基于静止气象卫星的动态沙尘检测方法的研究与实现

发布时间：2020-09-15 20:12

　　随着遥感技术的发展,越来越多的极轨卫星和静止气象卫星发射成功,并投入到对地观测使用中,这为深入研究沙尘气溶胶的变化、分布以及其对气候系统的影响等都提供了必要条件。其中在利用红外遥感定量反演沙尘气溶胶参数的研究中,沙尘判识是一项既重要却又非常困难的工作,对沙尘覆盖范围的误判将有可能导致最终反演结果的失败,因此,正确的判识结果是整个定量反演工作的前提和基础。空气中的沙尘粒子在红外通道有强烈的反应信号,具体表现在以下两个方面的作用,一方面是沙尘粒子在12μm通道比辐射率比11μm通道比辐射率高,导致了两个通道存在亮温差;另一方面是由于地表发射到空间的红外信号造成衰减,从而导致卫星探测到的亮温降低,即是所谓的红外差值沙尘指数。以上都可以作为追踪和判识沙尘信息的有效参数。目前,沙尘的判识主要针对气象卫星观测的11μm与12μm通道亮温变化信息,采用基于固定阈值的方法进行检测。该方法利用11μm与12μm通道亮温差为负的特征将沙尘和其他探测目标区分开,能较好地进行沙尘信息的提取,但是容易产生较大的误判,其主要原因是11μm与12μm通道亮温随时空变化具有显著差异,因此采用固定阈值判断,亮温值有波动,就会造成像元误判。为了解决这个问题,本文利用新一代静止气象卫星Himawari-8,通过建立晴空11μm亮温及其与12μm亮温差背景场,结合沙尘大气条件下11μm与12μm通道的亮温变化特征,提出了基于动态阈值的静止气象卫星沙尘遥感检测方法。实验结果表明,本文提出的沙尘检测方法比固定阈值沙尘检测方法的覆盖范围更吻合、检测结果更精确、稳定性更好,并且可有效用于白天和夜晚的沙尘检测。本文的研究工作包括如下三个部分:1.本文通过Himawari-8数据构建背景场,作为动态的阈值,利用沙尘11μm通道与12μm通道的亮温差为负的光谱特性,提出了基于静止气象卫星的动态沙尘检测方法。2.本文通过构建IDDI,根据红外差值沙尘指数随时间的变化,观察这一天内各个地区沙尘强度的变化情况。因此,利用Himawari-8高时相的特点,可以实现对沙尘信息动态变化的全天时监测。3.本文提出的动态沙尘检测方法有效应用于2016年3月1~20日中国西北地区沙尘天气信息的提取。实验结果表明,该方法不仅可显著提升沙尘检测的精度,还可以应用于夜间沙尘信息的提取,为中国沙尘天气研究提供了一种可靠的手段。
【学位单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：P412.27;X87
【部分图文】：

真彩色,合成图像

15图 2-1 Himawari-8 真彩色合成图像Himawari-8 静止气象卫星能够提供高时相的检测数据，可以建立较高精度的晴空背场。因此，本文选取 2016 年 3 月 1～20 日的 Himawari-8 静止气象卫星数据，主要是用 11μm 和 12μm 两个通道的亮温进行实验。2.3.2 MODIS 数据MODIS 中分辨率成像光谱仪是 Aqua 和 Terra 卫星上搭载的主要传感器之一，是卫上唯一将实时观测数据通过 x 波段向全世界直接广播，并可以免费接收数据并无偿使的星载仪器，全球许多国家和地区都在接收和使用 MODIS 数据。MODIS 仪器的地面辨率为 250m、500m 和 1000m，扫描宽度为 2330km。在对地观测过程中，每秒可同获得 11Mbps 的来自大气、海洋和陆地表面信息，日或每两日可获取一次全球观测数。MODIS 传感器在 0.4~14.3μm 的波段区间总共包含了 36 个波段，其中可见光波段

曲线,亮温,通道,曲线

图 3-1 随着 AOD 不断变化，11 m 和 12 m 通道亮温的变化曲线图 3-2 随着 AOD 不断变化，11 m 和 12 m 通道亮温差的变化曲线从图 3-1 和图 3-2 中可以清晰的看出，沙尘气溶胶的存在会导致 11 m 和 12 m 通道的亮温大幅度减小，而且11 m通道亮温减小的速度比12 m通道减小的快，导致11 m和 12 m 通道的亮温差为负数。由此可见，因沙尘气溶胶引起的亮温变化可以作为沙尘识别的有效参数。目前大部分沙尘检测方法，都是利用固定的阈值来检测沙尘，但是，由于卫星观测亮温与亮温差随时空变化具有较大差异，因此，固定阈值检测沙尘的方法存在局限性。本文以2016年3月1～20日沙尘天气发生期间（70 ,35 ）（、80 ,40 ）（、90 ,45 ）三个点为例分析了 Himawari-8 同一时刻亮温光谱特征的变化，如图 3-3 所示。

曲线,亮温差,通道,亮温

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