交匯點(diǎn)，我們信心滿懷，豪情滿懷；我們還須努力，還要奮斗。

有夢(mèng)的人生是美好的，有夢(mèng)的民族是充滿希望的。2017，我們繼續(xù)出發(fā)，帶給世界更多驚喜。

新華社評(píng)出2016年國(guó)內(nèi)十大新聞

一、“兩學(xué)一做”學(xué)習(xí)教育全面展開(kāi)

二、慶祝建黨95周年不忘初心繼續(xù)前進(jìn)

三、成功主辦二十國(guó)集團(tuán)杭州峰會(huì)

四、嚴(yán)肅查處遼寧拉票賄選案

五、紀(jì)念長(zhǎng)征勝利80周年宣示接力長(zhǎng)征

六、十八屆六中全會(huì)確立黨的核心

七、全國(guó)人大常委會(huì)行使香港基本法解釋權(quán)

八、出臺(tái)完善產(chǎn)權(quán)保護(hù)制度依法保護(hù)產(chǎn)權(quán)的意見(jiàn)

九、最高法再審改判聶樹(shù)斌無(wú)罪

十、穩(wěn)中求進(jìn)成為治國(guó)理政重要原則