MODIS數(shù)據(jù)云檢測(cè)算法在西南地區(qū)的改進(jìn)

路 茜，張鐵寶，辛 華，劉 放

(四川省地震局，四川 成都 610041)

MODIS數(shù)據(jù)云檢測(cè)算法在西南地區(qū)的改進(jìn)

路 茜，張鐵寶，辛 華，劉 放

(四川省地震局，四川 成都 610041)

根據(jù)云在MODIS數(shù)據(jù)幾個(gè)可見光和紅外波段的特性，改進(jìn)了現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣泛的多光譜綜合云檢測(cè)算法，進(jìn)行中國(guó)大陸西南地區(qū)的云檢測(cè)應(yīng)用試驗(yàn)。通過對(duì)該區(qū)不同時(shí)期的云檢測(cè)應(yīng)用試驗(yàn)，調(diào)整該方法的各光譜閾值。試驗(yàn)結(jié)果表明，該多光譜綜合云檢測(cè)法效果理想，對(duì)可見光波段難以識(shí)別的薄卷云也有很好的效果，為MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)一步在中國(guó)大陸西南地區(qū)的應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

MODIS；云檢測(cè)；多光譜綜合；閾值；中國(guó)大陸西南地區(qū)

隨著空間技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)被越來越多地應(yīng)用到防震減災(zāi)工作中，尤其是MODIS數(shù)據(jù)因其具有較高的空間分辨率和豐富的陸地信息探測(cè)波段，在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究中得到了許多應(yīng)用。由于云層會(huì)對(duì)其下墊面數(shù)據(jù)的應(yīng)用產(chǎn)生影響，因此鑒別云數(shù)據(jù)是地表數(shù)據(jù)應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。在可見光波段，厚的云體反射太陽輻射能力很強(qiáng)，有較高的反照率，在紅外波段，相對(duì)于地表，云有較小的輻射值，利用這些云數(shù)據(jù)特性選取合適波段進(jìn)行運(yùn)算可以實(shí)現(xiàn)判別云的目的。本文在現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣泛的多光譜綜合云檢測(cè)算法基礎(chǔ)上適當(dāng)做了改進(jìn)，對(duì)中國(guó)大陸西南地區(qū)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行了云檢測(cè)應(yīng)用試驗(yàn)，取得了一些有應(yīng)用價(jià)值的結(jié)果。

1 MODIS遙感數(shù)據(jù)介紹

四川省地震局自2004年3月以來建立起MODIS數(shù)據(jù)接收站，一直致力于探索MODIS數(shù)據(jù)在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究中的應(yīng)用。在地震領(lǐng)域的應(yīng)用中，MODIS數(shù)據(jù)較其他數(shù)據(jù)具有高空間、時(shí)間分辨率的優(yōu)點(diǎn)，其含有36個(gè)光譜通道，多光譜的聯(lián)合應(yīng)用是MODIS數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究特色之一。我們所需要的MODIS數(shù)據(jù)元素為36個(gè)通道中包含的紅外地表亮溫?cái)?shù)據(jù)，由于紅外射線無法穿過云層被衛(wèi)星傳感器探測(cè)到，因此云層對(duì)于我們的數(shù)據(jù)應(yīng)用存在一定干擾。

2 云檢測(cè)基本原理和現(xiàn)有算法簡(jiǎn)介

2.1 云檢測(cè)基本原理

云層數(shù)據(jù)與下墊面相比具有高的反射率和低的亮度溫度，這也是云檢測(cè)的基本原理，因此，簡(jiǎn)單的可見光和紅外波段的閾值組合可提供有效的云檢測(cè)方法。然而在許多情況下，如下墊面為冰雪，云為薄卷云，夜間出現(xiàn)的低層云或小的積云時(shí)，云和下墊面的輻射相似，難以用簡(jiǎn)單的可見光和紅外光譜組合的方法來區(qū)別云和下墊面。MODIS數(shù)據(jù)具有36個(gè)光譜探測(cè)通道，這為實(shí)現(xiàn)利用多光譜通道進(jìn)行云檢測(cè)并得到較好的云檢測(cè)效果成為可能[6]。

2.2 現(xiàn)有MODIS云檢測(cè)算法簡(jiǎn)介

可見光反射率法R0.66或R0.87：根據(jù)不同下墊面條件、生態(tài)系統(tǒng)，利用云和地表的反射率差異檢測(cè)云。當(dāng)?shù)乇砼c云的反射率差異較大時(shí)，該方法比較有效。而對(duì)雪地等與云的反射率區(qū)別不大的區(qū)域此方法效果不理想。MODIS第1通道(0.66 μm)的反射率檢驗(yàn)運(yùn)用于陸地，而第2通道(0.87 μm)則用于海洋和沙漠[1]。

近紅外反射率法R1.38：薄卷云是一種對(duì)可見光通道反射率影響很小的云，檢測(cè)薄卷云是云檢測(cè)中的難點(diǎn)。近紅外反射率云檢測(cè)方法由Bo-Cai Gao等提出，由于1.38 μm近紅外波段對(duì)水有強(qiáng)烈吸收[4]，地面的輻射很難到達(dá)傳感器，高云的濕度很小，高云在1.38 μm近紅外波段反射率很大[3,6]，利用上述差異可實(shí)現(xiàn)MODIS數(shù)據(jù)在該波段對(duì)高云，特別是薄卷云的檢測(cè)。

熱紅外亮溫差值法BT11.00-BT3.75：當(dāng)影像全部為晴空或全部被厚云覆蓋時(shí)，MODIS 31通道(11.0 μm)與MODIS20通道(3.75 μm)的亮度溫度差會(huì)出現(xiàn)小值或負(fù)值，而在非均勻視場(chǎng)中會(huì)出現(xiàn)較大的亮度溫度差，在白天，由于3.75 μm波段處有太陽反射，BT11.00與BT3.75間存在較大的亮度溫度差，這對(duì)檢測(cè)低層水云十分有效[6]。該方法用于日間沙漠地區(qū)時(shí)容易出現(xiàn)誤判。

上述方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，為了更準(zhǔn)確地對(duì)中國(guó)大陸西南地區(qū)數(shù)據(jù)做云檢測(cè)，將對(duì)上述算法做適當(dāng)組合應(yīng)用，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，最終確定適用于該地區(qū)的多光譜綜合云檢測(cè)法。

3 云檢測(cè)方法試驗(yàn)和結(jié)果

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況及數(shù)據(jù)預(yù)處理

云檢測(cè)試驗(yàn)區(qū)位于中國(guó)大陸西南地區(qū)(中心經(jīng)緯度為：30.0°N，100.0°E；長(zhǎng)2 000 km、寬2 000 km)，包括四川、重慶、云南、湖南、廣西、西藏、青海、甘肅、寧夏、陜西等省區(qū)。該地區(qū)的地面覆蓋類型復(fù)雜，包含山地、高原、平川、河谷、沙漠等，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地形和氣候變化大，適合作為云檢測(cè)條件的試驗(yàn)區(qū)。試驗(yàn)中選用1月、4月、7月、10月的MODIS/TERRA衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，具有季節(jié)代表性。試驗(yàn)研究中選用了MODIS可見光、近紅外和熱紅外的6個(gè)波段(見表1)。在進(jìn)行云檢測(cè)之前，數(shù)據(jù)經(jīng)過去除bow-tie效應(yīng)、幾何校正、將可見光及近紅外波段轉(zhuǎn)化為反射率[2,5]和檢測(cè)壞點(diǎn)等預(yù)處理。

表1 MODIS云檢測(cè)選用波段

圖2 四個(gè)算法條件數(shù)值直方圖(DN表示數(shù)值，Npts表示個(gè)數(shù))

3.2 算法流程

多光譜綜合具體算法如下(參見圖1)：第一步：若通道26(R1.38)大于某閾值(T1)，判別為云，此步驟可以檢測(cè)出大部分高云；第二步：若通道1(R0.66)大于某閾值(T2)，并且同時(shí)滿足通道31(BT11.00)與通道20(BT3.75)的差值大于某閾值(T3)、通道1、6歸一化值(RN)小于等于某閾值判別為云。此步驟可以檢測(cè)出大部分中云和低云，同時(shí)排除、減少對(duì)水體、沙漠和積雪的誤判。

3.3 閾值的確定

確定算法閾值是云檢測(cè)的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到云檢測(cè)效果。對(duì)于不同下墊面類型，不同季節(jié)，閾值不是唯一的。對(duì)某一區(qū)域，如果能確定不隨地物類型變化，只隨時(shí)間季節(jié)變化的云檢測(cè)閾值，那么MODIS數(shù)據(jù)云檢測(cè)就可能實(shí)現(xiàn)批處理化，這樣會(huì)使得海量數(shù)據(jù)云檢測(cè)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)更具便捷性。

圖1 云檢測(cè)算法流程圖

根據(jù)圖2直方圖所示，并非所有的云檢測(cè)閾值都能很容易地從直方圖中得到。在某些影像中，當(dāng)云比較少時(shí)，直方圖曲線突變(拐點(diǎn))不明顯，從中提取到閾值的難度較大，在這種情況，可以對(duì)比原始影像，找出各種云狀態(tài)的相應(yīng)相元值，以此為參考來確定云檢測(cè)閾值。為了驗(yàn)證本算法對(duì)不同季節(jié)云檢測(cè)的適用性，對(duì) 2013年1月、4月、7月、10月的共32幅試驗(yàn)區(qū)MODIS/TERRA影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了云檢測(cè)試驗(yàn)。通過上節(jié)算法流程的處理，再結(jié)合人工判讀檢測(cè)，確定了表2所示的云檢測(cè)條件閾值。圖3為使用表2云檢測(cè)條件得到的1月、4月、7月、10月典型圖像的云檢測(cè)效果。

(1a-1c：1月，2a-2c：4月，3a-3c：7月，4a-4c：10月，其中a為可見光三通道合成圖，b為ch26通道高層薄卷云圖，c為云檢測(cè)結(jié)果)圖3 MODIS影像及云檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

云檢測(cè)方法1月4月7月10月R1.38>T1T1=15T1=15T1=15T1=15R0.66>T2T2=15T2=30T2=30T2=20BT11.00-BT3.75

4 結(jié)果與討論

對(duì)MODIS數(shù)據(jù)2013年1月、4月、7月和10月不同時(shí)次的32條影像數(shù)據(jù)的處理和云檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果表明，除了青藏高原的冰雪仍有少量誤判以外(如圖3中1c、2c所示)，該云檢測(cè)算法在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)各個(gè)季節(jié)都有較好的云檢測(cè)效果(如圖3所示)。本文采用的云檢測(cè)方法具有方法簡(jiǎn)單、云識(shí)別率高、可批量處理等優(yōu)點(diǎn)。本文只對(duì)2013年的數(shù)據(jù)進(jìn)行了云檢測(cè)處理和檢測(cè)試驗(yàn)，在今后的應(yīng)用工作中還需要更多資料的累積和處理，以不斷完善適用于該地區(qū)的云檢測(cè)算法。

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The Cloud Detection Improvement and Application of MODIS Data in Southwestern China

LU Qian，ZHANG Tiebao，XIN Hua，LIU Fang

(Earthquake Administration of Sichuan Province，Sichuan Chengdu 610041，China)

According to the characteristics of the cloud on the MODIS data visible and infrared spectra，we improve the domestic and foreign common cloud detection method. We use the Multi-spectrum synthesis cloud detection and in the Southwestern China test. Based on the different periods of cloud detection application test，the spectrum threshold value of the method can be determined. Our test result shows that the effect of Multi-spectrum synthesis cloud detection is ideal especially for the thin cirrus cloud which is invisible in the visible band. The Multi-spectrum synthesis cloud detection laid a good foundation for further application of MODIS data in Southwestern China.

MODIS；Cloud detection；multi-spectrum synthesis；threshold value； Southwestern China

2016-07-15

四川省地震局地震科技專項(xiàng)(LY1610)資助

路茜(1982-)，女，四川省成都市人，工程師，主要研究衛(wèi)星遙感紅外地震預(yù)測(cè)，E-mail:lucilleqian@126.com.

TP79

B

1001-8115(2017)01-0011-04

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.01.003