王丹鳳，張記龍，王志斌，陳媛媛，陳友華

（中北大學(xué) 山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心；儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

電視信號(hào)的接收與衛(wèi)星數(shù)據(jù)密不可分，因此衛(wèi)星數(shù)據(jù)的前期處理尤為重要。而數(shù)據(jù)的獲得首先需要對(duì)衛(wèi)星輻射云圖進(jìn)行精確的云檢測(cè)。載在地球觀測(cè)系統(tǒng)EOS衛(wèi)星上的高光譜大氣紅外探測(cè)器AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）[1]、靜止氣象衛(wèi)星GOES-R上的HES（Hyperspectral Environmental Suite）、美國(guó)極軌氣象衛(wèi)星NPOESS上的CrIS（Crosstrack Infrared Sounder）以及歐洲極軌氣象衛(wèi)星METOPA上搭載的紅外大氣探測(cè)干涉儀IASI（Infrared Atmospheric Sounding Interferometer），都可提供高精度的大氣溫度、濕度、云結(jié)構(gòu)的三維遙感觀測(cè)信息[2]。但是目前AIRS，HES，CrlS，和IASI上的云檢測(cè)還依賴于低光譜分辨力探測(cè)器上提供的有限的云特性[3]。AIRS光譜分辨力高，提供的云特性產(chǎn)品具有較高的精度，但是空間分辨力（13.5 km）較低。

載在地球觀測(cè)系統(tǒng)EOS Terra和Aqua衛(wèi)星上的中分辨力成像光譜儀MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）提供了1 km的多譜線空間分辨力。包括1 km空間分辨力的云掩膜[4]、分類掩膜[5]、云相位[6]、5 km空間分辨力的云高壓強(qiáng)、有效云量（被定義為云發(fā)射率和部分云覆蓋產(chǎn)品）[7]、云粒子大小、可見波段的云光學(xué)厚度[8]。

目前業(yè)務(wù)上使用的AIRS云檢測(cè)是由落在每個(gè)AIRS視場(chǎng)中的空間匹配的1 km MODIS云分類產(chǎn)品客觀確定的[9]。然而，不僅僅是云檢測(cè)，相應(yīng)的1 km MODIS分類掩膜也有助于確定AIRS視場(chǎng)內(nèi)是部分或者全部被云覆蓋，確定是單層云還是多層云。相對(duì)應(yīng)的1 km MODIS云相態(tài)可以提供AIRS視場(chǎng)內(nèi)是否包含水云、冰云，或混合云相位信息，這些信息在云微觀物理特性反演中是必需的。在AIRS視場(chǎng)內(nèi)結(jié)合使用AIRS和MODIS數(shù)據(jù)不僅可以更精確地反演AIRS云層輻射測(cè)量?jī)?nèi)的云參數(shù)，而且為聯(lián)合使用先進(jìn)的成像儀和探測(cè)器進(jìn)行研究提供了機(jī)會(huì)。

成像儀和探測(cè)器結(jié)合使用的關(guān)鍵步驟是：1）空間和時(shí)間上的搭配；2）成像儀的云量、云類型和像素的相位檢測(cè)。MODIS地表信息類型包括水、陸地、荒漠、雪等；云層信息包括低云、中云、高云；相位信息包括水云、冰云或混合云相位。這些信息和每一個(gè)AIRS視場(chǎng)都需要有很好的匹配。本文利用基于幾何掃描特性的空間匹配算法，結(jié)合MODIS云分類掩膜、云相態(tài)掩膜產(chǎn)品，運(yùn)用MODIS云檢測(cè)算法，利用MODIS數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了AIRS像素的云特性檢測(cè)。

1 MODIS和AIRS的空間匹配算法

1 km空間分辨力的MODIS與AIRS視場(chǎng)是相匹配的。基于幾何掃描的空間匹配算法已經(jīng)在業(yè)務(wù)中使用[1]。每一個(gè)AIRS的探測(cè)視場(chǎng)可被描述為在星下點(diǎn)為圓形，隨著掃描角增大，變?yōu)轭愃朴陔u蛋型。AIRS的星下點(diǎn)視場(chǎng)直徑大約為13.5 km。假設(shè)已知衛(wèi)星高度為h km，則AIRS像素與重疊的MODIS觀測(cè)值之間最大的可能角度差（θmax：弧度rad）可表示為：θmax=(5 7.29578×13.5)/(2 h)。

衛(wèi)星與AIRS的斜距（衛(wèi)星與AIRS在地球上的像素點(diǎn)之間的距離）和衛(wèi)星與MODIS之間的斜距的夾角如果小于θmax，就認(rèn)為MODIS點(diǎn)落在AIRS視野內(nèi)。根據(jù)AIRS與MOIDS斜距間夾角的大小，給每一個(gè)落在AIRS視野中的MODIS像素點(diǎn)賦予一個(gè)權(quán)重值：若MODIS像素點(diǎn)落在AIRS橢圓視野的中心，則為1；若落在邊緣，則為0。如果兩個(gè)儀器提供的幾何信息都是精確的，那么匹配算法的精度可達(dá)到1 km。

2 MODIS云檢測(cè)

2.1 MODIS地表和云分類檢測(cè)

MODIS輻射的分類或聚類是數(shù)據(jù)分析和圖像分割的重要部分。用MODIS輻射測(cè)量對(duì)地表和云類型自動(dòng)分類的方法已經(jīng)被開發(fā)應(yīng)用[5]。訓(xùn)練區(qū)由MODIS云掩膜信息來定義?；跇O大似然法對(duì)地表和云類型進(jìn)行分類。最初的分類結(jié)果為后來的迭代次數(shù)定義訓(xùn)練區(qū)。當(dāng)像素轉(zhuǎn)換級(jí)別比預(yù)定的數(shù)量少，或者當(dāng)其他條件得到滿足時(shí)，迭代結(jié)束。在類別里的光譜和空間域中的平均向量被用來類別識(shí)別和產(chǎn)生MODIS景中的最終1 km分辨力掩膜。在MODIS分類中使用3個(gè)參數(shù)類型（輻射、輻射強(qiáng)度的差異和光譜亮溫的差異）。所有的變量都是1 km的分辨力。MODIS分類掩膜把每一個(gè)MODIS像素分為表面（陸地、水、雪、沙漠等）和云（低云、中云、高云等）類型。

2.2 MODIS云相態(tài)檢測(cè)

若要進(jìn)一步判斷云特性，還需要用到MODIS云相態(tài)檢測(cè)。本文使用的是業(yè)務(wù)上的MODIS云相態(tài)檢測(cè)算法。在8.5～11 μm波段，水滴和冰晶微觀物理和光學(xué)性質(zhì)的不同是云相位推理的基礎(chǔ)[5]。輻射傳輸模擬表明在8.5～11 μm波段亮溫值（下文表示為BT8.5—11）的不同往往表示為冰云有大于1的光學(xué)厚度，水云有小于-2 K的光學(xué)厚度。由于水汽廓線的增加和在8.5 μm表面發(fā)射率的減少，低云在BT8.5—11的值將變現(xiàn)為更低。利用BT8.5—11的云相位檢測(cè)的方法在白天和晚上都可以使用。這種目前正在業(yè)務(wù)上使用的紅外相位算法將每個(gè)MODIS云像素都被標(biāo)記為不確定相、混合相、冰或者水。通過判斷空間匹配的MODIS像素點(diǎn)的云相態(tài)就可判定AIRS像素的云相態(tài)。

3 用匹配的MODIS產(chǎn)品檢測(cè)AIRS像素云特性

圖1是2002年9月6日AIRS景193在通道763（波數(shù)901.69 cm-1）的亮度溫度（BT）圖。冷云由藍(lán)色（冷色調(diào)）表示。方框中的區(qū)域（A1，A2，A3）是選擇研究的區(qū)域。（編者注：本文彩圖見www.VideoE.cn。）

圖1 2002年9月6日AIRS景193在通道763（波數(shù)901.69 cm-1）的亮度溫度圖

根據(jù)上述幾何掃描空間匹配算法，圖2顯示了研究區(qū)A1（圖1方框中的研究區(qū)域）中與AIRS視野匹配的MODIS 11 μm的亮溫圖。

圖2 研究區(qū)域A1中與AIRS視野匹配的MODIS 11 μm的亮溫圖

圖中的圓圈代表AIRS視野，由MODIS 1 km云產(chǎn)品決定其明暗。暖的亮溫值代表中低云或者地表，冷的亮溫值代表高云。從圖中可看出，大部分視野中的AIRS值是均勻的。每個(gè)AIRS視野中大概有100～200個(gè)MODIS像素點(diǎn)。借助于高空間分辨力的MODIS觀測(cè)值，一些AIRS視野可顯示出更精確的云特性。

通過匹配算法和MODIS云特性產(chǎn)品，結(jié)合上述MODIS云特性檢測(cè)算法，可以實(shí)現(xiàn)AIRS的云檢測(cè)，如圖3所示。

圖3 與2002年9月6日AIRS 193景匹配的MODIS 1 km云相態(tài)產(chǎn)品和云分類產(chǎn)品

由圖可知，MODIS云相態(tài)掩膜很好地檢測(cè)出了AIRS視野中的冰云和水云，MODIS分類掩膜產(chǎn)品很好地檢測(cè)出了AIRS視野中的單層高云或低云。云相態(tài)產(chǎn)品上的水云和冰云的模式和MODIS云分類產(chǎn)品上的低云、高云模式是類似的。也就是說，MODIS云相態(tài)產(chǎn)品中對(duì)冰云或者水云的確認(rèn)相當(dāng)于MODIS分類產(chǎn)品中對(duì)單層云的確認(rèn)；有些AIRS視場(chǎng)中存在混合云相態(tài)，相當(dāng)于分類產(chǎn)品中的多層云。因此，用與AIRS視野匹配的1 km空間分辨力的MODIS云分類掩膜產(chǎn)品還可以確定每一個(gè)AIRS視野中有幾層云的存在，如圖4所示。這對(duì)于單個(gè)AIRS視野中檢測(cè)AIRS云輻射測(cè)量中的單層、多層云參數(shù)的初始反演中是很重要的。

圖4 2002年9月6日，由MODIS 1km云分類掩膜產(chǎn)品檢測(cè)的AIRS視場(chǎng)（見圖3中的覆蓋區(qū)域）

圖4顯示了由匹配的MODIS 1 km云分類掩膜產(chǎn)品檢測(cè)的AIRS視場(chǎng)中的晴空視場(chǎng)（藍(lán)色），單層云視場(chǎng)（綠色）和多層云視場(chǎng)（紅色）（見圖3中覆蓋的區(qū)域）。

由圖可看出，大約55%的AIRS視場(chǎng)是晴空，22%是單層云，23%是多層云。這與圖1在直觀視覺上吻合得很好。另外，與AIRS視野匹配的MODIS分類掩膜產(chǎn)品還可以驗(yàn)證云參數(shù)反演，例如有效云量和云光學(xué)厚度。進(jìn)一步驗(yàn)證其精確度及云參數(shù)等的檢測(cè)，還需后續(xù)工作的研究。

4 結(jié)論

利用幾何掃描的空間匹配算法，業(yè)務(wù)上的MODIS云分類算法和MODIS云相態(tài)算法，用與AIRS視野相匹配的1 km空間分辨力的MODIS云產(chǎn)品，可以檢測(cè)出AIRS云輻射測(cè)量的云性能。MODIS云相態(tài)掩膜能很好地檢測(cè)出來AIRS視野中的冰云和水云。并與用空間匹配的MODIS云分類產(chǎn)品檢測(cè)出的低云和高云有很好地對(duì)應(yīng)。這在云微觀物理特性方面對(duì)AIRS像素云相位特征進(jìn)行檢測(cè)是很重要的，因?yàn)樵粕⑸淠Ｐ托枰葡辔恍畔?。MODIS分類掩膜產(chǎn)品能很好地檢測(cè)出AIRS視野中的單層高云和低云，并確定每一個(gè)AIRS視野中有幾層云的存在。這為AIRS的廓線檢測(cè)和認(rèn)證提供了重要信息。

本文利用空間匹配的MODIS產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了對(duì)AIRS像素的云檢測(cè)。精確的云檢測(cè)為衛(wèi)星數(shù)據(jù)的處理提供了先決條件，更是為地面接收衛(wèi)星信號(hào)完成了至關(guān)重要的第一步。

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