張麗娟 張建輝 趙愛梅 翁國(guó)慶 楊藝 陳輝 滕佳華 趙少華 王中挺

(生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094)

沙塵天氣是在特定的地理環(huán)境和下墊面條件下，由特殊的氣象條件形成的一種較為常見的自然現(xiàn)象[1-2]。沙塵天氣會(huì)伴隨大量可吸入顆粒物和強(qiáng)大風(fēng)力，同時(shí)會(huì)降低沿途的空氣能見度，由此對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境、人體健康和交通造成的損失難以估計(jì)[3-4]。衛(wèi)星遙感具有大范圍、空間分布連續(xù)、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)沙塵天氣的起源、傳輸路徑、影響范圍和強(qiáng)度變化等具有重要意義。

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于土(Terra)衛(wèi)星和水(Aqua)衛(wèi)星的中等分辨率成像光譜儀(MODIS)數(shù)據(jù)、諾阿(NOAA)衛(wèi)星甚高分辨率輻射儀(AVHRR)數(shù)據(jù)、向日葵衛(wèi)星-8(Himawari-8)數(shù)據(jù)、微風(fēng)衛(wèi)星(Aura)臭氧監(jiān)測(cè)儀(OMI)數(shù)據(jù)等開展了大量沙塵天氣研究[5-12]。同時(shí)，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)源也越來越豐富，不少專家學(xué)者利用風(fēng)云-4A衛(wèi)星多通道掃描成像輻射計(jì)(AGRI)數(shù)據(jù)、風(fēng)云-3A/B衛(wèi)星可見光紅外掃描輻射計(jì)(VIRR)和風(fēng)云2號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)等對(duì)中國(guó)沙塵天氣開展了監(jiān)測(cè)方法研究[13-18]。

本文基于中國(guó)自主研發(fā)的環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B(HJ-2A/B)衛(wèi)星搭載的紅外相機(jī)(IRS)探測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建了沙塵遙感監(jiān)測(cè)算法，并結(jié)合MODIS遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探索分析了環(huán)境HJ-2A/B衛(wèi)星在沙塵天氣場(chǎng)景的分辨能力，并討論了其在沙塵遙感監(jiān)測(cè)方面的不足，對(duì)于提升國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星遙感自主應(yīng)用、減少沙塵領(lǐng)域?qū)?guó)外遙感數(shù)據(jù)的依賴具有參考意義。

1 研究方法、研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 沙塵反演方法

1)云和水體像元識(shí)別

云像元的識(shí)別也是沙塵遙感觀測(cè)中的最為重要的科學(xué)問題之一?？紤]到與下墊面相比，云一般具有較高的反射同時(shí)溫度相對(duì)較低的特征，利用紅波段(0.65 μm)、近紅外波段(0.86 μm)的表觀反射率和熱紅外通道的亮度溫度通過閾值方法可以很好的把云檢測(cè)出來，即云像元的識(shí)別方法為

(ρr+ρn)>Thρ1∪(T12

Thρ2∩(T12

(1)

水體象元的判別條件為

(ρn

其中，NNDVI=(ρn-ρr)/(ρn+ρr)

(2)

式中：ρr和ρn分別表示在紅波段(0.66 μm)和近紅外波段(0.86 μm)的表觀反射率；T12為熱紅外波段(12 μm附近)的亮度溫度；Thρ1、Thρ2和Thρ3分別為表觀反射率判別閾值，本文結(jié)合MODIS的真彩圖判識(shí)結(jié)果分別設(shè)為0.9、0.7和0.1；Tht1和Tht2分別為熱紅外波段亮溫判別閾值，本文設(shè)為265 K和285 K；NNDVI為歸一化植被指數(shù)。同時(shí)，為消除云邊緣的影響，將識(shí)別出的云像元擴(kuò)展到周圍5×5個(gè)像元。

2)沙塵遙感監(jiān)測(cè)

根據(jù)沙塵粒子光譜特征，通常情況下沙塵在可見光及近紅外波段較地表具有較高的反射率，而在紅外波段，懸浮在空中的沙塵粒子溫度通常比地面低。因此，可綜合沙塵粒子在可見光-近紅外波段的高反射和熱紅外波段的低輻射特征，設(shè)計(jì)不同的判斷閾值可有效將沙塵和地表區(qū)分開來。因此在出現(xiàn)沙塵天氣時(shí)，可以根據(jù)HJ-2A/B衛(wèi)星紅外相機(jī)(IRS)觀測(cè)到的11 μm和12 μm波段的亮溫，結(jié)合沙塵的紅波段和近紅外波段光譜特征，實(shí)現(xiàn)沙塵衛(wèi)星遙感判別，如圖1所示。

圖1 紅外相機(jī)沙塵遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)路線圖Fig.1 Flowchart of dust remote sensing monitoring based on infrared camera

(1)可見光及近紅外波段沙塵識(shí)別

考慮沙塵粒子在可見光波段的反射率高于地表而低于云，結(jié)合HJ-2A/B的紅波段對(duì)不同地物的反射率，沙塵天氣發(fā)生時(shí)，紅波段的反射率大于0.3且小于0.5。

ρr>0.3∩ρr≤0.5

(3)

(2)熱紅外波段沙塵識(shí)別

根據(jù)輻射傳輸理論，在熱紅外波段(10～12 μm)范圍，沙塵的散射和吸收作用隨著波長(zhǎng)的增加而逐漸減弱。特別是干燥沙塵對(duì)11 μm和12 μm波段輻射有不同的吸收衰減，其中對(duì)11 μm波段的衰減略強(qiáng)于12 μm波段，這就使得一般情況下12 μm波段的亮溫略高于11 μm波段，因此可以采用11 μm和12 μm波段衛(wèi)星傳感器探測(cè)的亮溫差來判斷沙塵區(qū)域。判斷閾值為

T12-T11>0

(4)

(3)沙塵強(qiáng)度遙感計(jì)算

近紅外波段1.6 μm波段由于受大氣分子與微粒氣溶膠的紅外輻射干擾較小，同時(shí)對(duì)大氣沙塵遙感特征是線性分布的，且穩(wěn)定性較高。因此，一般可以采用1.6 μm波段的反射率，構(gòu)建沙塵強(qiáng)度指數(shù)為

I=α×exp(β×ρ1.6-1)

(5)

式中：ρ1.6為1.6 μm波段的反射率；α和β為調(diào)節(jié)因子，可設(shè)為10和0.8[19]；I表示沙塵強(qiáng)度，一般當(dāng)I為1～2時(shí)可認(rèn)為浮塵，2～3為揚(yáng)沙，3以上為沙塵暴。

1.2 紅外相機(jī)研究數(shù)據(jù)

紅外相機(jī)(IRS)是HJ-2A/B衛(wèi)星的主載荷，具有多譜段、高分辨、大視場(chǎng)、能夠快速重復(fù)探測(cè)等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)覆蓋了11 μm和12 μm等可用來監(jiān)測(cè)沙塵信息的波段(見表1)。通過雙星組網(wǎng)，監(jiān)測(cè)幅寬超過720 km，衛(wèi)星有望實(shí)現(xiàn)我國(guó)及世界范圍內(nèi)的環(huán)境和災(zāi)害全天時(shí)、短重復(fù)周期的有效監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，為生態(tài)環(huán)境治理、災(zāi)后救援重建等工作提供重要科學(xué)依據(jù)。

表1 紅外相機(jī)波段參數(shù)信息Table 1 Parameter information of infrared camera

2 結(jié)果分析

利用HJ-2A/B衛(wèi)星紅外相機(jī)數(shù)據(jù)，對(duì)我國(guó)北方地區(qū)的沙塵天氣影響范圍及等級(jí)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)分類，采用相近時(shí)相的MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，評(píng)判其紅外相機(jī)數(shù)據(jù)在沙塵分布范圍、強(qiáng)度等級(jí)等信息提取方面的應(yīng)用能力。

2.1 HJ-2A/B衛(wèi)星對(duì)沙塵天氣場(chǎng)景分辨能力

從HJ-2A/B衛(wèi)星紅外相機(jī)數(shù)據(jù)影像可以看出，影像地物紋理特征明顯、邊界清晰，陸地、沙塵、云、水體不同場(chǎng)景物的差異顯著，有利于開展沙塵天氣遙感識(shí)別(圖2)。

圖2 我國(guó)北方新疆、內(nèi)蒙古和蒙古國(guó)過交界處地區(qū)圖像Fig.2 Color image of Xinjiang, Inner Mongolia of China and Mongolia

2.2 沙塵天氣環(huán)境HJ-2A/B衛(wèi)星監(jiān)測(cè)能力

2021年3月14—19日，我國(guó)北方地區(qū)發(fā)生了一次大范圍沙塵天氣，MODIS對(duì)本次沙塵天氣過程進(jìn)行持續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)。14日，蒙古國(guó)西北部起沙，我國(guó)內(nèi)蒙古西部及甘肅中部出現(xiàn)沙塵天氣；15日—16日，隨著氣流東移南下，我國(guó)北方各省均出現(xiàn)沙塵天氣，局部地區(qū)出現(xiàn)沙塵暴；17日—19日，受沙塵回流影響，華北地區(qū)又出現(xiàn)了短暫的沙塵天氣。14日—19日國(guó)內(nèi)沙塵影響面積分別為27萬、133萬、116萬、114萬、51萬和117萬平方千米。

選取2021年3月17日HJ-2A/B衛(wèi)星紅外相機(jī)數(shù)據(jù)，對(duì)我國(guó)北方局部地區(qū)沙塵天氣進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，并與MODIS監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。選取HJ-2A/B和Terra衛(wèi)星過境時(shí)間較為接近的3月17日13時(shí)左右衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其中12時(shí)57分過境的HJ-2A/B和13時(shí)20分過境的Terra衛(wèi)星均監(jiān)測(cè)到我國(guó)新疆、內(nèi)蒙古和蒙古國(guó)接壤地區(qū)發(fā)生了一次沙塵暴天氣(圖3)。疊加選取二者監(jiān)測(cè)交集區(qū)域，統(tǒng)計(jì)對(duì)比二者監(jiān)測(cè)結(jié)果一致性，以MODIS監(jiān)測(cè)結(jié)果為參考，在沙塵天氣地區(qū)，IRS與MODIS監(jiān)測(cè)的一致率為57.6%；在非沙塵天氣地區(qū)，二者一致率為89.8%，綜合來看二者總體一致率約為81%(見表2)。從沙塵強(qiáng)度等級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看(圖4)，與MODIS監(jiān)測(cè)結(jié)果相比，IRS非沙塵和浮塵監(jiān)測(cè)面積略大于MODIS，揚(yáng)塵和沙塵暴天氣范圍小于MODIS?？傮w來看，MODIS和IRS監(jiān)測(cè)沙塵分布范圍基本一致，MODIS監(jiān)測(cè)的沙塵分布范圍略大，沙塵強(qiáng)度也略強(qiáng)。

圖3 2021年3月17日沙塵天氣等級(jí)結(jié)果提取遙感圖像對(duì)比Fig.3 Comparison of dust classification retrievals on March 17，2021

表2 MODIS和IRS沙塵分布監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)對(duì)比Table 2 Comparison of dust retrievals between MODIS and IRS

圖4 沙塵各等級(jí)分類結(jié)果統(tǒng)計(jì)對(duì)比Fig.4 Comparison of dust classification results at different levels

2.3 沙塵天氣環(huán)境二號(hào)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)能力

1)單景影像沙塵天氣遙感監(jiān)測(cè)能力

根據(jù)本次沙塵過程，選取部分HJ-2A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展多期監(jiān)測(cè)結(jié)果測(cè)試(圖5～7)，表明HJ-2A/B衛(wèi)星相機(jī)能有效針對(duì)不同場(chǎng)景提取沙塵分布及其強(qiáng)度等級(jí)信息。

圖5 2021年3月16日山東黃海等地浮塵天氣結(jié)果提取遙感圖像Fig.5 Floating dust retrievals in Shandong and Yellow Sea on March 16, 2021

圖6 2021年3月17日山東河北等地浮塵天氣結(jié)果提取遙感圖像Fig.6 Floating dust retrievals in Shandong and Hebei provinces on March 17, 2021

圖7 2021年3月18日內(nèi)蒙古中部等地浮塵和揚(yáng)塵天氣結(jié)果提取遙感圖像Fig.7 Floating dust retrievals in central Inner Mongolia on March 17, 2021

2)沙塵天氣日變化遙感監(jiān)測(cè)能力

以2021年3月15日為例，對(duì)HJ-2A/B衛(wèi)星沙塵天氣業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)應(yīng)用能力進(jìn)行測(cè)試。共檢索到HJ-2A/B衛(wèi)星紅外相機(jī)數(shù)據(jù)35景，將每一景監(jiān)測(cè)結(jié)果與MODIS日監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行疊加對(duì)比分析(圖8)。

圖8 我國(guó)北方地區(qū)沙塵天氣結(jié)果提取遙感圖像Fig.8 Remote sensing image extracted from dust results in northern China

從圖8可以看出，HJ-2A/B衛(wèi)星紅外相機(jī)和MODIS數(shù)據(jù)在新疆西南部、內(nèi)蒙古西南部、甘肅東部、寧夏北部、陜西北部、河北南部等地均監(jiān)測(cè)到沙塵天氣，但是在我國(guó)北方遼寧西北部、河北北部、山西北部、南疆盆地東部等大部分地區(qū)MODIS監(jiān)測(cè)到沙塵天氣的地區(qū)，IRS未監(jiān)測(cè)到沙塵。這主要是因?yàn)镠J-2A/B衛(wèi)星覆蓋范圍有限且信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)較弱等問題導(dǎo)致部分地區(qū)沙塵天氣缺乏有效監(jiān)測(cè)信號(hào)或者信號(hào)較弱未能識(shí)別出沙塵天氣，在沙塵天氣業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面還有待優(yōu)化改善。

2.4 沙塵天氣HJ-2A/B衛(wèi)星監(jiān)測(cè)能力

1)數(shù)據(jù)質(zhì)量

從HJ-2A/B衛(wèi)星提取沙塵結(jié)果來看，沙塵提取條帶影響較大，導(dǎo)致條帶覆蓋部分提取結(jié)果失真，這主要和原始數(shù)據(jù)質(zhì)量有關(guān)(圖9)。

圖9 2021年3月15日寧夏東部地區(qū)IRS11 μm DN值和沙塵天氣結(jié)果提取結(jié)果Fig.9 DN value of IRS at 11μm and dust results in Eastern Ningxia on March 15, 2021

2)輻射定標(biāo)

總體來看，與MODIS監(jiān)測(cè)沙塵天氣強(qiáng)度相比，IRS監(jiān)測(cè)的沙塵強(qiáng)度偏弱。這主要是因?yàn)闊峒t外波段輻射定標(biāo)精度有待提高，對(duì)不同場(chǎng)景差異表現(xiàn)能力偏弱會(huì)導(dǎo)致沙塵天氣監(jiān)測(cè)范圍偏小、強(qiáng)度偏弱。

為定量對(duì)比分析IRS和MODIS的輻射定標(biāo)精度監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比情況，選取2021年3月15日新疆南部地區(qū)的一副衛(wèi)星遙感影像，分別計(jì)算IRS和MODIS在11 μm附近波段的亮溫(圖10)，將IRS重采樣至1 km與MODIS進(jìn)行空間疊加，并隨機(jī)抽樣選取10 000個(gè)像元進(jìn)行對(duì)比分析(圖11)。結(jié)果表明，MODIS與IRS在11 μm波段亮溫空間分布基本一致，二者相關(guān)系數(shù)超過0.98；其中，IRS的11 μm亮溫略高于MODIS，與MODIS相比平均絕對(duì)誤差為3.15 K，標(biāo)準(zhǔn)差為24.14 K，較MODIS低0.58 K，說明IRS的亮溫對(duì)不同地物差異呈現(xiàn)略弱于MODIS，這與輻射定標(biāo)密切相關(guān)。

圖10 新疆南部地區(qū)11 μm波段亮溫計(jì)算結(jié)果Fig.10 Brightness temperature at 11μm in southern Xinjiang

圖11 IRS和MODIS亮溫計(jì)算結(jié)果抽樣對(duì)比散點(diǎn)圖Fig.11 Comparison of brightness temperature from IRS and MODIS

3 結(jié)束語(yǔ)

HJ-2A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)整體質(zhì)量較好，在測(cè)試區(qū)域內(nèi)影像較為清晰，可以較為準(zhǔn)確地提取沙塵天氣。測(cè)試影像能較清晰的呈現(xiàn)陸地、云和沙塵等主要場(chǎng)景的整體輪廓以及結(jié)構(gòu)特征，在提取沙塵天氣遙感監(jiān)測(cè)信息時(shí)，能較準(zhǔn)確地判識(shí)沙塵天氣影響區(qū)域，與國(guó)際上常用的MODIS結(jié)果相比，在沙塵天氣地區(qū)，IRS與MODIS監(jiān)測(cè)的一致率為57.6%；在非沙塵天氣地區(qū)，二者一致率為89.8%，綜合來看二者總體一致率約為81%，其空間分布規(guī)律與參照數(shù)據(jù)整體吻合，HJ-2A/B衛(wèi)星IRS具備一定的沙塵遙感監(jiān)測(cè)能力。但是IRS仍存在熱紅外波段條帶噪聲較大、輻射定標(biāo)精度不高等問題，可能會(huì)導(dǎo)致沙塵天氣監(jiān)測(cè)結(jié)果范圍偏小、強(qiáng)度偏弱，并且受幅寬、重訪周期等因素限制，HJ-2A/B衛(wèi)星開展沙塵天氣業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)應(yīng)用能力有限，需要開展多星組網(wǎng)觀測(cè)以提高其覆蓋度和監(jiān)測(cè)頻次。