2000, 11 (1): 80-87
遥感技术和遥感资料定量化应用技术的迅速发展, 要求提高定量遥感精度.定标是影响遥感精度的重要因素.气象卫星长期处在真空、辐照等环境中工作, 遥感仪器光学系统受污染, 电子元件和探测器性能退化也将影响在轨星上定标精度[1].
FY-2和GMS-5卫星都属于自旋稳定静止气象卫星, 由于结构安装的限制, 只能实现相对定标, 采用外定标是实现绝对辐射定标的主要途径之一.
遥感仪器的定标, 即确定遥感仪器观测输出的计数值和物理量 (例如:反照率、辐亮度、亮度温度) 的函数关系.外定标一般指在定标遥感仪器所在的卫星以外寻找辐射源作为辐射参考标准, 可取地物、云、太阳、月亮等.可见光、红外通道外定标一般用已知辐射特性的均匀地表和水面为标准[2].
水汽通道探测的是对流层中上层大气, 辐射测值来源于一定厚度的大气层 (约300~500 hPa), 难以找到一个辐射参考标准面源, 因此要选取适当的定标区域, 在这个区域内可得到较准确的无线电探空资料, 利用探空测得温度、湿度廓线.考虑卫星观测的天顶角的影响, 光谱响应, 通过辐射传递计算, 得到卫星的入瞳辐射率, 对应相匹配的卫星观测计数值, 可得到辐射率和计数值的定量关系.
70年代末到80年代, 航天遥感技术先进的国家先后进行了遥感仪器绝对辐射校正的实验研究工作.进入90年代, 场地外定标方法在国际上得到进一步的重视和发展, 多种新发射和研制中的卫星遥感仪器普遍安排和计划开展场地外定标工作.
美国的NASA、亚利桑纳 (Arizona) 大学在新墨西哥州的白沙 (WSMR) 和加利福尼亚州爱德华空军基地的干湖床 (EAFB) 建立了辐射校正场, 对多颗卫星进行了外定标[3, 4], 法国在东南部建立了La Crau辐射校正场, 对LANDSAT-4/5的TM、SPOT的HRV和NOAA-9/10/11的AVHRR进行了外定标[5, 6].
静止气象卫星, 例如欧洲的METEOSAT-4/5, 也在业务中进行了外定标, 本文对METEOSAT-5水汽通道外定标方法作了改进, 采用月平均的外定标系数, 增加了稳定性, 有利于业务应用.
1 资料获取与质量控制 1.1 卫星云图的定位方法为了确定探空站对应的象素, 需要较准确的卫星云图定位, 本文采用了日本卫星气象中心提出的一组简化方程来实现VISSR帧坐标系和地球坐标系间的坐标变换[7].这种简化计算基于以下四点假设: ①卫星高度VISSR观测期间保持不变; ②在VISSR观测期间, 卫星自旋速率保持不变; ③VISSR帧平面坐标系中定义的扫描行、列值与在卫星坐标系中定义的扫描行、列值相同; ④VISSR头记录中给的5°间隔的定位网格数据是准确的.用这种方法求出的定位网格交点的行列号的误差为: js的平均相对误差7.098×10-2, 均方根误差0.2865, is的平均相对误差1.482×10-2, 均方根误差0.2984, 满足水汽通道的定位要求.
1.2 资料的匹配水汽通道外定标过程中很重要的一点是探空资料和水汽通道计数值的匹配, 包括时间和空间的匹配.在时间上, 本文选00:00、12:00 (UTC, 下同) 的探空和卫星资料; 空间匹配以探空站所在的位置为中心, 用云图上11×11个象素的平均计数值和该站的探空资料匹配.11×11个象素的面积在星下点约55 km×55 km, 在离开星下点经纬度各40度处11×11个象素代表的区域约80 km×80 km.在无云或有低云的区域, 大气状况比较稳定, 认为探空资料能代表在所取区域的大气状况.取探空站周围11×11个象素是为了消除噪音的影响, 并且能找到更多的无云或有低云的探空站[8].
1.3 云检测外定标需要取无云的区域, 水汽通道只能观测到大气中上层的情况, 因此, 低云的影响不大, 可以忽略.云检测方法如下:①在红外云图上, 找出所取探空站的位置, 如果探空站周围是黑色或深灰色, 则表明此站上空无云或有低云, 资料是可用的, 用这种方法要人工分析云图; ②利用地面报中的云量, 取云量为0的站的资料; ③在水汽云图上, 判断以探空站为中心的小区域内, 计数值是否均匀, 阈值取为5, 如果不均匀则认为可能有云, 去掉该站.
1.4 探空资料的质量控制探空资料存在质量不稳定问题, 使用前必须进行质量控制.一般要做水平和垂直方向的检查, 由于探空站稀疏, 只做了垂直方向的静力检查[9], 如果只有一层的资料有错, 则用上下两层的资料插值代替这层的值, 否则去掉这个站的资料.
为了进一步提高资料的质量, 又采用'假计数值'的方法[10]去掉一部分误差较大的探空资料.根据所取的探空廓线求出卫星的入瞳辐射率, 由Planck定律算出亮温, 再查温度转换表, 得到计数值, 由于这个计数值是计算得到的, 称为'假计数值”, 用'假计数值”减去卫星观测的计数值, 如果绝对值大于10, 则认为此站的探空资料误差较大, 去掉此站资料.阈值大小主要考虑探空资料的精度与匹配的资料的数量.
无线电探空仪在高层误差较大[11], 并且在温度低于-40 ℃时, 多数探空站没有湿度报告.而且对卫星的水汽通道贡献较大的水汽层在300至600 hPa, 300 hPa以上假设相对湿度随高度线性递减, 到100 hPa减少为0, 根据Takayama (1992)[12]的研究结果, 这种线性外推是合理的, 但是在热带, 当平流层非常潮湿的时候, 外推的值可能比实测值小.
其他的质量控制方法, 如探空资料在湿度较小的地方误差大, 如果相对湿度小于5%则去掉, 在所选探空站卫星的天顶角小于50°.
由于计算辐射率时, 低层从850 hPa开始, 所选探空站的拔海高度较低, 在1000 m以下.另外, 作垂直方向的静力检查时, 如果某站没有850 hPa的探空资料, 就不用该站的探空资料, 这样也去掉了一些拔海高度较高的站.
2 辐射计算假定大气是局地热力平衡的分层平行、水平均匀非散射大气, 用LOWTRAN 7计算卫星的入瞳辐射率.
2.1 散射影响分子散射主要发生在可见光波段, 随着波长增加而变小.水汽通道波长较长, 可忽略分子散射.而且水汽在6.3 μm有一个吸收带, 相对吸收来说, 气溶胶散射的影响也可以忽略, 所以本文辐射计算不考虑散射的影响[13].
2.2 积分高度的选择GMS-5、FY-2水汽通道的权重函数随高度的变化如图 1所示:大气廓线为1976年美国标准大气, 天顶角为0°.由图可以看出, 通道的贡献主要在3~17 km, 高度积分为3~17 km, 约700~100 hPa, 17 km以上水汽含量很少, 对辐射的影响很小, 计算中不考虑.
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| 图 1. GMS-5 (虚线) 和FY-2 (实线) 水汽通道权重函数 | |
3 GMS-5定标方法及结果 3.1 GMS-5定标方法
由发射前的定标可知, 卫星的计数值和辐射率呈线性关系, 外定标也建立线性的模型:
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(1) |
Lν0是中心波数ν0的辐射率W/(cm2.sr.cm-1), Lν是波数为ν的辐射率, a, b为定标系数, C为计数值, ν1、ν2是截止波数, O (ν) 是水汽通道的光谱响应函数.具体定标过程如下:
(1) 用LOWTRAN 7计算出Lν, 输入的探空廓线经过资料预处理, 计算辐射率时, 积分高度为3~17 km, 波数积分为1355~1570 cm-1, 不考虑散射、气溶胶和云的影响;
(2) 每个探空站对应周围11×11个计数值, 对其求算术平均值, 和该站的辐射值Lν0匹配.认为冷空间辐射值为0, 从水汽云图上可以看出冷空间的计数值为244, 且在卫星运行过程中不变, 所以在匹配的点中增加了点 (12, 0).
(3) 外定标反映的是星上探测器的长期变化, 在相邻的几天内, 探测器性能变化较小, 可以用几天的资料拟合定标系数, 所得系数比较稳定.从星上黑体的定标系数看, 这个条件是成立的.
3.2 定标结果及误差分析对GMS-5外定标, 所取资料时间为1995年7~12月、1996年10~12月每月中旬的3至4天和1997年12月.所选探空站位于100°E~180°, 40°N~40°S, 每天取00:00各标准层的温、压、湿探空资料.表 1给出计算的每月定标曲线的斜率、截距和相关系数.
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表 1 GMS-5水汽通道定标系数 |
根据相关系数检验和F检验, 在显著性水平为0.01时, 辐射率和计数值有显著的线性关系, 所以采用上述线性定标模型是合理的.
影响计算的定标系数的原因主要是探空资料的精度, 卫星资料的精度和辐射传输模式.用LOWTRAN 7计算时, 积分高度对辐射率的影响不大, 积分高度3~17 km与3~25 km差别不大, 如1976年标准大气廓线, 积分高度为3~17 km与3~25 km (其他选项相同), 积分辐射率分别为:1.351×10-4 (W/(cm2·sr)), 1.349×10-4 (W/(cm2·sr)), 天顶角的影响较大.每月的定标系数, 用这个月所有匹配的点做回归曲线, 取另外的资料检验, 图 2给出根据新的定标系数求出的亮温和探空资料算出的亮温的结果比较.由图 2可见GMS-5 1997年12月11~30日定标曲线检验结果, 这20天取得501个匹配点, 用250个拟合定标曲线, 另251个做检验的样本.直方图中横轴是用卫星计数值换算的亮温与探空资料求出的亮温的差, 其温差间隔为1度, 例如-1度的频数为30, 代表定标后温差在-1~0度之间的有30个点.纵轴是频数, 从图上可以看出, 外定标后, 卫星测值更接近探空资料的结果.
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| 图 2. GMS-5 1997年12月用探空资料对定标曲线的检验结果 (白色表示用原定标系数换算的亮温与探空资料算出亮温的温差频数, 黑色表示新定标系数的结果) | |
4 FY-2的定标方法及结果 4.1 FY-2的定标方法
FY-2的外定标模型, 资料处理、辐射计算和GMS-5基本相同, 此外FY-2的外定标还考虑了星蚀期间的影响.由FY-2星上遥测数据可知, 在星蚀期间星上温度变化剧烈, 各个时次星上定标系数变化很大.外定标反映不出星上的短期变化.除了用和GMS-5相同的方法定标以外, 为了满足星蚀期间的需要, 采用如下定标方法:
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(2) |
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(3) |
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(4) |
as、bs、Ls分别是星上黑体定标的斜率、截距、卫星测得入瞳辐射率.T、U分别是外定标的斜率、截距, L为探空资料计算的辐射率, T、U由匹配的点 (L, Ls) 用最小二乘法拟合.
4.2 定标结果与检验对1997年11月26日和12月2~4日, 共75个匹配点, 拟合的定标曲线得到斜率为1.3567818×10-8, 截距-2.4755772×10-8, 样本数75.经相关系数检验和F检验, 取显著性水平α=0.01, 卫星计数值和辐射率有显著的线性关系, 所取定标模型是合理的.
FY-2取得资料较少, 检验采用探空资料和GMS-5资料两种方法.
图 3是用1997年12月17~24日的资料检验12月外定标系数的温差直方图.图中温差频数极大值为-2~1度, 大部分为-3~-1度.
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| 图 3. 1997年12月外定标系数检验 | |
采用与GMS-5相互比较的检验方法基于遥感器相对定标的原理.检验时取FY-2和GMS-5中间的象元, 即所取检验的点位于122.5°E, 从60°N~60°S每隔5°以该位置为中心, 取5×5个象元求平均值, 代表这一位置的计数值, 要求所取象元无云, 检测云用均匀性检测法, 阈值取3.FY-2和GMS-5水汽通道中心波数很接近, 不加订正.检验结果如图 4和图 5.由图 4和图 5可以看出两次检验结果, FY-2与GMS-5的水汽通道亮温温差极大值在-1~0度, 还是比较准确.
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| 图 4. 1998年1月5日23:00 FY-2与GMS-5水汽通道亮温温差 (样本数29) | |
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| 图 5. 1997年12月17日23:00 FY-2与GMS-5水汽通道亮温温差 (样本数31) | |
考虑星蚀的影响, 做了2组定标系数, 一组是用12月2~4日的资料, 另一组是用12月17~24日的资料.定标曲线分别如图 6和图 7.
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| 图 6. 考虑星蚀影响的FY-2水汽通道外定标曲线 12月2～4日资料, 斜率0.95899221, 截距1.858632×10-7, 样本数75) | |
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| 图 7. 考虑星蚀影响的FY-2水汽通道外定标曲线 2月17～24日资料, 斜率: 0.95230451, 截距: 2.3483321×10-7, 样本数: 183) | |
图 6和图 7中两次定标系数变化不大.如果已知星上的定标系数, 结合外定标系数, 就可以得到计数值和辐射率的关系, 在星上定标稳定时, 考虑星蚀影响与否的两种方法是一样的, 在星蚀期间第二种方法应该更好.
5 小结本文介绍了GMS-5、FY-2水汽通道的外定标工作, 根据探空资料的温度、压强、湿度廓线, 用LOWTRAN 7计算卫星的入瞳辐射率, 和卫星的计数值匹配, 拟合出定标系数, 对FY-2又考虑了星蚀期间的情况, 用2种方法检验所得定标系数, 温差大部分小于2度, 有较好的实用价值.FY-2水汽通道的外定标已在业务中试用.
本文所用的定标方法都是基于统计结果, 要求大量的资料, 以保证所得结果的精度和稳定性, 由于探空资料的限制所取资料数量有限, 对FY-2持续的时间也不长, 如果收集大量资料, 长时间的监测定标系数的变化, 会有更好的效果.
定标的方法很多, 需要通过较严格的真实性检验加以评价, 一般说来各种方法各有长处, 需要综合应用, 才可能得到比较准确的结果.
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