一种基于高分四号卫星的云检测方法及其应用

吕喆鹏 杨昌军 刘邵波 高涛 马天舒

（1.航天恒星科技有限公司，北京 100086；2.国家卫星气象中心，北京 100081）

一种基于高分四号卫星的云检测方法及其应用

吕喆鹏1杨昌军2刘邵波1高涛1马天舒1

（1.航天恒星科技有限公司，北京 100086；2.国家卫星气象中心，北京 100081）

在遥感影像中，云检测是进行遥感数据处理与分析的基础和必要环节，同时也是研究云对气候系统作用至关重要的第一步，云量、云高及云特性的变化强烈影响着行星反照率梯度和地表能量交换，进一步影响区域、全球气候，准确地提取云的相关信息将更加有利于对地观测的精度。我国2015年发射的高分四号地球同步轨道卫星，该卫星分辨率将达到50m，卫星观测到的影像将更加精细和准确，因此研究好高分四号卫星的云检测方法将更加有利于发挥卫星的作用。本文拟采用阈值法云检测，对高分四号云检测产品进行研究。

高分四号，云检测，直方图动态阈值法

一、引言

在监测地球的过程中，云是获取高质量遥感图像的一个障碍，此外，云也一直是图象处理、图象分析的一大难点。云的影响不仅仅表现在对卫星图片的质量上，同时也是台风、飓风、降雨等气象现象形成的重要因子。就全球范围来说，在任意一天里，云覆盖了全球的大部分区域，这与地球向外太空发射的长波辐射量有直接的关系并最终影响着全球气候变化。此外，客观、准确、实时地识别卫星云图中的云类特征、开展云团短时活动预测是军事气象保障中急待解决的重点和难点问题，因此，对云进行相应的监测除解决气候监测相关问题外，还将为军事行动提供服务保障。

自从1988年我国把第一颗气象卫星FY-1A送上太空后，就开始了从太空对气象变化进行监测。在不到30年的时间里，我国的极轨气象卫星已经从一代极轨卫星FY-1号发展到现在的二代极轨卫星FY-3号系列卫星。其中搭载在FY-3上的可见光红外扫描辐射计（VIRR）分辨率为1.1km，搭载在FY-2的可见光和红外自旋扫描辐射器（VISSR）最高分辨率为1.25km，在这样分辨率下云检测结果有一定的局限性，特别是对中小尺度、生命周期短的强对流天气难以监控和捕捉。高分四号（GF-4，地球同步轨道50m分辨率光学成像卫星）具备高分辨率，高时效性等特点，可以有效弥补FY系列卫星在中小尺度、细微变化的天气情况监测的弱点。本文简要地介绍了GF-4卫星以及GF-4卫星上的可见光近红外（VNIR）通道在产出高分辨率云检测产品上的应用，特别是提升中小尺度强对流天气、空中风场和低云大雾的连续跟踪监测能力，实现重点区域的动态监测。

二、高分四号卫星简介

GF-4卫星于2015年发射，是我国向地球同步轨道高分辨面阵遥感领域进军的第一颗星。该卫星具有多光谱和红外成像能力，通过指向控制，实现对中国及周边地区的观测，可以满足多个业务系统的需要，如减灾、气象、地震、林业、农业、海洋、国家应急等。在地球同步轨道，区域覆盖广，时间分辨率高，应对灾害和环境污染突发事件时，能够在第一时间、持续高频率获取灾情监测数据，对于快速决策和部署抢险救灾至关重要。在10分钟内可以完成2000km×2000km区域成像，并具有快速指向控制能力，具备大范围内进行实时、连续机动成像和高时间分辨率侦照识别相结合的综合成像能力。

卫星载荷配置一台50m分辨率，具备全色、多光谱谱段和红外谱段成像能力的大面阵凝视相机，用以获取高分辨率，多谱段地面图像信息。GF-4部分参数及谱段信息如表1所示：

GF-4利用相机系统，获取地面像元分辨率50m全色/多光谱图像信息、地面像元分辨率为400m的红外图像信息；利用姿态调整，具备相对星下点滚动、俯仰长期偏置的能力；通过调整卫星姿态实现相对星下点指向范围内地面目标成像，观测范围直径不小于7000km；卫星运行在地球同步轨道，可利用轨道倾角和偏心率形成一定的星下点轨迹形式，拓展观测范围；相机系统可以实现对指定地区的面阵凝视成像；在成像过程中，通过调整滤光片，实现对指定区域的全色、多光谱谱段分时成像；并可以根据地面光照条件和目标观测的需要，同时进行红外谱段成像；通过小角度快速姿态机动，实现区域成像、机动巡查等工作模式。

三、云检测方法及原理

目前，最常用的云检测算法是利用遥感图像的光谱信息(ISCCP方法、APOLLO方法、CLAVR方法、多光谱分析法)或纹理信息(纹理分析方法)进行云与地面物体的区分。主要的云检测算法分为三类：阈值法，聚类分析法和人工神经网络法，其中阈值法发展最成熟，且运行效率高，检测精度精度，因此本文主要考虑阈值法云检测。在阈值法中，阈值的选择是影响分类精确度、分类结果正确与否的关键因素。阈值的选择方法主要有以下两种：一是根据经验，通过对数据库中大量的历史样图进行统计，获取云层的经验阈值；二是利用图像本身的信息，确定阈值的选取。本文将采用第二种方法确定阀值，即在单通道云检测的基础上，计算得到多通道特征综合云检测结果，以及云和晴空判识的可信度。使用该方法结合GF-4通道特性阐述云检测产品原理。

3.1 算法原理

直方图动态阈值法(DTCM 法),认为像元阵的直方图曲线中,地表峰值往云一侧的直方图曲线二阶差分的极大值点,即直方图曲线的最大变率处,更适合作为区分云和地面的阈值。

太阳耀斑区判识：用太阳方位角、卫星方位角、卫星天顶角、太阳天顶角计算出太阳耀斑区位置，并标志出来。

a. 动态阈值方法的数学表达和实现如下

数据统计直方图反映了图像的基本特性。对于卫星单通道数据进行数据统计并建立相应的统计直方图，其中直方图的横坐标为物理量值，纵坐标为该物理量值对应的象素点个数，通过直方图建立了物理量值与象素点个数值之间的关系，并以此反映数据图像的某些特性。根据光谱特性分析，云在卫星数据反射率通道中的特性表现为反射率值较高，陆地次之，水的值最低，因此在理想的直方图曲线会出现三种不同的特性，即从整体上看出现三个峰值，分别代表水、陆地和云。然而由于陆地地形的复杂性和云类型的多样性，在陆地和云区的直方图曲线常会出现频繁的波动，这些特征将会影响正确获取云的阈值，而通过直方图的平滑处理可以在一定程度上消除上述干扰，提高云判识阈值获取的精度。本项目中采用累计平滑方法，平滑点数为(这里n=7)，具体方法是先通过公式(1) 获取平滑直方图的横坐标范围，公式如下：

其中smax为平滑直方图最大值，Max为原始直方图最大值，n为平滑点数。然后依次累计平滑直方图中各值的数量，累计方法为：

b. 太阳耀斑角公式如下：

glint=acos(sin(asunz)*sin(asatz)*cos(asun a-asata)+cos(asunz)*cos(asatz))

其中：glint―太阳耀斑角；asunz―太阳天顶角；asatz―卫星天顶角；asuna―太阳方位角；asata―卫星方位角；当glint＜30度时，为太阳耀斑区。

3.2 基本假定

a. 在规定区域内有效象元少于200个时，不进行动态阈值获取。

b. 太阳高度角大于85度时计算太阳耀斑角，太阳耀斑角计算只用于水面。

3.3 处理流程

处理步骤：读取GF-4观测数据、云检测产品参数等数据进行冰雪判识；利用水陆边界数据生成水陆边界位置；计算太阳耀斑区位置；计算晴空和云判识动态阈值；对所有选定的单通道（包括通道比值和通道差）分别进行云检测；根据单通道云判识结果，计算综合云判识结果，包含三种情况：晴空、云、未判识，同时还给出云检测可信度；最后输出云检测结果。处理流程如图 1所示：

3.4 初步验证

验证该方法我们使用相关载荷数据进行仿真。在波段设置上GF-4与FY3系列卫星的一些特性，两者之间有一定的相似性和差异性。在可见光光谱范围上，GF-4的观测范围是0.45～0.90μm共5个波段，FY-2的观测范围是0.55～0.90μm 1个波段，FY-3的观测范围是0.43～0.89μm共5个波段。在红外光谱范围上，GF-4的观测范围是3.5μm～4.1μm 1个波段，FY-2的观测范围是3.5～12.5μm 4个波段，FY-3的观测范围是1.325～12.5μm共5个波段。可以看出在光谱分类上GF-4和FY-3更接近，而且可见光50M和红外400M的分辨率，明显优于FY-2的1.25KM、5KM和FY-3的1.1KM。因此使用FY3数据对上述算法进行验证，可以有效模拟GF-4未来云检测结果。

图2是FY-3C星与2014年6月16日拍摄的渤海、朝鲜半岛、日本区域的三通道合成图，图3是使用上述算法得到的云检测结果。通过视觉对比可知，在相应的算法下进行云检测得到的检测结果的可信度还是非常高的，对确信晴空陆地（深绿色）、疑似晴空陆地（浅绿色）、确信晴空海洋（深蓝色）、疑似晴空海洋（浅蓝色）、太阳耀斑（红色）、确信云区（白色）和疑似云区（灰色）的判识准确。而GF-4的云产品分辨率为50M，分辨率的提升使得观测的结果更加准确，灵敏度更高。因此从上面的分析可知，GF-4使用该算法可以很好的用于云判识。

四、总结与展望

云检测作为GF-4在气象观测领域应用的成功将更加有利于GF系列卫星为整个气象、军事及其他各领域的应用拓展。我们通过初步分析研究认为：GF-4系列卫星将会提供更加精细化的气象相关产品。

如图4所示，该影像为天宫1号数据，高光谱全色通道，4m分辨率的数据，可以精确观测云体及阴影、云高信息、目标背景对比度信息等信息，可以在军事上帮助作战人员准确识别地面目标；

如图5所示，同样为天宫1号所拍影像，从图中可以观测精细云结构及颠簸信息，从而可以准确判断气流和空中风场等航空条件，可以为民航部门，特别是航空军事应用服务。

如图6所示：该影像为375M分辨率的VIIRS观测到的2012.1.24台风Funso的灰度和红外图像，利用GF-4红外通道同样可以达到观测台风眼壁坡度特征等信息，为研究中小尺度、强对流天气提供观测依据。

此外，由于GF-4在成像过程中，通过调整滤光片，实现对指定区域的全色、多光谱谱段分时成像，因此可能带来影像“拖尾”的现象，解决好该问题并通过对GF-4在气象应用领域的进一步研究将大大提升我国在精细化气象产品研究的地位。

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2017，让我们带给世界更多惊喜

2016年是“十三五”规划的开局之年，是决胜全面小康的开局之年，也是推进供给侧结构性改革的攻坚之年。

这一年的中国，闯关夺隘，奋然前行。体制障碍面前，我们动真碰硬，披荆斩棘；转型困惑面前，我们清醒坚定，勇毅笃行。

这一年的我们，昂首阔步，从容自信。从亚投行开业到G20杭州峰会举办，我们的主张掷地有声；从中国“天眼”遥望星辰到神舟升空造访“天宫”，我们的创造举世瞩目；从庆祝建党95周年到十八届六中全会部署全面从严治党，我们的初心始终如一；从纪念长征胜利到中国女排惊艳里约，我们的精神薪火相传；从建立五大战区到全面推开营改增试点，我们的改革蹄疾步稳。

站在历史与现实、过去与未来的交汇点，我们信心满怀，豪情满怀；我们还须努力，还要奋斗。

有梦的人生是美好的，有梦的民族是充满希望的。2017，我们继续出发，带给世界更多惊喜。

新华社评出2016年国内十大新闻

一、“两学一做”学习教育全面展开

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九、最高法再审改判聂树斌无罪

十、稳中求进成为治国理政重要原则