云地分离太阳天顶角对反射率阈值法阈值的影响.doc

云地分离中太阳天顶角对反射率阈值法阈值的影响

摘 要
作为云检测的一个重要组成部分，本文利用FY-2C云图资料，分析了云图反射率与太阳天顶角及地表性质、云性质之间的关系，得到不同性质的地表、云区对应的云图反射率值与太阳天顶角余弦之间的拟合关系式,并给出点聚图。参考这些关系式和点聚图，可确定不同太阳天顶角下的反射率阈值，从而为反射率阈值法云检测提供重要依据。

关键词： 云检测 FY-2C云图 太阳天顶角 反射率

影响数值天气预报准确性的因素很多，其中一个最重要的因素就是人们对云特性尚缺乏足够的了解。因此近年来云特性的观测研究日益受到人们的广泛关注。
当大气中有云层存在时，云在可见光波段具有较大的反射率。另一方面，云顶温度通常低于地表温度，有云存在时向外层空间的热辐射小于无云时的热辐射。基于上述事实，人们发展了多种利用卫星资料检测云的方法，其中具有代表性的有阈值方法和空间相干方法和卷云监测方法。
空间相干法主要利用发射场的空间结构来确定像元是否对应晴空或有云并推导探测器视场部分被云覆盖所对应的云量。利用空间相干法估计云量存在的问题在于其需要假定云层水平分布是均匀的。对于卷云检测，一种常用方法是利用11微米和12微米的亮温差以及8微米和11微米的亮温差来检测卷云。
阈值方法的基本思想是将一个区域上空的可见光或热红外大气窗口卫星图像按照某一辐射率阈值分为2个部分。辐射率小于该阈值的区域为晴空无云区域，辐射率大于该阈值的区域为被云覆盖的区域。如何选择辐射率阈值是利用阈值方法确定云量所要解决的关键问题。阈值方法一般分为亮度温度阈值法、反射率阈值法和双通道差值法。简单的亮度温度阈值法主要用于检测云顶温度较低的云，最适用于夜间海洋上的云检测。
与下垫面相比，云具有高的反射率和低的温度。因此，简单的可见光和红外窗区的阈值就可提供相当不错的云检测方法。当下垫面为冰雪、云为薄卷云、夜间出现低的层云或小的积云时，云和下垫面的辐射相似，难以用简单的可见和红外窗区阈值区分云和下垫面时，可采用多通道或吸收带光谱法（比如用水汽吸收带1.38mm通道检测高空卷云）进行云检测。
目前存在的问题主要是利用可见光云图进行云检测时其反射率阈值的设定受太阳高度角较大影响，尤其是检测低云。而对于不同的地表情况反射率阈值也并不相同。
本文的主要工作是利用FY-2C云图资料分析不同性质的地表、云区对应的云图反射率与太阳天顶角余弦之间的关系，为反射率阈值法云检测提供依据。

1 可见光云图的遥感原理及特点
1.1可见光云图观测原理
卫星在可见光大气窗区观测，大气中的散射辐射很小时，忽略大气散射作用，卫星接收到的辐射为
是双向反射率。通常大气在水平方向近似为均匀的，地面为朗伯面，则由式，在有阳光时不考虑大气散射的辐射传输方程写为

=
式中 是朗伯面反照率。、分别是太阳光入射方向和卫星观测方向的大气透过率。由于在大气窗区 1所以上式又可以写为

从上式可以看到，由于是入射大气顶的辐射，通常可以当作定值，因此卫星观测到的辐射可以近似地认为与地面的反照率和太阳的天顶角余弦成正比。对此下面作进一步的分析讨论。
1.2 基本特点
可见光云图是卫星扫描辐射仪在可见光谱段，如 AvHRR 仪器的 cH1 （0.68—0.725微米）通道或静止卫星的（ 0 . 52 — 0 . 75 微米 ) ，测量来自地面和云面反射的太阳辐射，如果将卫星接收到的地面目标物反射的太阳辐射转换为图像，卫星接收到的辐射越大就用越白的色调表示；而接收到的辐射越小，则用越暗的色调表示，这就得到可见光云图。在可见光云图上，物像的色调决定于反射太阳辐射的强度。而卫星接收到的反射太阳辐射决定于入射到目标物上的太阳辐射，及目标物的反照率。入射至目标物的太阳辐射又与太阳高度角有关。因此，在可见光云图上物像的色调与其本身的反照率和太阳高度角有关。下面对此进一步说明。
( l ）反照率对可见光云图上色调的影响从（ 5 . 2 ）式可以看到，在一定的太阳高度角下，卫星接收到的辐射仅决定于物体的双向反射率，如果将地面看成朗伯面，则卫星接收的辐射仅取决于物体的反照率，物体的反照率越大，它的色调越白；反照率越小，色调越暗。表 1 给出了各种云和地面目标物体的反照率，从表中可以看出：
① 水面的反照率最低，厚的积雨云最大；
② 积雪与云的反照率十分接近，所以仅从可见光云图上的色调难以区别云和积雪；
③ 薄卷云与晴天积云、沙地的反照率也很接近，也不易区别它们。
表1 可见光云图上主要目标物的色调
色调
目标物
1.黑色
海洋、湖泊、大的河流
2.深灰色
陆地上大面积森林覆盖区、牧场、草地、耕地
3.灰色
陆地上晴天积云、塔里木沙漠、陆地上单独出现的卷云
4.灰白色
大陆上的中高云
5.白色
积雪、冰冻的湖泊和海洋、中等厚度的云（中云、积云和层积云）
6.浓白色
大块厚云、积雨云团
( 2 ）太阳高度角对可见光云图上色调的影响
太阳高度角决定了卫星观测地面时的照明条件，太阳高度角越大，光照条件越好，卫星接收到的反射太阳辐射也越大，否则越小。这就是目标物的色调还与每天卫星观测的时刻和季节有关，如在北半球冬季中高纬度地区，太阳高度角很低，照明差，图片色调十分灰暗。又如卫星在早晨或傍晚观测，太阳高度角也很低，图片色调也很暗。对于同一图片上的各个点的太阳高度角也不同，如是上午的云图，图片右半侧（东面一侧）的太阳高度角较高，色调明亮，而左半侧，太阳高度角低，色调较暗。反之也可以根据这一特点判断云图的观测时刻，是否是可见光云图。对于静止卫星中午的云图，整个观测区的光照条件较好，物像间的反差明显，图片明亮。
表2 一些主要云和地面目标的反照率
云和地面目标物
主要特征
反照率
云和地面目标物
主要特征
反照率
1.积雨云
大而厚
92
10.层云
薄，洋面上
42
2.积云
小，云顶在6km左右
86
11.卷云
薄，单独出在陆地上
32
3.卷层云
厚，下面由衷地云和降水
74
12.卷层云
单独在陆地上
36
4.积云,层积云
陆地上，云量大于80%
69
13.晴天积云
陆地上，云量大于80%
29
5.层积云
陆地上，云量大于80%
68
14.中云（高层，高积云）
中等厚度
68
6.层云
厚，出现在洋面上，云厚约0.5km
64
14.沙地
谷地、平原、坡地
77
7.沙漠
白砂
60
15.沙地和矮树林

17
8.层积云
洋面成片
60
16.植被

12
针叶林
9.积雪
旧雪，已有3—7天
，大部分在森林地区
59
18.海洋，湖泊，
河流

9（7）
新雪
80

2 FY-2C卫星及云图资料特点
2.1我国静止气象卫星风云二号（FY-2C）
    风云二号（FY—2C）气象卫星是我国自行研制，于2003年10月19日上午9时18分在西昌卫星发射中心成功发射。
这次发射的风云二号（FY—2C）静止业务气象卫星位于3．6万公里高空的地球静止轨道，定点于105°E，可以24小时对我国天气系统及演变过程进行观测。FY-2C卫星包括下面子系统：遥感子系统，数据传输和广播子系统，数据收集系统，遥测和指令子系统，天线子系统，姿态和轨道控制子系统，能源子系统，热控和远地点发动机子系统。
FY-2C卫星可以获取白天可见光云图、昼夜红外云图和水汽分布图；向卫星覆盖区转发宽云图和低速区域图；收集覆盖区内地面数据收集平台采集的环境监测数据；监测太阳活动和卫星所处轨道的空间环境。我国天气系统大多从西边过来，此次发射的风云二号（FY—2C）气象卫星监测着从西边进入我国的大多数天气系统，这大大增强了实时监测我国上游地区天气系统发生发展的能力，从而提高天气、数值预报和气候预测的准确性。同时还能转发分布在地面、高山、海洋、木、沙漠等各种数据收集平台观测的地球环境资料，为认识和开发利用可再生的风能、太阳能，防治沙漠化扩大发挥重要作用。
静止轨道气象卫星资料已经成为天气分析、预报服务必不可缺的重要监测手段，在灾害性天气的监测，特别是对台风、暴雨、洪水等重大自然灾害的监测中发挥了重要的作用。它的成功发射，标志着我国静止气象卫星由实验阶段正式向业务阶段成功迈进。
与FY-2A和FY-2B两颗卫星相比，风云二号02批的三颗卫星有下列改进：
1. 可见光和红外自旋扫描辐射计的通道由三个增加到五个，较大的增强了卫星的观测能力；卫星数据格式也有相应改变。
2. 增加星上电源能力，在卫星地影星蚀期间仪器不间断工作，加强了卫星安全保护措施；
3. 将FY-2A/B卫星的WEFAX云图模拟广播改为数字广播。
表3 FY-2C/D/E VISSR主要特征

可见
红外
水汽
红外
红外
波长
0.5-0.75μm
3.5-4.0μm
6.2-7.6μm
10.3-11.3μm
11.5-12.5μm
分辨率
1.25km
5km
5km
5km
5km
FOV
35μrad
140μrad
140μrad
140μrad
140μrad
扫描线
2500×4
2500
2500
2500
2500
探测器
Si-phsto-diode
HgCdTe
HgCdTe
HgCdTe
HgCdTe
噪声
S/N=0.5(反照率2.5%)
S/N=43(反照率95%)
NEDT=0.5(300K)
NEDT
=1K(300k)
NEDT=0.5(300K)
NEDT
=0.5(300K)

8 bits
10 bits
8 bits
10 bits
10 bits
2.2 云图资料特点
本文主要应用可见光（0.5-0.75μm）和IR2（10.3-11.3μm）两个通道的云图资料及太阳高度角资料，云图资料显示的是灰度值，必须通过灰度与反照率对照表转换为反照率。每幅云图覆盖范围为60°N—60°S，45°E—165°E，云图像素为2400×2400。
3 可见光反射率阈值法云检测
可见光反射率云检测，即设定一个反射率阈值，反射率小于该阈值的区域为晴空无云区，反射率大于该阈值的区域为被云覆盖的区域。它可利用0.66、0.87mm的可见光通道资料。单一通道反射率云检测在检测黑背景下亮云时有很好的效果，反之检测效果很差。0.66mm用于陆面、海洋和冰雪区域，0.87mm用在冰雪和沙漠地区。根据不同的下垫面条件、生态系统，需要采用不同的通道反射率阈值。
由于可见光反照率随太阳天顶角的大小、地表性质、云性质的变化而变化，因此本文的主要工作是分析不同地表、不同云区对应的可见光反照率随太阳天顶角的变化情况，从而确定不同天顶角的反射率阈值。
4 太阳天顶角对反射率影响的统计分析
4.1 云图资料的分析处理
4.1.1 晴空海洋、晴空陆地分析
选取的云图个例分为晴空海洋和晴空陆地情况，其中晴空海洋分为泥沙区和非泥沙区；晴空陆地分为植被区、湖泊区、沙漠区。
利用卫星资料处理工作平台，打开一张云图，选取某一区域A（如晴空海洋，不超过5个经纬度），由程序自动记录该区域左上角和右下角的经纬度值。另外，由程序还可自动记录表征该云图特征的时间、通道号，连续分析十几天的云图资料，将所有区域A处于晴空状态的云图资料信息都记录下来，存于同一个文件中，作为一个个例，进行分析。
分析过程：打开上面云图分析所形成的文件，读取每张云图的年、月、日、时、分、资料，合并成云图文件名。另外还要读取在该张云图上所选区域的经纬度值。将左上角和右下角的经纬度值转换成像素位置：
m1=(a1-45)*20 n1=(60-b1)*20
m2=(a2-45)*20 n2=(60-b2)*20
打开相应文件名的云图资料、太阳天顶角资料，读取所选区域各像素的灰度值、太阳天顶角，将可见光通道云图上该区域的灰度值转换成反射率值，并求平均值y，同时求出该区域太阳天顶角余弦的平均值x。用类似的方法对每张云图进行处理，结果输出到一个数据文件中。最后利用点聚图绘图程序，绘出各点太阳天顶角余弦和反照率的点聚图。
晴空陆地分析过程同上。
4.1.2 海洋上空云区、陆地上空云区分析
海洋上空云区和陆地上空云区均选择包含高、中、低云的云图资料，同晴空海洋和晴空陆地的分析相似，利用卫星资料处理工作平台，打开一张云图，选择密蔽云区，在一张云图上可选择多个（如海洋上空云区，不超过5个经纬度），由程序自动记录区域左上角和右下角的经纬度值。另外，由程序还可自动记录表征该云图特征的时间、通道号，连续分析十几天的云图资料，将所有区域的云图资料信息都记录下来，存于同一个文件中，作为一个个例，进行分析。
资料处理计算过程与晴空条件下类似，所不同的是对云区，根据云顶亮度温度进行分类：1表示云顶亮温大于273k，3表示云顶亮温小于253k，2表示云顶温度介于1和3之间的云。
陆地上空云区分析同上。
4.2 统计结果分析
利用上面云图资料的分析处理生成的数据，进行一元线性回归分析，并绘出点聚图。
反照率*10：y(纵坐标) 太阳高度角余弦*100：x（横坐标）
关系式：y=ax+b s：平均标准偏差
u：偏差平均值 r：相关系数
表4 晴空地表反射率与太阳天顶角余弦之间的关系

地表性质
a
b
s
u
r
陆地
植被
16.759385
-0.868775
0.903109
0.688285
0.872002
沙漠
16.834473
0.793055
1.148757
0.952112
0.963358
湖泊
1.417966
7.140039
1.491016
1.062883
0.186650
海洋
泥沙
4.842862
-0.887059
0.719023
0.549491
0.771780
非泥沙
11.186577
-0.685101
1.477551
1.151556
0.689915
表5 云区反射率与太阳天顶角余弦之间的关系

云的性质
a
b
s
u
r
陆地
云区
1
37.440465
9.546227
5.762646
4.519463
0.580599
2
69.367168
-8.547746
5.397990
4.513536
0.851572
3
64.503655
-6.128212
6.651325
5.450297
0.804735
海洋
云区
1
50.469321
-4.685931
6.021960
4.886681
0.734870
2
76.129226
-21.512141
6.293055
5.139031
0.782270
3
93.013336
-23.479764
7.775794
5.851468
0.818146
图1晴空海洋非泥沙区

图2晴空海洋泥沙区

由图可以看出，晴空海洋条件下非泥沙区的反照率与太阳高度角的余弦值基本呈线性关系，其反照率阈值比泥沙区小，最大不超过12%。
而晴空海洋泥沙区的反照率与太阳高度角的余弦之也呈线性关系，其反照率阈值较非泥沙区大，其最大值可达60%。

图3晴空海洋反射率无规律区

上图为晴空海洋可见光反射率与太阳天顶角无稳定关系的点聚图，资料区域在阿拉伯海，该区域的反射率明显高于其他海区，其原因有待探讨。

图4晴空陆地沙漠区

图5 晴空陆地植被区

晴空陆地条件下，沙漠地区的可见光反照率与太阳高度角余弦呈良好的线性关系。其反照率阈值最大可达18%，而在陆地植被区，可见光反照率与太阳高度角余弦基本呈线性关系，但它的反照率阈值较沙漠地区小，最大值不超过16%。
图6 晴空陆地湖泊区

陆地湖泊在晴空条件下，可见光反照率低于植被区和沙漠区，一般小于12%。与太阳高度角余弦的线性关系不是很好，当天顶角很小时，反射率反而出现较低值。

图7 晴空陆地云区

图8 晴空海洋云区

陆地云区的可见光反照率阈值与太阳天顶角余弦基本呈线性关系，图中1表示云顶亮温大于273k，3表示云顶亮温小于253k，2表示云顶温度介于1和3之间的云。由图可以看出云顶温度较低的云的反照率比云顶温度较高的云高，而且云顶温度较高云的反照率线性变化不很明显。整个云区的反照率阈值最高可达72%，最小不小于20%，远大于晴空条件下的各种地表情况。
海洋云区的可见光反照率也基本与太阳高度角余弦呈线性关系，但其中云顶温度较高的云的反照率随太阳高度角余弦值的变化不大，基本稳定在30%左右。而云顶温度较低云的反照率线性变化明显，其最高可达70%，最小不小于35%。
5、结束语
本文的工作主要是利用FY-2C云图资料，选取不同气象条件下，以及不同地表情况下的个例，进行统计分析得到可见光反照率与太阳天顶角、地表性质、云性质之间的关系，从而得到不同地表、云区对应的云图反射率值与太阳天顶角之间的拟合关系式及点聚图。在此我们得到以下结论：
1.晴空条件下，沙漠地区的反射率要高于植被区和湖泊区。但即使是对于同类地表， 比如说同样是海洋，不同性质的海区反射率也存在较大差别。
2. 晴空条件下，沙漠、植被地区的反射率与太阳天顶角余弦有较好的线性关系，但湖泊区例外。同时，云区的反射率与太阳天顶角余弦之间的线性关系要比各种地表情况好一些。
3. 晴空海洋的反射率与太阳天顶角余弦之间的关系较为复杂，地区差异明显。
确定准确的可见光反射率阈值，有利于云检测水平的提高，尤其是对红外云图无法有效检测的低云。但鉴于时间有限，这份论文所做的工作还不能完全达到实际业务需要的水准，所选的地表性质不够全面，如地表为冰雪覆盖的情况尚未分析，以后还要作进一步的探讨和研究。在此，因为不能将统计分析结果应用到云检测分析中去，而深表遗憾，如果以后时间允许，一定将此项工作出圆满的结果。
12