fy-a3海洋大氣水汽含量反演算法

fy-a3海洋大氣水汽含量反演算法

大氣水資源及主體成分的調(diào)節(jié)大氣含水量是影響定量遙感應(yīng)用的主要因素之一。在全球研究和定量遙感的應(yīng)用中，我們不能忽視全球流動(dòng)的影響。然而，由于實(shí)時(shí)氣候剖面的數(shù)據(jù)有限，很難保證不同模擬數(shù)據(jù)的結(jié)果。因此，監(jiān)測(cè)全球流動(dòng)特征的時(shí)空分布尤為重要。20世紀(jì)70年代以來(lái)，許多外國(guó)研究人員致力于在近紅外方法中研究氣候，并采用近紅外水吸收帶的分離方法。froiun等人使用三個(gè)通道遙感儀器測(cè)量了地面反射的太陽(yáng)輻射，反演誤差約為20%。gao等人使用三個(gè)通道遙感測(cè)量了氣候降水，并在機(jī)器上確認(rèn)了可見(jiàn)的紅外圖像數(shù)據(jù)。抗反射法廣泛應(yīng)用于海洋和國(guó)外的研究人員、跡象學(xué)機(jī)模型數(shù)據(jù)，但該方法僅限于耀斑的亮度（反射率應(yīng)超過(guò)0.15）。在中國(guó)，黃伊伊等人使用了3號(hào)通用分辨率成像數(shù)據(jù)，并對(duì)大氣柱的含量進(jìn)行了反演。基于froiun等人提出的算法，張光偉等人使用fy-1c極軌氣象衛(wèi)星掃描源數(shù)據(jù)反演總大氣水流含量。獨(dú)立樣的精度偏差約為15%20%，相關(guān)系數(shù)超過(guò)90%。胡秀清等人通過(guò)搜索表法反演了fy-3a的氣候含量，并將其與探索數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，衛(wèi)星的反演值大于20%30%，系統(tǒng)低。毛克彪等人利用美國(guó)數(shù)據(jù)對(duì)漢江地區(qū)的空氣和水進(jìn)行了相關(guān)研究。這些早期研究為以后的近紅外方法探索了空氣和水。近年來(lái),我國(guó)自主衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展迅速,但由于大量實(shí)測(cè)驗(yàn)證數(shù)據(jù)的欠缺,使得定量遙感應(yīng)用受到很大影響.風(fēng)云三號(hào)(FY-3)氣象衛(wèi)星是我國(guó)自主第二代極軌氣象衛(wèi)星,它是在FY-1氣象衛(wèi)星技術(shù)基礎(chǔ)上的發(fā)展和提高,在功能和技術(shù)上向前跨進(jìn)了質(zhì)變的一步.FY-3A于2008年5月7日成功發(fā)射.星上搭載的中分辨率成像光譜儀(MERSI)主要用于海洋水色、氣溶膠、水汽總量、云特性、植被、地面特征、表面溫度、冰雪等遙感監(jiān)測(cè).本研究擬采用FY-3A的MERSI衛(wèi)星資料,基于全自動(dòng)太陽(yáng)光度計(jì)(CE-318)長(zhǎng)時(shí)間序列定點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù),建立適用于FY-3A的高精度局地化海洋大氣水汽反演算法,為風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星定量海洋遙感應(yīng)用奠定基礎(chǔ).1材料和方法1.1衛(wèi)星資料預(yù)處理FY-3A搭載的MERSI傳感器包含400～1250nm的20個(gè)光譜通道,其中5個(gè)近紅外通道可用于大氣水汽的探測(cè).表1給出了FY-3A/MERSI與EOS/MODIS近紅外通道的信息對(duì)比.865nm窗區(qū)吸收較小,是兩個(gè)傳感器的共同選擇.MERSI選用的1030nm通道較之MODIS的1240nm通道吸收更小,信噪比更高且更靠近水汽吸收帶,這對(duì)于水汽的反演更為有利.Albert等研究發(fā)現(xiàn)水汽和CO2的吸收對(duì)1240nm通道有較大影響,該通道不適于參與水汽反演.以(N38°52′,E121°31.3′)為研究區(qū)域,共搜集2009年3月至2009年10月FY-3A/MERSIHDF5格式有效衛(wèi)星數(shù)據(jù)302景.衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)由自帶經(jīng)緯度地理定位數(shù)據(jù)建立GLT文件進(jìn)行幾何校正,輻射定標(biāo)參考國(guó)家衛(wèi)星氣象中心發(fā)布的FY-3A定標(biāo)信息參數(shù)(/PortalSite/default.aspx),輻射定標(biāo)精度為7%.衛(wèi)星數(shù)據(jù)經(jīng)以上預(yù)處理后提取相應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)周圍3×3像元均值作為該點(diǎn)的數(shù)據(jù)值,剔除異常值,形成衛(wèi)星資料數(shù)據(jù)集.1.2大氣柱水資源現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為全自動(dòng)太陽(yáng)光度計(jì)(CE-318)長(zhǎng)時(shí)間序列定點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù).CE-318測(cè)得的直射太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)可用于反演計(jì)算大氣透過(guò)率、消光光學(xué)厚度、氣溶膠光學(xué)厚度、大氣柱水汽總量和臭氧總量等.儀器架設(shè)于國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,距離海邊約200m.數(shù)據(jù)采集時(shí)間跨度為2009年3月至2009年10月,共3293條數(shù)據(jù),包含340～1640nm9個(gè)波段對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù),采樣頻率為15min/次.儀器絕對(duì)定標(biāo)采用Langley-Bouguer方法,對(duì)太陽(yáng)直射輻射測(cè)量進(jìn)行定標(biāo).處理后提取其中的水汽數(shù)據(jù)部分,形成現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)集.將衛(wèi)星資料數(shù)據(jù)集與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)集經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)行時(shí)空匹配,各組數(shù)據(jù)匹配時(shí)間差值最大不超過(guò)15min,最終得到70條匹配數(shù)據(jù).1.3太陽(yáng)輻射譜圖分析近紅外方法探測(cè)大氣水汽始于對(duì)太陽(yáng)的觀測(cè).地面上觀測(cè)到的太陽(yáng)光譜中,存在水汽吸收帶的波長(zhǎng)部分,太陽(yáng)輻射被水汽吸收,太陽(yáng)光譜呈現(xiàn)凹凸變化的曲線.太陽(yáng)光譜下凹的部分即為吸收谷,這些低谷與整個(gè)太陽(yáng)光譜包絡(luò)線間的高差應(yīng)與吸收氣體的含量有關(guān),這就是差分吸收的概念.由此便可依據(jù)太陽(yáng)輻射光譜觀測(cè)值推算大氣柱水汽含量.2算法的構(gòu)建2.1光場(chǎng)射線ls-分類原理Frouin等首先提出可以利用太陽(yáng)反射光為輻射源,通過(guò)近紅外區(qū)一個(gè)弱吸收區(qū)和一個(gè)窗區(qū)的通道組合測(cè)量大氣中水汽含量.在近紅外波段,衛(wèi)星接收到的輻射可表示為:L=LSρτ+Lp,(1)式中等號(hào)右側(cè)第一項(xiàng)表示地表反射的太陽(yáng)直射輻射,LS為大氣層頂太陽(yáng)入射輻射,τ為大氣透射率,ρ為地表反射率;等號(hào)右側(cè)第二項(xiàng)表示大氣程輻射,主要源于氣溶膠散射.當(dāng)大氣清潔,能見(jiàn)度較高時(shí),氣溶膠含量少,程輻射以單次散射為主.Lp也包含有水汽信息,此時(shí)可假定程輻射與地表反射太陽(yáng)直接輻射成正比,式(1)可改寫成:L=CLSρτ.(2)若只存在氣溶膠消光和水汽吸收,式(2)中大氣透射率τ應(yīng)該包含氣溶膠消光τa和水汽吸收τwv兩部分.假定這兩種過(guò)程各自獨(dú)立,式(2)變?yōu)?L=CLSρτaτwv.(3)距離該水汽吸收帶最近的只有氣溶膠消光而無(wú)任何氣體吸收的大氣窗區(qū):L0=C0LS0ρ0τa0.(4)由式(3)和式(4)得:ln(L/L0)=ln(CLSρτaC0LS0ρ0τa0).(5)ln(L/L0)=ln(CLSρτaC0LS0ρ0τa0).(5)研究顯示,τwv與光路上水汽總量m有如下指數(shù)關(guān)系:τwv=eAm√?A＜0.(6)τwv=eAm?A＜0.(6)可見(jiàn),當(dāng)光譜通道確定以后,式(5)右側(cè)第一項(xiàng)不隨m發(fā)生變化,即為B,得到:ln(L/L0)=B+Am??√?A＜0.(7)ln(L/L0)=B+Am?A＜0.(7)Kaufman與Gao對(duì)若干探空廓線模擬發(fā)現(xiàn),光譜通道輻亮度之比與大氣中柱水汽含量的平方根成負(fù)指數(shù)關(guān)系:τw=ρ?0.94/ρ?0.865=exp(B+Am??√)?A＜0τw=ρ0.94*/ρ0.865*=exp(B+Am)?A＜0,(8)式中,ρ*為通道表觀反射率.可見(jiàn),系數(shù)A代表了水汽的吸收本領(lǐng),與溫度、氣壓有關(guān);系數(shù)B與地表反射率和氣溶膠光學(xué)特性有關(guān).2.2通道比法2.2.1地表反射率計(jì)算方法如果地物反射率在水汽吸收波段和大氣窗口波段之間變化不明顯,即地表反射率在兩波段近似恒定不變,則可用兩波段比值來(lái)確定相應(yīng)水汽吸收波段的透過(guò)率τw,見(jiàn)式(9).τw=ρ*0.94/ρ*0.865.(9)2.2.2比較蒸汽吸收波長(zhǎng)的確定如果地表反射率隨波長(zhǎng)呈線性變化,則可以增加一大氣窗口波段,利用三波段比值來(lái)確定水汽吸收波段的透射率.而Gao和Kaufman提出,0.85～1.25μm波長(zhǎng)之間各種地物反射率與波長(zhǎng)基本滿足線性關(guān)系.得到三通道比值法如式(10):τw=ρ*0.94/(c1ρ*0.865+c2ρ*1.03).(10)2.2.3k&g算法原理Kaufman與Gao基于近紅外區(qū)太陽(yáng)反射光差分吸收的理念,提出了近紅外波段大氣水汽反演的算法,簡(jiǎn)稱K&G算法,算法表達(dá)式同式(8),并給出了不同下墊面類型情況下參數(shù)A、B的值,見(jiàn)表2.2.3算法的基本思想對(duì)式(8)兩邊取對(duì)數(shù)可得:ln(τw)=B+Am??√?(11)ln(τw)=B+Am?(11)由此可見(jiàn),ln(τw)是關(guān)于m1/2的線性函數(shù),斜率即為參數(shù)A,截距即為參數(shù)B.可以根據(jù)上述推導(dǎo),利用數(shù)據(jù)集中50條數(shù)據(jù)分別用于雙通道比值法和三通道比值法模型的創(chuàng)建,數(shù)學(xué)分析軟件采用origin8.5,數(shù)據(jù)線性回歸過(guò)程在此不作贅述.2.3.1擬合相關(guān)系數(shù).雙通道比值法參數(shù)擬合如圖1所示.得到雙通道比值法模型見(jiàn)式(12),擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.80437.τw=exp(?0.36828?0.43449m??√).(12)τw=exp(-0.36828-0.43449m).(12)2.3.2強(qiáng)降壓藥的擬合三通道比值法參數(shù)擬合如圖2所示.得到三通道比值法模型見(jiàn)式(13),擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.81444.τw=exp(?0.38795?0.41509m??√).(13)τw=exp(-0.38795-0.41509m).(13)由圖1、圖2可見(jiàn),雙通道比值法和三通道比值法擬合的線性度均高于0.8,線性關(guān)系明顯,結(jié)果可信度較高.3反演結(jié)果分析將FY-3A雙通道比值法和三通道比值法以及傳統(tǒng)算法(Kanfman與Gao給出的復(fù)合地表類型參數(shù)模型,文中簡(jiǎn)稱為K&G算法,詳見(jiàn)文獻(xiàn))應(yīng)用于研究區(qū)實(shí)際大氣水汽含量反演研究.利用數(shù)據(jù)集剩余20條實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別對(duì)本研究建立算法和傳統(tǒng)算法作獨(dú)立樣本檢驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)圖3.由圖3(a)可見(jiàn),反演結(jié)果在低水汽含量情況下收斂度較高.但也存在某些“異常值”,可能是由于衛(wèi)星圖像中云以及氣溶膠的干擾所致;由圖3(b)可見(jiàn),K&G算法反演水汽數(shù)據(jù)在1.8～5g/cm2之間,高估了大氣水汽數(shù)據(jù)值,不適用于該區(qū)域的大氣水汽含量反演研究.總之,算法改進(jìn)后精度大幅提高,且三通道比值法結(jié)果稍優(yōu)于雙通道比值法.圖4和圖5分別給出了20個(gè)獨(dú)立樣本檢驗(yàn)的兩類算法結(jié)果值絕對(duì)誤差以及相對(duì)誤差分布情況.由圖4和圖5可見(jiàn),三通道比值法反演結(jié)果收斂度好于雙通道比值法,且算法改進(jìn)后反演結(jié)果誤差較之前模型參數(shù)反演結(jié)果有很大改善.原因在于:大氣水汽含量時(shí)空變率很高,且通道比值法參數(shù)對(duì)下墊面依賴性很高,不同區(qū)域,不同時(shí)間甚至不同的物候期,下墊面反射率均會(huì)有較大變化,從而影響了單一參數(shù)反演結(jié)果的精度.三通道比值巧妙的利用一定波譜范圍內(nèi)地物反射率近似線性的關(guān)系,以兩端大氣窗口波段來(lái)估算中心吸收波段的反射率,減小了誤差.圖4(a)和圖5(a)結(jié)果對(duì)比顯示:雙通道比值法反演結(jié)果值波動(dòng)較大,平均誤差16.1%;三通道比值法結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定,平均誤差14.3%,均優(yōu)于胡秀清等以探空值檢驗(yàn)衛(wèi)星反演值20%～30%的誤差.說(shuō)明三通道比值法中對(duì)下墊面反射率的計(jì)算較雙通道比值法更接近真實(shí)情況,下墊面反射率與波長(zhǎng)基本成線性關(guān)系.為了進(jìn)一步證明,下面對(duì)由窗區(qū)通道地表反射率估算940nm通道地表反射率的兩種方法,即雙通道比值940nm反射率與865nm反射率相等,比值=ρ*0.94/ρ*0.865;三通道比值865nm和1030nm的反射率按波長(zhǎng)做線性插值得到940nm的反射率,即比值=ρ*0.94/(c1ρ*0.865+c2ρ*1.03)進(jìn)行比較分析,結(jié)果如表3所示.由表3可見(jiàn),兩種方法值域相當(dāng),三通道比值均值略高于雙通道比值,標(biāo)準(zhǔn)偏差則是三通道比值稍低.這說(shuō)明在940nm附近把遙感目標(biāo)的反射率視為隨波長(zhǎng)作線性變化,即用940nm附近兩窗區(qū)通道反射率線性差值來(lái)近似940nm波段處反射率是可行的,而且能明顯降低地表反射率的影響.避免了雙通道比值以865nm通道反射率替代940nm通道反射率所引入的誤差,這也是在其余輸入?yún)?shù)相同條件下,三通道比值法反演結(jié)果優(yōu)于雙通道比值法的原因.這與Kaufman&Gao的研究結(jié)果一致.對(duì)式(7)兩邊取微分可得:Δm=(2m??√/A)Δr?(2m??√/A(m??√ΔA+ΔB))Δm=(2m/A)Δr-(2m/A(mΔA+ΔB)),(14)式(14)表明:衛(wèi)星資料誤差和反演系數(shù)的誤差是主要的誤差來(lái)源.而衛(wèi)星資料引入的誤差取決于吸收通道輻亮度和窗區(qū)通道輻亮度誤差間的差值.實(shí)際上,誤差的主要來(lái)源可能是:(1)定標(biāo)誤差.Kaufman等認(rèn)為,當(dāng)儀器的定標(biāo)精度為1%或更高時(shí),相應(yīng)的水汽反演誤差可達(dá)到2%～4%,但對(duì)于真實(shí)儀器定標(biāo),精度較高時(shí)也只有3%～5%.(2)CE-318探測(cè)值本身也有誤差,所以用作檢驗(yàn)的水汽值并不等于真值,與反演的水汽量之間會(huì)有偏差.(3)氣溶膠及薄云的干擾在公式推導(dǎo)中假定含量極少,但實(shí)際應(yīng)用中含量變幅很大,引起的誤差也是不能忽略的.薄云覆蓋的下墊面反射率偏離真實(shí)值,對(duì)計(jì)算結(jié)果也有影響.(4)混合像元引起的誤差.大氣水汽含量變率很大,CE-318點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)與MERSI1km空間分辨率的輻射均值匹配,不可避免的引起誤差.4改進(jìn)的反演模型基于FY-3AMERSI衛(wèi)星數(shù)據(jù)與CE-318觀測(cè)資料實(shí)現(xiàn)了利用衛(wèi)星太陽(yáng)反射光通道建立FY-3A大氣水汽含量反演算法,將該算法用于研究區(qū)實(shí)際應(yīng)用并利用獨(dú)立樣本檢驗(yàn)了反演結(jié)果.得到以下結(jié)論:(1)利用MERSI近紅外通道建立的雙通道比值法和三通道比值法均可用于大氣水汽含量的反演,反演模型為τw=exp(B+Am??√),A<0.τw=exp(B+Am),A<0.(2)通過(guò)結(jié)果對(duì)比顯示,改進(jìn)后算法較之前經(jīng)