fy-2云檢測中動態(tài)閾值提取技術改進方法研究

1、第 2 9 卷第 4 期 2 0 1 0年 8月 紅 外 與 毫 米 波 學 報 J ．I n f r a r e dMi l l i m．Wa v e sVo 1 ．2 9，No ． 4A u g u s t ， 2 0 1 0文章編號： 1 0 0 1 — 9 o 1 4 ( 2 o m ) o 4— 0 2 8 8— 0 5F Y ． 2云檢 測 中動態(tài) 閾值提 取 技 術 改進 方 法研 究 劉健( 國家衛(wèi)星氣象 中心 ， 北

2、京 1 0 0 0 8 1 )摘要 ： 針對固定分析 區(qū)云檢測 閾值提取 中存在的問題 ，采用滑動分析 區(qū)和嵌套分 析 區(qū)的方 法改進 云檢測閩值提取 方 法． 個例分析表 明， 夏季 多積云 ， 較少 出現(xiàn) 大片層云覆蓋情況 ， 由基本分櫨 區(qū)獲取的有效云檢 測閾值 為 4 9 ％ ， 分析 區(qū)調(diào)整為滑動分析 區(qū)和嵌 套分析 區(qū)后 ， 有效云檢測 閾值 的比例提高至 7 8 ． 7 ％ t 冬 季易 出現(xiàn) 大片層云 ， 且云 雪混雜，

3、由基本分析 區(qū)獲取的有效云檢 測閾值為 4 3 ％ ， 分析 區(qū)調(diào)整為滑 動分析 區(qū)和嵌套分析 區(qū)后， 有效 云檢測 閾值 的 比例提高至 7 4 ． 8 8 ％． 分析結果說 明， 采用滑動和嵌套分析 區(qū)的方法， 可有效改善動態(tài)云檢測 閾值 的提取 比例 ， 改進云檢 測效果．關 鍵 詞 ： 云檢測 ； 動態(tài)閾值 ； 分析 區(qū)調(diào)整 中圖分 類號 ： P 4 1 2 ． 2 7文獻標識碼 ： An佃 ’ RO 佃 NT oFIN A

4、 M I C r 玎 H0】 L D VAI】 E E XTRACTI oN TECHNI CI N F Y- 2CLOUD DE TECTI oN UUJ i a n( N a t i o n a lS a t e l l i t eMe t e o r o l o g i c a lC e n t e r ， B e i j i n g1 0 0 0 8 1 ， C h i n a )Ab s t r a c t ：T

5、oi mp r o v et h ed y n a mi cc l o u dd e t e c t i o nt h r e s h o l dv a l u e ，mo v i n ga n dn e s t i n ga n a ly s i sa r e ame t h o d sw e r eu s e dt oi mp r ov et hed y n a m i cc l o u dd e t e c t i o nt h

6、r e s h o l dme t h o d ．E x a mp l ea n a ly s i si n d i c a t e st h a tal o to fc u mu l u sc l o u da l wa y sa p -p e a r sa n dt he r ei sl i t t l es t r a t u si ns u mme r ，a n di nt hi sc a s et h ee f e c t i

7、 v ec l o u dd e t e c t i o nt h r e s h o l dv a lu eo b t a i n e db yb a s i sf i x e da na l y s i sa r e ai s4 9 ％ ． T h ep r op o r t i o no fe f e c t i v ec l o u dd e t e c t i o nt l l r e s h o l dv a l u ei

8、se n h a n c e dt o7 8 ． 7 ％ a f t e ra d i u s t i n gb a s i sa n a ly s i sa r e at omo v i n ga n dn e s t i n ga n a ly s i sa r e a s ．I nwi n t e r ，s t r a t u si sad o mi n a t eC l o u ds y s t e m ，a n di ti s

9、e a s yt o b ed i s t i n g u i s h e df r o m s n o w．n1 ee f e c t i v ec l o u dd e t e c t i o nt h r e s h o l dv a lu ei s4 3 ％ b yb a s i sf i x e da n a ly s i sa r e ai nw in t e r ．n1 ep r o p o r t i o no fe

10、 f e c t i v ec l o u dd e t e c t i o nt h r e s h o l dv a l u ei se n h a nc e dt o7 4 ． 8 8 ％ a f t e ra d j u s t i n gb a si sa na ly s i sa r e at om o v i n ga n dn e s t i n ga n a ly s i sa r e a s ．T h ea n a

11、ly s i sr e s u l t ss h o w t h a tt h ep r o p o r t i o no f e f f e c t i v ec l o u dd e t e c t i o nt h r e s h o l dv a lu ei se f f e c ．t i v e l ye n h a n c e db yu s i n gmo v i n ga n dn e s t i n ga n a

12、l y s i sa re ame t ho da n d t hea c c u r a c yo f c l o u dd e t e c t i o ni sa ls oi mp r o v e d ．K e yw o r d s ： c l o u dd e t e c t i o n ； d y n a m i ct h r e s h o l d ； a n a l y s i sa r e aa d j u s t

13、m e n t引言 云是影響氣候變化的重要 因素 ， 它直接影響著 地球系統(tǒng)的輻射收支 ， 故而其一直是氣象工作者研 究的對象． 自 從發(fā)射 了氣象衛(wèi)星 ， 衛(wèi)星資料就成為一 種新的研究手段． 當前 ， 衛(wèi)星資料 已被廣泛地用于研 究云的各方面性質(zhì)及其作用 ， 并用于云參數(shù) 的反演 和云分析工作．為了從衛(wèi)星數(shù)據(jù)中取得 比較準確的云參數(shù)或利 用衛(wèi)星資料進行云分析研究 ， 首先要進行云檢測， 把 有云的像元點判識 出來． 進行云檢測 的方法

14、手段眾 多 ， 但 以閾值方法為最基本最主要的方法．閾值方法的發(fā)展是 以確定 閾值方法的發(fā)展、 判 識精度的提高為標志． 閾值方法的基本原理是利用 云與地物在可見光及紅外通道上所表現(xiàn)出的反射率 和亮度溫度的明顯不同設置閾值， 進行云的檢測． 早 期 的閾值云判識方法采用單一通道、 單一固定 閾值 做為判識條件 ， 如單一可見光閾值判識或單一紅外 閾值判識 ， 利用像元 的探測值與閾值 比較后 的大小 關系， 將像元判識為云像元或晴空像元

15、． 隨著衛(wèi)星技 術的發(fā)展 ， 探測通道 的增多 ， 判識條件逐步發(fā)展 ， 如 今的閾值云判別方法 已發(fā)展成為以多通道多閾值判 收稿 日期 ： 2 0 0 9— 0 8— 2 2， 修回 日期 ： 2 0 1 0． 0 l一 2 5R e c e i v e dd a t e ： 2 0 0 9— 0 8— 2 2 ， r e v i s e dd a t e： 2 0 1 0一 O 1— 2 5基金項 目： 國家高技術研究發(fā)展計劃 (

16、8 6 3 計劃 ) ( 2 0 0 9 A A 1 2 Z 1 5 0 ) ； 公益性行業(yè)( 氣象 ) 專項資助 作者簡介 ： 劉 健 ( 1 9 6 9 一 ) ， 女 ， 江蘇無錫人 ， 研究員 ， 主要研究方 向為衛(wèi)星遙感大氣定量產(chǎn)品處理及其在天氣氣候分析中的應用 ， E — m a i l ： l i u j i a n@ c ma ． g o v ． a n ．紅 外 與 毫 米 波 學 報 2 9 卷 圖 2 動態(tài)云檢測

17、閾值嵌 套分 析區(qū)示意 圖F i g ． 2S k e t c hma po fn e s t i n ga r e a st og a i nd y n a mi cc l o u dt h r e s h o l dv a l u e析區(qū)中所提取的動態(tài) 閾值 t h r e ， t h r e， t h r e間存在下 述關 系 ：( 1 )t h r e 最大， 且 t h r e 與 t h r e 1 和 t h r e 2

18、的差值大 于一 個 直 方 圖平 滑 處 理 時 的 間 隔， 此 時 c l o u d —t h r e s h o l d=t h r e ．( 2 )t h r e 。 最大 ， 如果 t h r e與 t h r e 的差值大于一 個直方圖平滑處理 的間隔， c l o u d — t h r e s h o l d= t h r e，否則 c l o u d — t h r e s h o l d=t h r e ．( 3

19、)t h r e 2 最 大， 如果 t h r e與 t h r e相 接 近 ， 且 t h r e ： 與 t h r e 與 t h r e 。 中的大值 間差值大于兩個直方 圖平滑處理 的間隔 ， 則 c l o u d — t h r e s h o l d = t h r e ， ， 否則 c l o u d— t h r e s h o l d= M A X [ t h r e ， t h r e 1 ]通過上述方法獲取

20、的云檢測閾值與由基本分析 區(qū)獲得的云檢測閾值一樣 ， 均需通過 閾值的合理性 檢驗 ．3 改進的動態(tài) 云檢測方法在 F Y - 2云檢測 中的應用個例 以 2 0 0 9年 1月 7日0 6時 F Y - 2 C數(shù)據(jù)作 為個 例 ， 說明改進的動態(tài)云檢測 的提取及驗證方法． 圖 3是以[ 3 2 ， 3 2 ] 像元為基本動態(tài)云檢測 閾值提取分析 區(qū)所提取的動態(tài)云檢測閾值圖像及采用滑動云檢測 閾值提取分析 區(qū)技術后獲取的動態(tài)云檢測 閾值

21、 圖像． 與基本云檢測閾值分析區(qū)提取的云檢測動態(tài)閾值相比， 經(jīng)過分析區(qū)的滑動處理 ， 8 2 ％像元的云檢測 閾值發(fā)生 了改變； 其中， 7 2 ％像元的云檢測閾值比滑 動前提高了一個亮溫直方 圖分析處理 中的間隔值．圖4是以基本分析區(qū)為中心的兩個嵌套云檢測閾值 提取分析區(qū)動態(tài)云檢測閾值圖像． 對 比圖 3 、 圖 4 ， 可 以看到云檢測閾值提取分析區(qū)域越大， 相同類型的 下墊面像元的云檢測 閾值越均勻 ， 如在最大 的一層 嵌套區(qū)(

22、 第二嵌套 區(qū)) 動態(tài)云檢測 閾值圖中可以清 晰地看到青藏高原的地形 ( 圖 4 ( b ) ) ； 云檢 測閾值 提取分析區(qū)越小 ， 云邊界越清晰． 從第一個嵌套分析 區(qū)( 圖4 ( a ) ) 所獲取的云檢測 閾值與基本分析區(qū)的 云檢測 閾值相比， 3 2 ％像元的云檢測閾值 的值域得 到提高 ， 這些像元主要位于云的邊緣 ， 以及云團覆蓋 超過基本云檢測閾值分析區(qū)大小的地方． 表 1 是幾 類像元在不同云檢測閾值提取分析區(qū)中所獲取

23、的云 檢測閾值對比舉例． 可以看到， 對于完全晴空區(qū)， 云 檢測閾值提取分析區(qū)大小的變化對所獲取的閾值影 響不大 ； 對于較大的分析 區(qū)， 由于像元個數(shù)增多 ， 下 墊面類型增多( 陸面) ， 所獲取 的云檢測閾值會有所 減?。?陸面上覆蓋冰雪時， 只有在分析區(qū)很大時( 第 二嵌套區(qū)) ， 包含 了多種下墊 面／ 目標 物類型， 造成 了云檢測閾值發(fā)生變化． 當基本云檢測 閾值提取分 析區(qū)全部或大部分被低云覆蓋， 利用基本分析區(qū)得 到的

24、合理云檢測閾值較小 ， 當改變云檢測閾值提取 分析區(qū)后 ， 云檢測閾值發(fā)生了較為明顯的變化 ， 說明 由于基本分析區(qū)較小 ， 基本被低云覆蓋 ， 所獲取的閾 值實際反映的是低云云頂溫度 ， 當分析區(qū)變化后 ， 分 析區(qū)中包含了晴空像元 ， 因此云檢測 閾值提高． 對于 洋面上有大片積云的情況 ， 經(jīng)過變化分析區(qū)域的大 小 ， 明顯改變云檢測閾值的大小， 使之準確地反映云 和晴空像元間輻射的差異．圖 5 對 比了利用經(jīng)過變化分析區(qū)處理后獲

25、取的 閾值進行云檢測的結果與 目前業(yè)務運行的結果． 所 選的區(qū)域位于印度洋 ， 經(jīng)過紅外增強可以看到區(qū)域 中不僅有成片的低云覆蓋， 而且有零星破碎低云存 在． 低云紅外窗區(qū)通道亮溫高于 2 8 8 K， 成片的低云 覆蓋區(qū)云頂均勻 ， 其亮度溫度方差小于0 ． 5 ， 有些甚 至達到了 0 ． 2以下． 周邊海域 晴空洋面像元的亮溫 為 2 9 5 K左右． 在圖 5 上選擇一小 區(qū)域( 圖 5中白框 所示) ， 分析了像元觀測值、 提

26、取的云檢測 閾值和多 圖 3F Y ． 2 c動態(tài)云檢測 閾值 圖像 ( a ) 以 3 2 × 3 2 像 元為基 本分析 區(qū) ( b ) 以基本分析區(qū)為中心的滑動區(qū)域 F i g ． 3F Y - 2 Cd y n a m i cc l o u dt h r e s h o l di m a g e s( a ) b a s i ca n a l y ·s i sa r e a( 3 2x3 2 p i x e