GF-5衛(wèi)星模擬單通道SST反演

崔文杰，李忠，李家國(guó)，朱利，張永紅

(1.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 廊坊 065000；2.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101；3.環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京100094)

0 引 言

SST(sea surface temperature)是海洋-大氣之間物質(zhì)和能量交換的重要參數(shù)，對(duì)理解海洋生物物理過程具有重要意義[1]。SST測(cè)量方法有2種：一種是實(shí)地測(cè)量；另一種是用遙感手段進(jìn)行反演。這2種測(cè)量方法因測(cè)量深度的不同，測(cè)量結(jié)果有著本質(zhì)的差異。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是利用海洋浮標(biāo)或者船只實(shí)地在0.3～5 m 不等深度測(cè)量得到的水溫，這個(gè)溫度叫作“體溫”(bulk temperature)，可以獲取全球或區(qū)域?qū)崟r(shí)的、較為精確的表面溫度[2]。采用遙感手段測(cè)量的是海水表面小于1 mm厚度的水溫叫作“皮膚溫度”(skin temperature)[3]，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比往往偏低。傳統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)很難獲取大面積同步SST，且成本高、速度慢，而熱紅外數(shù)據(jù)可以快速獲取大面積的SST數(shù)據(jù)，成本低、速度快、數(shù)據(jù)更新快，方便進(jìn)行SST反演[4]。

使用單個(gè)通道算法的主要有輻射傳輸算法、單通道物理法、QIN單窗算法、普適性單窗算法[5-7]。輻射傳輸算法是利用大氣輻射傳輸方程模擬出大氣透過率、大氣上下行輻射等參數(shù)求出SST，該方法需要獲取實(shí)時(shí)大氣參數(shù)，計(jì)算復(fù)雜。單通道算法對(duì)大氣參數(shù)的要求較高[8]，反演的 SST 是海水表層溫度，時(shí)空變化適應(yīng)性強(qiáng)，尤其適用于缺乏浮標(biāo)數(shù)據(jù)的海域，其精度在理論上要高于 0.5 K，不過對(duì)大氣溫濕廓線和海水比輻射率方向性模型提出了很高的要求[9-11]。李萬(wàn)彪等[12]進(jìn)行過單通道物理法反演SST的研究，由于缺少精確的大氣溫濕廓線，對(duì)海水比輻射率模型進(jìn)行了過度簡(jiǎn)化，反演 SST的均方根誤差為2.86 K，難以滿足業(yè)務(wù)化的要求。目前，針對(duì)該算法的研究較少。單通道物理算法，主要思想是利用大氣輻射傳輸方程求解 SST。該算法要求對(duì)大氣海洋環(huán)境參數(shù)有較準(zhǔn)確的了解，并能對(duì)其物理機(jī)制及相互間關(guān)系進(jìn)行精確定量化建模。它的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)空變化適應(yīng)性強(qiáng)、精度較高，適用于缺乏浮標(biāo)數(shù)據(jù)的海域，但對(duì)大氣參數(shù)的精度，特別是溫度和濕度廓線[13]的要求較高。周旋等[14]利用像元尺度的大氣廓線，精確計(jì)算大氣上行輻射、下行輻射和透過率，然后將這些參數(shù)與海水比輻射率代入大氣紅外輻射傳輸方程，求解SST。周旋等[15]定量分析了反演SST的單通道物理法對(duì)海水比輻射率、海面風(fēng)速、海水鹽度、大氣透過率、大氣上下行輻射等參數(shù)的敏感性，發(fā)現(xiàn)海水比輻射率、大氣透過率對(duì)算法精度影響較大，是單通道物理法反演SST的主要誤差來源。單通道物理法需要大量參數(shù)，水汽含量等參數(shù)隨著時(shí)間和空間發(fā)生劇烈變化，對(duì)SST反演結(jié)果造成較大誤差。為了減少對(duì)探空數(shù)據(jù)的依賴性，Qin等[16]提出了一種基于Landsat-5 TM數(shù)據(jù)的單通道反演算法。該算法只需知道大氣透過率與水汽含量關(guān)系、近地表氣溫、大氣平均作用溫度之間的線性關(guān)系，而無需知道大氣廓線。文獻(xiàn)[7，17]提出了一種通用型單通道算法，前提是只需知道總的大氣水汽含量和地表發(fā)射率。本文采用GF-5衛(wèi)星熱紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行JM&S和QIN單通道算法SST的仿真模擬研究，有利于GF-5衛(wèi)星熱紅外數(shù)據(jù)SST反演的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化應(yīng)用。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

GF-5衛(wèi)星全譜段成像儀在熱紅外8～13 μm譜段范圍內(nèi)具有4個(gè)溫度反演通道(B09為8.01～8.393 μm；B10為8.42～8.833 μm；B11為10.3～11.33 μm；B12為11.4～12.53 μm)，空間分辨率優(yōu)于40 m的特點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)首個(gè)具有4個(gè)熱紅外通道的衛(wèi)星，為溫度反演等領(lǐng)域研究提供良好的基礎(chǔ)。本文用大氣廓線數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)作為模擬SST反演基礎(chǔ)。該數(shù)據(jù)庫(kù)共有1 761條大氣廓線，編號(hào)1～322為熱帶地區(qū)廓線，編號(hào)323～1 064為中緯度地區(qū)廓線(中緯度夏季廓線388條，中緯度冬季廓線354條)，編號(hào)1 065～1 761為極地區(qū)廓線。研究選取的是中緯度廓線數(shù)據(jù)。大氣廓線包含大氣風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、經(jīng)緯度等參數(shù)。將大氣廓線數(shù)據(jù)與GF-5通道響應(yīng)函數(shù)結(jié)合MODTRAN 4.0可以模擬出不同條件下所需參數(shù)，用于SST的模擬反演。

2 單通道算法修訂

2.1 普適性單通道算法修訂

普適性單通道算法是通過輻射傳輸過程模擬得到大氣上行輻射、大氣下行輻射、大氣透過率，建立大氣影響因子ψ1、ψ2、ψ3與大氣水汽含量w、輻射等效波長(zhǎng)λc的關(guān)系。對(duì)于GF-5的B09、B10、B11、B12 4個(gè)熱紅外通道，分別模擬求出全球中緯度夏季(水汽含量較大)、中緯度冬季(水汽含量較低)和中緯度大氣廓線中的參數(shù)，得到大氣影響因子ψ1、ψ2、ψ3與大氣水汽含量w的關(guān)系，最后通過曲線擬合得到算法估算系數(shù)。

普適性單通道算法修訂是從同一發(fā)射率不同角度及同一角度不同發(fā)射率2個(gè)方面進(jìn)行的。觀測(cè)天頂角度不同導(dǎo)致傳感器接收能量不同，大氣影響因子受大氣透過率、大氣上行輻射、大氣下行輻射的影響不同，需要進(jìn)行不同觀測(cè)天頂角條件下的曲線擬合。GF-5傳感器的觀測(cè)天頂角偏離基本在20°以內(nèi)，因此選取角度為0°、5°、10°、15°、20°進(jìn)行不同角度的普適性單通道算法修訂，發(fā)射率選取的是水體發(fā)射率0.98[18-19]。同一觀測(cè)天頂角不同發(fā)射率的大氣水汽含量與大氣影響因子擬合是在垂直觀測(cè)條件下進(jìn)行的，因此選用該角度進(jìn)行SST的反演。不同海表狀態(tài)下發(fā)射率也有所不同，本文選取的發(fā)射率為0.99、0.98、0.97、0.96、0.95，基本涵蓋所有不同水表狀態(tài)。

2.2 QIN單通道算法修訂

1)大氣透過率估算方程修訂。大氣透過率估算方程的修訂是基于TIGR大氣廓線數(shù)據(jù)，結(jié)合MODTRAN 4.0 模擬出的大氣水汽含量ω與大氣透過率τ的線性關(guān)系進(jìn)行修訂。結(jié)合GF-5的4個(gè)熱紅外通道，分別模擬出在全球中緯度夏季、中緯度冬季和中緯度大氣廓線條件下的不同參數(shù)。

2)大氣平均作用溫度估算方程。大氣平均作用溫度Ta估算方程修訂需要確定大氣剖面各層實(shí)時(shí)氣溫和水汽含量。覃志豪等[20]指出平均作用溫度需要用標(biāo)準(zhǔn)大氣廓線模式和真實(shí)海表溫度T0來估算。大氣平均作用溫度是基于全球真實(shí)的TIGR數(shù)據(jù)提取，不受觀測(cè)天頂角度和海表發(fā)射率的影響，因此大氣平均作用溫度Ta和真實(shí)海表溫度T0的擬合同上，用0°觀測(cè)天頂角度、發(fā)射率0.98為標(biāo)準(zhǔn)。

3)系數(shù)a和b的修訂。亮溫和輻亮度關(guān)系在不同區(qū)間內(nèi)近似為線性關(guān)系，因此劃分不同區(qū)間進(jìn)行線性關(guān)系的擬合。系數(shù)a、b為B09、B10、B11、B12 4個(gè)熱紅外通道在不同的亮溫范圍下得到的通道等效輻亮度與亮溫之間線性關(guān)系的系數(shù)。根據(jù)中緯度地區(qū)不同大氣模式下的SST特點(diǎn)，把海表溫度劃分為243.15～293.15 K、293.15～343.15 K、273.15～313.15 K 3個(gè)區(qū)間，分別應(yīng)用于中緯度冬季、中緯度夏季和中緯度。

3 修訂結(jié)果及精度分析

3.1 JM&S單通道算法修訂結(jié)果及精度分析

通過對(duì)普適性單通道算法的修訂，在不同角度、發(fā)射率為0.98條件下得到SST反演精度結(jié)果，如圖1所示。在發(fā)射率為0.98時(shí)，0°觀測(cè)天頂角的反演溫度與真實(shí)溫度誤差最小，反演效果最好。其中，在中緯度夏季、冬季和中緯度3種模式下，B11通道反演效果最好，偏差在1.7 K左右。B09通道反演效果最差，偏差在4.5 K左右。B10、B12通道反演效果居中，第12通道結(jié)果優(yōu)于第10通道。普適性單通道算法4個(gè)熱紅外通道在中緯度冬季大氣模式反演效果最好，在中緯度大氣模式反演效果較好，在中緯度夏季大氣模式反演效果不好。在中緯度大氣廓線條件下，所有通道的反演精度隨天頂角(從0°到20°)的增大而降低[21]：B09通道的RMSE從5.105 K變化到5.366 K；B10通道的RMSE從3.307 K變化到3.384 K；B11通道的RMSE從1.854 K變化到1.931 K；B12通道的RMSE從2.594 K變化到2.704 K。

圖1 JM&S單通道算法不同大氣模式、不同角度條件下的不同通道的RMSE比較

由上述分析可知，0°觀測(cè)天頂角的反演溫度與真實(shí)溫度誤差最小，因此選取在0°觀測(cè)天頂角、不同發(fā)射率條件下的SST反演精度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。在觀測(cè)天頂角為0°時(shí)，發(fā)射率為0.99條件下的反演溫度與真實(shí)溫度誤差最小，反演效果最好。發(fā)射率為0.99在中緯度夏季、中緯度冬季和中緯度3種模式下，B11通道反演效果最好，偏差在1.2 K左右；B09通道反演效果最差，偏差在4.5 K左右；B10、B12通道反演效果居中，第12通道反演效果優(yōu)于第10通道。普適性單通道算法4個(gè)熱紅外通道在中緯度冬季大氣模式反演效果最好，在中緯度大氣模式反演效果較好，在中緯度夏季大氣模式反演效果較差。在中緯度大氣廓線條件下，所有通道反演精度隨著發(fā)射率(從0.95到0.99)的增大而降低[21]：B09通道的RMSE從5.689 K變化到4.908 K；B10通道的RMSE從4.058 K變化到2.922 K；B11通道的RMSE從3.071 K變化到1.473 K；B12通道的RMSE從3.673 K變化到2.269 K。

圖2 JM&S單通道算法不同大氣模式、不同發(fā)射率條件下的不同通道的RMSE比較

3.2 QIN單通道算法修訂結(jié)果及精度分析

通過對(duì)QIN單通道算法的修訂，在不同角度、發(fā)射率為0.98條件下得到SST反演精度結(jié)果，如圖3所示。在發(fā)射率為0.98、0°觀測(cè)天頂角條件下的反演溫度與真實(shí)溫度誤差最小，反演效果最好。在4個(gè)熱紅外通道的中緯度夏季、中緯度冬季和中緯度3種模式下，B11通道反演效果最好，偏差在0.8 K左右；B09通道反演效果最差，偏差在3 K左右；B10、B12通道反演效果居中，第12通道反演效果優(yōu)于第10通道。QIN單通道算法4個(gè)熱紅外通道在中緯度冬季大氣模式下反演效果最好，在中緯度大氣模式反演效果好，在中緯度夏季大氣模式下反演效果較差。在中緯度大氣廓線條件下，所有通道的反演精度隨天頂角(從0°到20°)的增大而降低：B09通道的RMSE從3.475 K變化到3.832 K；B10通道的RMSE從1.938 K變化到1.955 K；B11通道的RMSE從0.842 K變化到0.872 K；B12通道的RMSE從0.996 K變化到1.029 K。

圖3 QIN單通道算法不同大氣模式、不同角度條件下的不同通道的RMSE比較

由上述分析知，0°觀測(cè)天頂角的反演溫度與真實(shí)溫度誤差最小，因此選取在0°觀測(cè)天頂角、不同發(fā)射率條件下的SST反演精度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。在觀測(cè)天頂角為0°時(shí)，發(fā)射率為0.99條件下的反演溫度與真實(shí)溫度誤差最小，反演效果最好。發(fā)射率為0.99時(shí)在中緯度夏季、中緯度冬季和中緯度3種模式下，B11通道反演效果最好，偏差在0.5 K左右；B09通道反演效果最差，偏差在3.5 K左右；B10、B12通道反演效果居中，第12通道反演效果優(yōu)于第10通道。QIN單通道算法4個(gè)熱紅外通道在中緯度冬季大氣模式反演效果最好，在中緯度大氣模式反演效果好，在中緯度夏季大氣模式反演效果不好。中緯度大氣廓線條件下，所有通道反演精度隨著發(fā)射率(從0.95到0.99)的增大而降低：B09通道的RMSE從4.295 K變化到3.216 K；B10通道的RMSE從2.757 K變化到1.494 K；B11通道的RMSE從2.080 K變化到0.478 K；B12通道的RMSE從2.242 K變化到0.598 K。

圖4 QIN單通道算法不同大氣模式、不同發(fā)射率條件下的不同通道的RMSE比較

4 二次修訂及結(jié)果評(píng)價(jià)

4.1 二次修訂

利用單通道算法進(jìn)行溫度反演，反演精度較低，因此本文以觀測(cè)天頂角度0°(誤差最小)和海水發(fā)射率0.98條件下進(jìn)行反演溫度結(jié)果的二次修訂。具體如下。

利用式(1)、式(2)將擬合線盡量矯正到標(biāo)準(zhǔn)線上。理想的反演溫度算法公式為式(1)。擬合的反演溫度算法公式為式(2)。

y1=x

(1)

y2=ax+b

(2)

式中：yi代表反演溫度；x代表真實(shí)溫度。

為了將誤差降到最小，需要讓反演溫度盡量靠近真實(shí)溫度，因此需要將反演溫度進(jìn)行推導(dǎo)。標(biāo)準(zhǔn)的反演溫度算法公式如式(3)所示。推導(dǎo)的反演溫度算法公式如式(4)所示。

x=y1

(3)

(4)

推導(dǎo)系數(shù)a和b由兩通道劈窗算法真實(shí)溫度與模擬反演溫度擬合得出，具體數(shù)值見表1和表2。

表1 JM&S單通道算法真實(shí)溫度與反演溫度擬合系數(shù)

表2 QIN算法真實(shí)溫度與反演溫度擬合系數(shù)

4.2 結(jié)果評(píng)價(jià)

將JM&S單通道算法、QIN單通道算法分別利用公式法進(jìn)行二次修訂，得到最終反演值與SST真實(shí)值誤差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果(表3、表4)。可以看出，經(jīng)過二次修訂后，反演結(jié)果誤差明顯減小，且不同大氣模式下不同通道的算法反演誤差基本在1 K以內(nèi)，二次修訂有效。

表3 JM&S算法公式法二次修訂后的誤差分析匯總

表4 QIN算法公式法二次修訂后的誤差分析匯總

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于GF-5衛(wèi)星4個(gè)熱紅外通道的通道響應(yīng)函數(shù)與TIGR大氣探空數(shù)據(jù)，結(jié)合MODTRAN 4.0做了SST單通道算法的模擬反演研究。結(jié)果表明，JM&S單通道算法反演精度小于QIN單通道算法反演精度。JM&S單通道算法受水汽含量影響較大，且需要的參數(shù)較多，反演精度較低；QIN單通道算法由于大氣平均作用溫度的經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)增加了算法誤差。這2種算法在不同條件下的反演誤差規(guī)律一致。在相同的觀測(cè)天頂角和發(fā)射率條件下，夏季大氣模式下的反演精度低于中緯度大氣模式下的反演精度，中緯度大氣模式下的反演精度低于冬季大氣模式下的反演精度。2種算法誤差隨著觀測(cè)天頂角的增大而增大，隨著發(fā)射率的增大而減小。由于JM&S和QIN單通道算法的反演誤差較大，因此進(jìn)行了二次修訂。修訂后反演精度明顯提高，誤差在1 K以內(nèi)。因此，二次修訂后的單通道算法可以用于SST的反演。