方荀

摘 要：自從環(huán)境衛(wèi)星平臺出現(xiàn)以來，在可見光波段，利用日間反射光的測量方法已經(jīng)成為地球觀測輻射儀器的主要方法。在夜晚，這些相同的光學(xué)波段的傳感器長期被限制在熱紅外波段，而這些熱紅外波段，相對于許多的重要天氣和氣候要素，涵蓋的性息太少。自從環(huán)境衛(wèi)星平臺出現(xiàn)以來，在可見光波段，利用日間反射光的測量方法已經(jīng)成為地球觀測輻射儀器的主要方法。在夜晚，這些相同的光學(xué)波段的傳感器長期被限制在熱紅外波段，而這些熱紅外波段，相對于許多的重要天氣和氣候要素，涵蓋的性息太少。美國新一代極軌運行環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)備衛(wèi)星NPP上的可見光紅外成像輻射儀套件（visible infrared imager radiometer suite，VIIRS）繼承發(fā)展了美國國防氣象衛(wèi)星（DMSP）的OLS傳感器的微光探測能力，提供了夜晚時分可見光和近紅外的觀測手段，該文簡要介紹了VIIRS的白天/夜晚波段（day and night，DNB）數(shù)據(jù)的微光探測能力和應(yīng)用概況。

關(guān)鍵詞：NPP OLS VIIRS 微光探測 DNB

中圖分類號：P73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（c）-0042-02

美國新一代極軌運行環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)備衛(wèi)星計劃（National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System Preparatory Project，NPP）是極軌運行環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)（NPOESS）的預(yù)備項目。在美國綜合計劃辦公室（IPO）負(fù)責(zé)下，聯(lián)合了國防部（DOD）、商務(wù)部（DOC）和國家航空航天局（NASA）多家部門[1]，旨在拓寬Terra和Aqua衛(wèi)星探測能力，降低NPOESS的發(fā)射風(fēng)險[2]。然而由于嚴(yán)重的成本超支和研發(fā)拖期，2010年2月，NPOESS項目被重組[3]，NOAA和NASA共同組建的聯(lián)合極地衛(wèi)星系統(tǒng)（JPSS）接手了NPP的大部分工作，并以美國氣象衛(wèi)星之父的名字Suomi來命名。Suomi NPP的第一顆衛(wèi)星于2011年10月從范登堡空軍基地由Delta-II火箭發(fā)射升空[4]。衛(wèi)星上共搭載了五種載荷，其中可見光紅外輻射儀（VIIRS）作為最重要的載荷，汲取了當(dāng)代業(yè)務(wù)和科研觀測系統(tǒng)中最好的技術(shù)，尤其是繼承發(fā)展了美國國防氣象衛(wèi)星計劃（DMSP）線性掃描業(yè)務(wù)系統(tǒng)（OLS）的微光探測能力。

1 VIIRS/DNB的微光探測能力

隨著夜晚時分可見光波段檢測需求的日益增大，尋求一個可靠的夜間時分測量方法變得十分重要。美國國防氣象衛(wèi)星計劃（DMSP）線性掃描業(yè)務(wù)系統(tǒng)（OLS）是最早被用來進(jìn)行夜間觀測應(yīng)用的，但由于OLS傳感器缺乏星上定標(biāo)，所以其數(shù)據(jù)只能用于定性研究，而不能用于定量觀測。不同于OLS傳感器，VIIRS傳感器的DNB波段數(shù)據(jù)采用了和VIIRS其他波段相一致的輻射校正，能夠被用來進(jìn)行定量研究。表1顯示了VIIRS和OLS儀器特性的區(qū)別。

從表1可以看出VIIRS相比OLS主要有以下幾點改進(jìn)：（1）更小的瞬時視場減少了空間圖像的模糊程度；（2）更多地灰度級較少了像元飽和情況的發(fā)生；（3）輻射訂正獲得更高的精度，可用于定量研究；（4）提高空間的分辨率，消除了像素間的跳變。

2 微光數(shù)據(jù)應(yīng)用概況

由于VIIRS微光波段首次提供了夜晚可見光波段內(nèi)觀測的定量測量方法，其應(yīng)用前景十分廣泛，目前微光波段的主要應(yīng)用如下。

2.1 特征物的探測

微光波段在特征物的探測上主要是利用月光反射輻射來反演。目前應(yīng)用主要有低云大霧、冰雪覆蓋、煙塵、火山灰和火山碎屑流、海洋表面粗糙度、沿海水域渾濁度、土壤濕度及熱帶氣旋等。

2.1.1 低云大霧的探測

利用衛(wèi)星對夜間低云大霧進(jìn)行監(jiān)測的主要問題存在于：云和周圍陸地或海面的溫度較為接近。夜間探測云的傳統(tǒng)方法是利用11.0和3.7μm紅外通道亮溫差來檢測低云大霧。但這種方法在某些云頂特征時會失效，利用滿月條件下的微光通道資料可以由反射率的區(qū)別來探測出低厚云，但是對于薄卷云，由于其厚度低，反射弱，不易識別。

2.1.2 冰雪覆蓋的監(jiān)測

所有的可見光傳感器都有探測冰雪覆蓋的能力，但大多數(shù)限制于白天探測，紅外和被動微波傳感器也具有探測冰雪的能力，但是其在雪域邊界的探測能力較差，空間分辨率較低。然而由于夜間對冰雪的探測有很強的需求，尤其是高緯度的冰雪圈，例如南極圈的極夜期。因此大多數(shù)的先行傳感器都無法滿足需求，月光照射下的微光圖像則具備這一能力。

目前微光通道對冰雪覆蓋的研究主要有：中緯度雪域的探測、海冰邊界及范圍的探測。

2.1.3 煙塵

微光波段由于月光反射輻射，海洋表面和地表的差異很大，在成像中效果更佳。與煙塵相關(guān)的氣溶膠產(chǎn)品在夜間資料較少，目前zhang和Johnson已經(jīng)分別提出了利用城市燈光減弱來反演氣溶膠和有無人造光源地區(qū)衛(wèi)星接受輻射強度對比來反演氣溶膠的方法。

2.1.4 火山灰和火山碎屑流的探測

火山爆發(fā)具有強烈的不確定性，其帶來的火山灰和碎屑流對航空飛行器有著巨大的威脅，微光波段與VIIRS熱紅外波段相比，在探測低濃度的火山灰上具有更好的能力。

2.1.5 海洋表面粗糙度的研究

在大多數(shù)的可見光衛(wèi)星圖像中，由于其反射率較低，海洋表面都是非常暗黑的。然而在月亮反輝區(qū)中，海洋表面的反射率明顯增大。內(nèi)孤立波是一種海洋表面粗糙度變化的典型現(xiàn)象，近岸的海浪圖像與孤立波相似，利用微光波段在月亮反輝區(qū)下的資料來監(jiān)測內(nèi)孤立波可以分析近岸的海浪情況。

2.1.6 沿海水域渾濁度的研究

目前能反演海洋水色的傳感器資料，包括SeaWiFS、MODIS以及VIIRS，都無法提供夜間海洋水色的產(chǎn)品。而微光通道能夠為夜間水域渾濁度的演化提供一些視角。

2.1.7 土壤濕度的探測

土壤濕度的變化對地表反射率影響很大，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)或泥石流等現(xiàn)象后，土壤濕度會發(fā)生迅速增大，地表發(fā)射率隨之下降，微光通道能在夜間十分及時的監(jiān)測出土壤濕度的變化，從而給災(zāi)害預(yù)警帶來幫助，與之相比，現(xiàn)行常用的紅外被動微光傳感器空間分辨率較低，會丟失很多信息。

2.1.8 熱帶氣旋的監(jiān)測

基于月光反射下的微光波段數(shù)據(jù)在低氣壓流動、云頂結(jié)構(gòu)及風(fēng)眼內(nèi)低云漩渦中比熱紅外波段數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)更好，同時微光成像通過災(zāi)害前后的城市燈光對比也可評估災(zāi)害的影響。

2.2 光源的監(jiān)測

由于微光通道對光源的敏感度較高，在對自發(fā)光物體的探測上具有很強的能力。目前應(yīng)用較廣的主要是對城市燈光的探測、火情的監(jiān)測、船舶燈光的監(jiān)測及閃電的監(jiān)測，其他發(fā)展中的應(yīng)用有極光和夜氣輝的探測及海洋生物發(fā)光的探測等。

2.2.1 城市燈光的探測

城市燈光的探測是微光波段數(shù)據(jù)的重要應(yīng)用之一，微光波段接受到的城市燈光強度的變化可以識別城市斷電區(qū)域、可以評估災(zāi)害損失、可以分析城市發(fā)展速度以及對城市大氣污染狀況進(jìn)行研究。其主要的探測的原理是利用無月光照射下的微光通道資料，結(jié)合VIIRS紅外波段資料進(jìn)行云去除進(jìn)行探測。

2.2.2 火情的監(jiān)測

火情由于其瞬時性、不確定性及發(fā)展迅速的特點，很難被及時的發(fā)現(xiàn)，急需建立全天的火情監(jiān)測。在夜晚，由于熱紅外波段對煙塵監(jiān)測的不敏感性，需要結(jié)合微光波段煙塵探測能力，對火源及其產(chǎn)生的煙塵進(jìn)行全方位監(jiān)測，可以較好的實現(xiàn)火情的預(yù)警。

2.2.3 船舶燈光的監(jiān)測

夜晚船舶燈光的監(jiān)測可以確定出船舶主要的活動區(qū)域，從而分析出海洋漁業(yè)和能源的開發(fā)利用情況。微光資料的高精度和夜晚探測能力使得它在船舶燈光監(jiān)測中占有重要地位。

2.2.4 閃電的監(jiān)測

閃電的產(chǎn)生直接性會給電子設(shè)備造成破壞，間接地預(yù)示了天氣系統(tǒng)的變化，其頻度和密度的變化與暴風(fēng)雨和龍卷風(fēng)有著密切的聯(lián)系，夜間成像的能力賦予了微光波段監(jiān)測閃電的能力。

2.2.5 極光和夜氣輝的探測

極光是在地球上層大氣中，由構(gòu)成太陽風(fēng)的高能帶電粒子碰撞產(chǎn)生的。它的發(fā)生會對區(qū)域的磁場和電場產(chǎn)生巨大影響，對帶電設(shè)備破壞巨大；氣輝與極光不同，氣輝不是弓弧形，可隨時隨地在整個天空中可產(chǎn)生。在夜間出現(xiàn)的叫做夜氣輝。它是由太陽電磁輻射激發(fā)地球高層大氣產(chǎn)生。微光波段在無月光照射下具有探測極光的能力。

2.2.6 海洋生物發(fā)光的探測

海洋生物發(fā)光現(xiàn)象是一種十分罕見的夜間現(xiàn)象，它是由大量的發(fā)光細(xì)菌群產(chǎn)生的，其首次在西北印度洋和印度尼西亞周圍水域發(fā)現(xiàn)，被命名為“乳白色海域”（Milky Seas）；由于其范圍一般大于6，000 km2，因此在微光成像上很容易被探測到，對這一現(xiàn)象的探測，尤其是對其產(chǎn)生區(qū)域和移動軌跡的分析，對海洋生物的研究有著重要的作用。

3 結(jié)語

該文介紹了美國新一代極軌運行環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)備衛(wèi)星NPP上搭載的VIIRS的微光探測能力，討論了微光數(shù)據(jù)的應(yīng)用概況。鑒于微光數(shù)據(jù)應(yīng)用的特殊性，未來研究將會越來越深入，同時，對微光數(shù)據(jù)的研究也將為我國下一代極軌衛(wèi)星系統(tǒng)的研發(fā)帶來益處。

參考文獻(xiàn)

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