王佳佳,孫曉兵,提汝芳,余海嘯

(1中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,中國(guó)科學(xué)院通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031;2中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),安徽 合肥 230026)

0 引言

云覆蓋了60%以上的地球表面[1],在地氣輻射平衡過程中起著重要的作用,一方面,云以向后散射的方式反射一部分太陽短波輻射,另一方面,以長(zhǎng)波的形式向外發(fā)射輻射[2]。除此之外,云通過調(diào)節(jié)水文循環(huán)的方式影響大氣降水,云和大氣潛在的熱量交換影響大氣環(huán)流[3],云量的微小變化或垂直分布的變化都可能會(huì)對(duì)地球的能量收支產(chǎn)生重大影響[1]。研究云量變化不但可以幫助發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)的氣候現(xiàn)象,而且可以跟蹤氣象條件的變化[4]。

衛(wèi)星遙感可以全天候、大范圍監(jiān)測(cè)云的時(shí)空變化,云檢測(cè)是衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)處理中的首要關(guān)鍵部分。目前,基于遙感圖像的云檢測(cè)方法主要有閾值法,紋理特征和空間特性法、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法等。光譜閾值法主要有固定閾值法[5,6]、動(dòng)態(tài)閾值法[7]和多波段組合閾值法[8]等。紋理特征法[9,10]主要是利云和其他地物圖像的紋理特征及空間信息特征的差異進(jìn)行的云檢測(cè)算法。統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[11,12]是通過統(tǒng)計(jì)大量具有云和其他地物信息特征的樣本庫,構(gòu)建云檢測(cè)公式或基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)樣本信息進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練來達(dá)到云檢測(cè)的作用。

針對(duì)閾值的云檢測(cè)方法在不斷改進(jìn)中,對(duì)于大多數(shù)的光譜數(shù)據(jù)來說,往往是使用輻射強(qiáng)度信息進(jìn)行云檢測(cè),而利用DPC數(shù)據(jù)的多角度偏振輻射特性可以實(shí)現(xiàn)多角度判別,并且利用偏振對(duì)單次散射敏感可以很好地區(qū)分水云像元。針對(duì)海洋上空的云檢測(cè)往往是將耀光區(qū)域剔除[13],并不檢測(cè)耀光區(qū)域上空的云。然而,在研究海洋上空云物理特性和氣溶膠特性時(shí),耀光區(qū)域的云也有重要的影響。利用云的偏振特性可以檢測(cè)出耀光區(qū)域的云像元。

POLDER3是法國(guó)國(guó)家空間研究中心(CNES)研制的3顆POLDER載荷系列之一,具有多角度、多波段偏振的探測(cè)功能,主要用于研究大氣氣溶膠、云、水汽和地-氣輻射收支。POLDER3于2004年12月一直持續(xù)運(yùn)行到2013年12月,獲取了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

搭載在我國(guó)高分五號(hào)衛(wèi)星上的大氣氣溶膠多角度偏振探測(cè)(Directional polarimetric camera,DPC)于2018年5月成功開機(jī),并下傳數(shù)據(jù)。DPC的波段設(shè)置與POLDER3/PARASOL類似,主要為443～910 nm范圍內(nèi)的八個(gè)工作譜段,其中490、670、865 nm為偏振波段,多角度成像數(shù)量大于9個(gè),星下點(diǎn)空間分辨率約為3.29 km。與POLDER3相比,DPC擁有更高的分辨率,檢測(cè)云的效率更高。

DPC的主要任務(wù)是獲取全球大氣氣溶膠和云特性參數(shù),可用于海洋和陸地的觀測(cè)。有效的云檢測(cè)是進(jìn)行云特性參數(shù)反演和海洋水色反演的前提。基于DPC多角度偏振輻射信息設(shè)計(jì)了一套針對(duì)海洋上空的云檢測(cè)算法,利用云的反射率和偏振輻射特性進(jìn)行閾值檢驗(yàn),分別對(duì)海洋耀光區(qū)域和非耀光區(qū)域進(jìn)行云檢測(cè)。

1 數(shù)據(jù)和方法

云檢測(cè)是進(jìn)行云微物理特性研究和大氣氣溶膠特性反演的前提,在DPC產(chǎn)品中云檢測(cè)是不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié),接下來介紹DPC的主要技術(shù)參數(shù),再分析云檢測(cè)算法。

1.1 POLDER3和DPC數(shù)據(jù)

大氣氣溶膠多角度偏振探測(cè)儀(DPC)波段設(shè)置和功能與POLDER3相似,主要功能和任務(wù)是獲取大氣層頂?shù)亩嗖ǘ?、多角度偏振輻射反射信?用以開展大氣氣溶膠、云的光學(xué)和物理特性研究,也可以進(jìn)行海洋水體觀測(cè),為全球氣候變化和大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)提供遙感數(shù)據(jù)支撐和保障。由于POLDER3和DPC相似的儀器特性,因而利用POLDER3數(shù)據(jù)和其官方云檢測(cè)產(chǎn)品驗(yàn)證云檢測(cè)算法的有效性。DPC和POLDER3儀器的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 DPC和POLDER3主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比Table 1 The comparison of main technical parameters of DPC and POLDER3

DPC采用512×512面陣CCD作為探測(cè)器,以實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)和多角度觀測(cè)成像,空間分辨率約為3.29 km,和POLDER3相比有更高的精度。DPC有海洋模式和陸地模式兩種工作方式,可在軌切換。

1.2 海洋上空云檢測(cè)算法

非偏振的太陽直射光經(jīng)過大氣分子、氣溶膠和地物等的散射或反射后偏振態(tài)會(huì)發(fā)生改變,通常用邦加球法、瓊斯矢量和斯托克斯矢量來表征偏振態(tài)。由于斯托克斯四個(gè)矢量都有光強(qiáng)特征,偏振遙感儀器探測(cè)不同偏振方向的光強(qiáng),通過穆勒矩陣和斯托克斯矢量的方法可以研究入射光的偏振特性。文中采用斯托克斯參量(I、Q、U、V)來描述偏振光,其中,I為強(qiáng)度分量,Q、U、V是偏振分量,圓偏振分量V在自然界中存在極少,可以忽略。

為了描述地-氣系統(tǒng)對(duì)直射太陽光的反射特性,定義歸一化反射率為R,歸一化的偏振反射率為RP。二者的計(jì)算公式分別為

式中:L表示輻亮度,μs表示太陽天頂角余弦,E表示大氣層頂太陽輻照度,RP表示歸一化的偏振反射率,Q表示平行或垂直于參考平面的線偏振的強(qiáng)度,U表示與參考平面成45°角的線偏振的強(qiáng)度。

定義線偏振度P為

海洋水體和云的光譜反射率差異較大[14],在865 nm波段海水的反射率通常低于5%,而云在此波段的反射率普遍高于50%,因此將該波段作為云檢測(cè)算法的主要波段。根據(jù)菲涅爾反射定律,水體在入射光滿足布儒斯特入射角條件時(shí),反射光的偏振度接近于1。受海面上空風(fēng)的影響,海面通常不是平靜的水面,粗糙的海面可以分解為滿足一定概率分布的微小鏡面元,在一定角度范圍的反射率很高,且線偏振度峰值可達(dá)0.7～0.9[15,16]。而云的線偏振度相對(duì)較弱,因此可以利用耀光的偏振特性進(jìn)行海洋耀光區(qū)域上空的云檢測(cè)。海洋非耀光區(qū)域在近紅外波段的反射率較低,而云反射率比較高,利用二者反射率的差異,可以檢測(cè)出云像元。

1.2.1 多角度海洋耀光和云檢測(cè)

DPC可以獲取9個(gè)觀測(cè)角度數(shù)據(jù),同一個(gè)目標(biāo)像元在不同觀測(cè)角度的海洋耀光檢測(cè)和云檢測(cè)結(jié)果可能有差異。海洋耀光是由于太陽光從特定角度照射到海洋表面形成的,有耀光的區(qū)域在某個(gè)觀測(cè)角度可能沒有耀光,利用多角度可以對(duì)耀光區(qū)域不同角度的數(shù)據(jù)分別用有耀光和沒有耀光的方法進(jìn)行云檢測(cè),最后對(duì)不同角度的像元進(jìn)行空間融合可以提高云檢測(cè)結(jié)果的精度。在云檢測(cè)過程中,通過遍歷9個(gè)角度檢測(cè)海洋上空的云。

1.2.2 海洋耀光區(qū)域判識(shí)

海洋耀光是由海洋表面的鏡面反射形成的[17]亮海表,常規(guī)的云檢測(cè)算法是針對(duì)暗海表的,當(dāng)有海洋耀光時(shí),容易將其誤判為云,因此海洋上空的云檢測(cè)首先需要通過耀光角判別法區(qū)分耀光區(qū)域和非耀光區(qū)域,針對(duì)耀光區(qū)域采用偏振度閾值進(jìn)行云檢測(cè)。耀光角的定義[18]為

式中:θs、θv、φ分別是太陽天頂角、觀測(cè)天頂角、相對(duì)方位角。利用耀光角的經(jīng)驗(yàn)值判斷是否為耀光像元。

在某些角度,太陽光照在海洋表面經(jīng)過多次菲涅爾反射形成海洋耀光,海洋耀光具有強(qiáng)偏振的特點(diǎn),而云的多次散射減弱了偏振信息,云的偏振度小于海洋耀光,因此可以利用偏振度進(jìn)行海洋耀光上空的云檢測(cè)。

1.2.3 晴空反射率閾值云檢測(cè)

式中:R865是像元在865 nm波段的反射率,是像元在865 nm波段的晴空反射率,ΔR1和ΔR2為閾值,式(5)中大于ΔR1的像元為云像元,式(6)中小于ΔR2的像元為晴空像元。

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知,非耀光區(qū)域的海表在865 nm波段的反射率大約為0.6%,利用海洋上空目標(biāo)像元和晴空像元的反射率差異進(jìn)行云檢測(cè)。對(duì)于海洋上空,晴空反射率可以通過輻射傳輸模擬來獲得,海表反射模型采用Cox-Munk粗糙海面模型[19]。

1.2.4 近紅外/可見光反射率比值晴空像元檢測(cè)

式中:T是晴空像元閾值,通常T取0.7。

云在865 nm和670 nm波段的反射率比值接近于1,而晴空海表的反射率比值小于閾值T[14]。所以,目標(biāo)像元的比值小于T時(shí)為晴空像元,大于T時(shí)為未定像元。利用此特性可以檢測(cè)出晴空像元。

1.2.5 云檢測(cè)算法流程

綜合上述云檢測(cè)原理,提出了針對(duì)海洋上空云的多角度偏振輻射閾值檢測(cè)算法,算法流程如圖1所示。

圖1 基于多角度偏振輻射信息的海洋上空云檢測(cè)算法流程圖Fig.1 Flowchart of cloud detection algorithm over the ocean based on multi-angle polarization radiation information

海洋上空的云檢測(cè)算法流程如下:

第一步:輸入多角度偏振輻射的DPC數(shù)據(jù),根據(jù)海陸標(biāo)識(shí)選擇下墊面為海洋的像元,進(jìn)行多角度檢測(cè)。

第二步:根據(jù)耀光角大小判斷是否為海洋耀光,MODIS[18]的數(shù)據(jù)是依據(jù)40°的耀光角去除耀光,POLDER3[20]在業(yè)務(wù)化處理時(shí)采用30°經(jīng)驗(yàn)值判別,在應(yīng)用到DPC數(shù)據(jù)時(shí),發(fā)現(xiàn)用30°的耀光角作為閾值是比較合適的。耀光角大于30°的區(qū)域標(biāo)記為非耀光區(qū)域,小于等于30°的區(qū)域標(biāo)記為耀光區(qū)域。

第三步:對(duì)非耀光區(qū)域進(jìn)行云檢測(cè)。1)反射率檢驗(yàn),根據(jù)DPC自身的儀器特性,將與晴空反射率差值大于ΔR1的像元標(biāo)記為云像元,將與晴空反射率差閾值小于ΔR2的像元標(biāo)記為晴空像元。反射率檢驗(yàn)可以檢測(cè)出反射率特別大的云像元和反射率特別小的晴空像元;2)對(duì)反射率檢驗(yàn)識(shí)別不出來的像元進(jìn)行偏振反射率檢驗(yàn),當(dāng)135°<γ<150°并且偏振反射率大于0.02時(shí)將像元標(biāo)記為云像元;3)對(duì)剩下的未標(biāo)記像元,利用近紅外反射率和可見光反射率比值檢測(cè)晴空像元,當(dāng)目標(biāo)像元在波長(zhǎng)分別為865 nm和670 nm的反射率比值小于0.7時(shí),標(biāo)記為晴空像元,否則是未定像元。

第四步:對(duì)耀光區(qū)域進(jìn)行云檢測(cè)。由于云層的多次散射有退偏作用,云像元的線偏振度較小目標(biāo)像元的偏振度小于閾值時(shí)標(biāo)記為云像元,否則標(biāo)記為晴空像元。

第五步:輸出多角度云檢測(cè)結(jié)果。多角度云檢測(cè)貫穿在全部云檢測(cè)算法中,當(dāng)一個(gè)角度的檢測(cè)結(jié)果為云就標(biāo)記為云像元,當(dāng)所有角度的檢測(cè)結(jié)果都不是云時(shí),有一個(gè)角度的目標(biāo)像元檢測(cè)結(jié)果為晴空就標(biāo)記為晴空像元,剩下的是未定像元,最后輸出結(jié)果。

2 數(shù)據(jù)分析

基于上述云檢測(cè)算法,利用POLDER3數(shù)據(jù)進(jìn)行云檢測(cè),將云檢測(cè)結(jié)果與POLDER3的官方云檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證算法的可行性。對(duì)DPC數(shù)據(jù)進(jìn)行了云檢測(cè),用時(shí)空匹配的MODIS云掩膜產(chǎn)品作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

2.1 云檢測(cè)算法驗(yàn)證

POLDER3官方的云檢測(cè)算法主要是基于反射率閾值、表觀壓強(qiáng)和云的偏振特性等來進(jìn)行云檢測(cè),早期的POLDER3數(shù)據(jù)通過了大型云層表面觀測(cè)數(shù)據(jù)集的驗(yàn)證[21]。POLDER3運(yùn)行到2013年,其業(yè)務(wù)化產(chǎn)品也使用了很長(zhǎng)時(shí)間,因此用上述云檢測(cè)算法對(duì)POLDER3數(shù)據(jù)進(jìn)行海洋上空云檢測(cè),并與其官方云檢測(cè)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比來驗(yàn)證云檢測(cè)算法的有效性。

以POLDER3 2012年12月24日一軌海洋上空數(shù)據(jù)為例,選定區(qū)域范圍54°N～?70°S,?12°W～22°E。一致的像元標(biāo)為100,多檢的像元標(biāo)為0,漏檢的像元標(biāo)為50,如圖2所示。從圖2(d)可以看出,本研究算法和POLDER3算法都判為“有云”的像元標(biāo)記為100;云檢測(cè)算法判為“有云”,POLDER3算法判為“無云”的像元標(biāo)記為50;云檢測(cè)算法判為“無云”,POLDER3算法判為“有云”的像元標(biāo)記為0,兩者算法都認(rèn)為“無云”的像元不統(tǒng)計(jì)在內(nèi),都統(tǒng)計(jì)為“有云”的像元占統(tǒng)計(jì)像元的比例為90.40%,即兩者的云檢測(cè)一致性為90.40%,驗(yàn)證了算法的可靠性。

圖2 2012年12月24日大西洋上空云檢測(cè)算法可靠性驗(yàn)證。(a)POLDER3數(shù)據(jù)的真彩圖;(b)云檢測(cè)算法結(jié)果;(c)POLDER3官方的云檢測(cè)結(jié)果;(d)云識(shí)別結(jié)果與POLDER3的結(jié)果對(duì)比Fig.2 The reliability verification of the cloud detection algorithm over the Atlantic Ocean on December 24,2012.(a)True color picture of POLDER3 data,(b)the recognition result of the algorithm in this paper,(c)official cloud detection results of POLDER3 data,(d)the comparison of the cloud recognition result of the algorithm and POLDER3

2.2 DPC數(shù)據(jù)云檢測(cè)結(jié)果和分析

基于多角度偏振輻射閾值云檢測(cè)算法,針對(duì)DPC數(shù)據(jù)進(jìn)行了云檢測(cè)。以印度洋和大西洋上空為試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行了云檢測(cè),與MODIS的云掩膜產(chǎn)品進(jìn)行比較驗(yàn)證。

2018年8月16 日以印度洋上空為試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行云檢測(cè),目標(biāo)區(qū)域范圍在20°N～?40°N,70°E～110°E之間,實(shí)驗(yàn)區(qū)域的云檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。圖3(b)是2018年8月16日,基于DPC數(shù)據(jù)在印度洋上空的云檢測(cè)結(jié)果圖。比較DPC的云檢測(cè)結(jié)果和真彩圖,可以看出非耀光區(qū)域的云輪廓比較一致,耀光區(qū)域的云也可以檢測(cè)出來。圖3(c)的紅框區(qū)域是MODIS和DPC云檢測(cè)結(jié)果中經(jīng)緯度相同的區(qū)域,將圖3(b)中標(biāo)識(shí)1、2、3的云分別和圖3(c)中標(biāo)識(shí)1、2、3的云作比較,可以看出標(biāo)識(shí)1、標(biāo)識(shí)2和標(biāo)識(shí)3的云輪廓非常相似。

圖3 2018年8月16日印度洋上空的DPC、MODIS云檢測(cè)結(jié)果及對(duì)比分析。(a)DPC真彩圖;(b)DPC云檢測(cè)結(jié)果圖;(c)MODIS云掩膜產(chǎn)品圖Fig.3 DPC and MODIS cloud detection results and comparative analysis over the Indian Ocean on August 16,2018.(a)True color image of DPC,(b)cloud detection results image of DPC,(c)cloud mask product image of MODIS

考慮到MODIS和DPC的成像方式不同以及云的移動(dòng)等問題,選取圖3(b)和圖3(c)標(biāo)記1的區(qū)域進(jìn)行云檢測(cè)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證。對(duì)MODIS和DPC的云檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行像元融合和空間匹配,都統(tǒng)計(jì)為“有云”的像元占統(tǒng)計(jì)像元的比例為91.39%,即云像元檢測(cè)的一致性為91.39%。

2018年5月16 日以大西洋上空為試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行云檢測(cè),目標(biāo)區(qū)域范圍50°N～40°S,180°W～100°W。圖4(b)是基于上述云檢測(cè)算法的結(jié)果,圖4(c)是與DPC成像時(shí)間相近區(qū)域相同的MODIS云掩膜產(chǎn)品。將圖4(b)中標(biāo)識(shí)1、2、3、4部分的云檢測(cè)結(jié)果分別對(duì)應(yīng)于圖4(c)中標(biāo)識(shí)1、2、3、4處,可以看出兩圖中對(duì)應(yīng)標(biāo)識(shí)的部分云輪廓相似,云檢測(cè)結(jié)果相似?？紤]到海洋上風(fēng)速風(fēng)向的影響,云的位置可能稍微有移動(dòng),可以認(rèn)為DPC云檢測(cè)結(jié)果和成像時(shí)間相近區(qū)域相同的MODIS云掩膜產(chǎn)品一致。選取圖4(b)和圖4(c)中標(biāo)記1區(qū)域的云檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,對(duì)MODIS和DPC的云檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行像元融合和空間匹配,云像元檢測(cè)的一致性為94.73%,MODIS的云檢測(cè)結(jié)果和DPC的比較相近,驗(yàn)證了DPC云檢測(cè)結(jié)果。

圖4 2018年5月16日大西洋上空的DPC、MODIS云檢測(cè)結(jié)果及其對(duì)比分析。(a)DPC真彩圖;(b)DPC云檢測(cè)結(jié)果圖;(c)MODIS的云掩膜圖像Fig.4 DPC and MODIS cloud detection results and their comparative analysis over the Atlantic Ocean on May 16,2018.(a)True color image of DPC,(b)cloud detection results image of DPC,(c)cloud mask image of MODIS

3 結(jié)論

基于DPC多角度偏振輻射信息,提出了識(shí)別海洋耀光、晴空、耀光區(qū)域和非耀光區(qū)域的云檢測(cè)算法。用POLDER3數(shù)據(jù)和官方云檢測(cè)產(chǎn)品驗(yàn)證了算法的有效性,云檢測(cè)一致性達(dá)到90.40%。利用DPC多角度偏振輻射信息對(duì)印度洋和大西洋上空進(jìn)行了云檢測(cè)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果和成像時(shí)間較為一致的MODIS云掩膜產(chǎn)品作比較,經(jīng)過有特征區(qū)域的評(píng)估,DPC和MODIS的云檢測(cè)結(jié)果比較一致,選取區(qū)域的云檢測(cè)一致性分別為91.39%和94.73%,說明該云檢測(cè)算法適用于DPC數(shù)據(jù)的云檢測(cè),為DPC的全球云性質(zhì)參數(shù)反演提供了可靠的云檢測(cè)算法。