基于NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)信息的海陸邊界大氣校正方法探索

李金萍,徐 瑋

(東華理工大學(xué)軟件學(xué)院,江西 南昌 330013)

1 引 言

地表溫度是表征地表過程變化的重要特征物理量,是反映地球表面能量流和物質(zhì)流時空變化最敏感的綜合指標(biāo)[1]。地表溫度在很多基礎(chǔ)學(xué)科和相應(yīng)領(lǐng)域都是一個重要參數(shù),在數(shù)值預(yù)報及區(qū)域氣候模式研究等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。地表溫度在軍事、氣象預(yù)報、農(nóng)情估產(chǎn)、氣候變化、生態(tài)環(huán)境評估等方面具有重大應(yīng)用需求。目前,NOAA衛(wèi)星的熱紅外通道被廣泛的應(yīng)用到陸面溫度反演領(lǐng)域,對于海面溫度而言,輻射率變化很小,可以近似看作黑體,溫度反演理論和實踐方面都比較成熟[3]；陸地情形和海面差別很大,反演方法也很多,如今實用性很強(qiáng)的是分窗口算法[4]。對于海陸邊界地形情況復(fù)雜,到目前為止還沒有公認(rèn)的解決方法。本文針對海陸邊界,利用NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)臨近海域信息進(jìn)行了大氣校正,理論推導(dǎo)和試驗驗證結(jié)果都比較理想。

2 反演理論基礎(chǔ)

根據(jù)普朗克定律,黑體輻射強(qiáng)度B(λ,T)的公式為:

10-6Wm-2λ-1

(1)

式中,λ為波長；h為普朗克常數(shù)；c為光速；T為溫度；k為波爾茲曼常數(shù)[5]。由于海面不是黑體,其輻射率ε(λ)應(yīng)為:

(2)

對于黑體,實際溫度T等于亮度溫度TB；對于灰體,二者不同,存在一定的比例關(guān)系。 這樣,等效黑體輻射強(qiáng)度B(λ,T)可寫成:

(3)

傳感器接收的輻射能量R主要有以兩部分組成:

(1)經(jīng)大氣等因素干擾后目標(biāo)本身輻射到達(dá)傳感器的能量εB(λ,T)τ。

(2)環(huán)境大氣輻射的能量Ratm。

輻射傳輸方程可以簡寫成:

R=εB(λ,T)τ+Ratm

(4)

R與L之間存在如下?lián)Q算關(guān)系:

L=R/π

(5)

根據(jù)NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)信息,計算L的線性公式如下:

L=S·D+I

(6)

式中:R為輻射量；L為輻射亮度；ε為輻射率；τ0為大氣透過率；D為像元灰度值；I和SNOAA為衛(wèi)星傳感器標(biāo)定系數(shù)。

從傳感器獲取的L以及公式(1),推出反演亮溫T:

(7)

(8)

其中c1=1.190659×10-5(W·cm),c2=1.438833(cm·K)為常數(shù);v為波數(shù)(cm-1)。

3 大氣校正方法

在沒有真實探空資料比較的前提下,我們分析由于同一幅NOAA衛(wèi)星圖像形成的時間相同,大氣對于圖像中的海面以及海陸邊界的大氣影響應(yīng)該相近,雖然地理位置不同,大氣影響不可能完全相同,但地域臨近大氣影響誤差不會很大,由此我們采用圖像中海陸邊界臨近的海域大氣輻射量,將其附加到所要反演的海陸邊界區(qū)域來進(jìn)行大氣校正。

我們擬采用校正思路如下,選取預(yù)研究的海陸邊界臨一部分海域:從公式(4)出發(fā),把T作為已知的溫度,反過來求大氣輻射量Ratm,求得紅外通道4和5的大氣輻射值Ratm4和Ratm5,各大氣輻射值分別和圖像像素點(diǎn)的輻射量相對應(yīng)。為使求計算出的數(shù)據(jù)更具應(yīng)用意義,我們對Ratm4和Ratm5分別取平均值,再附加到海陸邊界輻射量R上,進(jìn)行大氣校正。此方法關(guān)鍵因素是如何解決大氣透過率τ0和目標(biāo)輻射率ε的數(shù)值。

3.1 大氣透過率τ0

在NOAA衛(wèi)星傳感器CH4和CH5接收的紅外窗區(qū)部分,主要吸收成分是水汽[6],而具有一定帶寬的窗區(qū)通道中的整層大氣垂直透過率τ0與大氣水汽等效含量W服從指數(shù)關(guān)系,由此,本文應(yīng)用文獻(xiàn)[7]中得出的兩個經(jīng)驗公式計算大氣透過率。

W=0.0502+0.6115×eD

(9)

τ0=exp(A0+A1W+A2W2)

(10)

對于CH4A0=-0.011,A1=-0.043,A2=-0.0222；對于CH5A0=-0.011,A1=-0.031,A2=-0.0388；eD為反演區(qū)域表面大氣水汽壓。

3.2 輻射率 ε

CH4(10.5～11.5 μm)和CH5(11.5～12.5 μm)海面輻射率取自柳欽火等人計算并總結(jié)的數(shù)據(jù)[8],如表1表示。

表1 輻射率計算的有關(guān)參數(shù)

4 結(jié)果與討論

我們截取NOAA/AVHRR衛(wèi)星數(shù)據(jù)生成的圖像中臺海邊界一塊區(qū)域,進(jìn)行該方法試驗檢驗,其檢驗程序主要流程如圖1所示。

圖1 海域信息大氣校正流程圖

截取臺海邊界61像素×63像素區(qū)域3843個像素點(diǎn)嘗試反演試驗,結(jié)果如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)結(jié)果

兩通道海域信息大氣校正后的亮溫值比除云和原圖像亮溫值都有所提高,熱紅外衛(wèi)星傳感器測量的是經(jīng)大氣作用后到達(dá)其高度的地表輻射能,由于大氣對熱紅外輻射既有吸收和散射作用,又有自身發(fā)射作用,除云以及大氣校正消除了一些因素的干擾,使得反演亮溫有所提高；在很多實際問題中,方差對研究偏離程度有重要意義,均方差則用來反映數(shù)據(jù)與真值之間的關(guān)系,從方差和均方差均數(shù)據(jù)來看,海域信息大氣校正結(jié)果有所減小。

輸出數(shù)據(jù)的同時分別輸出校正前后的圖像加以比對。如圖2和圖3所示。

圖2 CH4各效果圖

圖3 CH5各效果圖

用該方法校正后的圖像較除云以及原圖像的清晰度明顯提高,校正效果很直觀。

5 方法間比較

由于海陸邊界的復(fù)雜性導(dǎo)致了大氣糾正的不確定性、地表輻射率未等因素制約了它在實際中的應(yīng)用。各種實際數(shù)據(jù)獲得比較困難,經(jīng)我國國家標(biāo)準(zhǔn)總局批準(zhǔn),在建立我國自己的標(biāo)準(zhǔn)大氣前,可以使用1976年美國標(biāo)準(zhǔn)大氣作為國家標(biāo)準(zhǔn)[9],為了得到一個間接評價,我們利用大氣輻射傳輸模型MODTRAN 程序,選定相同的臺海邊界,分別應(yīng)用美國標(biāo)準(zhǔn)模式和我們推理的海域信息大氣校正法進(jìn)行溫度反演,以期得到間接評價結(jié)果。數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 程數(shù)據(jù)比較表

從圖中數(shù)據(jù)統(tǒng)計看出:海域信息大氣校正各項結(jié)果與美國標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)模式相比結(jié)果相近并且相差很小,由此可推知,利用NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)信息進(jìn)行海陸邊界區(qū)域溫度時,海域信息大氣校正方法是借鑒使用的。

輸出數(shù)據(jù)的同時分別輸出校正前后的對比圖像如圖4和圖5所示。

圖4 CH4 效果比較圖

圖5 CH5效果比較圖

干擾越弱圖像清晰度越高,從圖中我們看出各種兩種大氣校正方法較原圖像清晰度均提高,海域信息大氣校正方法和美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模式方法清晰度相近。

6 結(jié) 論

本文對海陸邊界地表溫度反演進(jìn)行了探討,在同一幅NOAA衛(wèi)星圖像上,選取海陸邊界臨近的海域,利用海域大氣輻射信息對海陸邊界區(qū)域進(jìn)行大氣輻射校正,并選取NOAA衛(wèi)星CH4和CH5遙感數(shù)據(jù),在臺海邊界進(jìn)行了試驗。同一幅圖像形成時刻相同,理論上臨近區(qū)大氣影響值應(yīng)該相近,我們試驗驗證的數(shù)據(jù)以及圖像輸出的結(jié)果均證明了這一點(diǎn)。為了更有效驗證這一推理,我們利用大氣輻射傳輸模型MODTRAN 程序,選擇美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模型,進(jìn)行了方法間的比對分析,結(jié)果表明在誤差允許范圍內(nèi),海域信息大氣校正方法是有效可行的。