經(jīng)質(zhì)量控制的遙感SST數(shù)據(jù)的對比測試結(jié)果和回歸分析.doc

MODIS遙感反演SST的對比測試和分析技術(shù)報告概述：利用浮標(biāo)資料對MODIS的SST(海表面溫度)反演的結(jié)果進(jìn)行對比測試，是SeaDAS 衛(wèi)星遙感項目的一個重要目標(biāo)。目的是利用浮標(biāo)實(shí)測海溫資料對SST反演結(jié)果進(jìn)行校正，以減少反演結(jié)果的誤差，擴(kuò)大海溫遙感反演產(chǎn)品的使用范圍，為更好的利用衛(wèi)星遙感資料服務(wù)于海洋監(jiān)測工作建立一個良好的基礎(chǔ)。技術(shù)背景MODIS（中等分辨率成像光譜儀）是一個擁有36 個通道的可見光和紅外波段光譜輻射計，波段范圍從0.345 m（可見光）到14.235m（熱紅外）。各通道的量化等級為12Bits。MODIS 第1 和第2 通道的空間分辨率為250 米，第3 到第7 通道的空間分辨率為500 米，其余通道的空間分辨率為1000 米，掃描觀測寬度達(dá)2330 公里可以同時提供反映海洋水色，葉綠素、懸浮物濃度等海洋特征信息。MODIS被兩顆對地觀測衛(wèi)星(AQUA和TERRA)作為有效負(fù)載，其中TERRA是上午星、AQUA是下午星。我單位目前使用SeaDAS5.0軟件進(jìn)行MODIS數(shù)據(jù)處理。SeaDAS 5.0反演海表面溫度的算法是美國航空航天局NASA開發(fā)的“邁阿密探路人”算法，有兩套，分別利用了3.7m和11m附近的兩個紅外大氣窗口。其中晝間使用11m算法，即利用11.03m,12.03m通道，夜間使用3.7m和11m通道。由于晝間觀測數(shù)據(jù)不僅可提供海表面溫度，而且可提供葉綠素等海洋水色數(shù)據(jù)，我單位目前僅接收和處理MODIS的晝間數(shù)據(jù)。我們的比測試驗也是針對晝間的11m算法?！斑~阿密探路人”在11m的海溫反演算法如下：其中，SST是反演的海表面溫度，T31是第31通道（11.03m）的輻射亮溫，T32是第32通道（12.03m）的輻射亮溫。是衛(wèi)星天頂角。C1C4是四個系數(shù)。SeaDAS軟件中內(nèi)置的各個系數(shù)估計值如下：表1:MPSST算法的系數(shù)圖:MPSST算法反演獲得的東海區(qū)域海表面溫度圖(2007.10.24 2:38UTC)為了對遙感反演獲得的海表面溫度進(jìn)行對比測試，需要選擇合適的其它測量手段，要求這些測量手段有足夠的時間分辨率，同時又有較高的精度。目前，現(xiàn)場測量海溫的方法主要有：岸站、志愿船、資料浮標(biāo)。其中，岸站受地理條件限制，測量的海水溫度是近岸水溫，受大陸、島嶼的地溫影響較大。志愿船不但資料較少，時間上不連續(xù)，空間分布有不確定性，難以和遙感資料匹配。最適于海表面溫度對比測試的測量手段是海洋資料浮標(biāo)。國家海洋局東海分局在我國近海布置了3個大型海洋浮標(biāo)。這些資料浮標(biāo)直接測量水面下20-30厘米的海水溫度，平時每3小時傳輸一次水溫資料。水溫傳感器的技術(shù)參數(shù)如下：參數(shù)測量范圍測量精度備注水溫（）3350.5通訊方式為VSAT表2:海洋資料浮標(biāo)的水溫傳感器參數(shù)海洋資料浮標(biāo)由錨系固定，布放完成后坐標(biāo)基本不變動，這給進(jìn)行對比測試帶來了方便。在了解了遙感反演算法和選擇了合適的對比測量手段后，我們就可以設(shè)計和實(shí)施海溫對比測試。對比測試的方案設(shè)計遙感反演數(shù)據(jù)和浮標(biāo)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比的前提是：在時間和空間上具有可比性。最理想的情況是，遙感反演數(shù)據(jù)和浮標(biāo)測量數(shù)據(jù)的時間差和空間距離都為0。但事實(shí)上，由于衛(wèi)星軌道精度存在誤差，衛(wèi)星遙感傳感器分辨率的問題，遙感反演數(shù)據(jù)不可能完全吻合浮標(biāo)測量數(shù)據(jù)。因此，必須容許衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和浮標(biāo)測量的數(shù)據(jù)在時間和空間范圍內(nèi)有一定的誤差，我們總的要求是，用于進(jìn)行遙感對比的數(shù)據(jù)本身和真實(shí)海表面溫度之間的誤差限不能大于1度。我們設(shè)計符合比測要求的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：項目允許誤差時間15分鐘空間約2千米，0.018緯距表3：選擇遙感數(shù)據(jù)比測的時間和空間標(biāo)準(zhǔn)通常，海表面溫度的時間變化率不超過1攝氏度/小時，空間變化率不超過0.4度/千米。因此，符合上述標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，其誤差限可以表達(dá)為E = sqrt(e12+e22+em2)（其中E是總誤差限，e1是時間誤差限，在我們這里約為0.25,e2是空間誤差限，約為0.8,em是儀器測量精度的誤差限，為0.5），因此，估計由于時間、空間和浮標(biāo)測量儀器引入的誤差，其誤差限為1.01度?；痉弦?。未經(jīng)質(zhì)控的遙感反演SST數(shù)據(jù)的對比測試結(jié)果從2007年3月3日到2007年7月27日，147天內(nèi)，共選取符合篩選標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)71組，進(jìn)行了對比測試，全部數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)詳見附件1。結(jié)果的摘要如下：項目結(jié)果樣本數(shù)量71最小誤差0.04最大誤差-25.45誤差的標(biāo)準(zhǔn)差8.59表：未經(jīng)質(zhì)控的遙感反演數(shù)據(jù)對比測試結(jié)果摘要從上表可以看到，如果對遙感反演獲得的SST不做任何處理，其誤差標(biāo)準(zhǔn)差可達(dá)8多，其應(yīng)用價值很低。造成這種情況的原因是多方面的，東海海域是陸緣海，由于海水的深度較淺,太陽加熱的作用比較明顯、沿岸上空的大氣狀況比較復(fù)雜，尤其云量較多時，對紅外輻射吸收嚴(yán)重。因此，未經(jīng)質(zhì)控的數(shù)據(jù)不宜直接作為海溫遙感產(chǎn)品使用。應(yīng)用月平均SST資料對遙感反演數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制為了對遙感反演數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，一條合理的思路是，通過經(jīng)驗判定合理的數(shù)據(jù)區(qū)間，將明顯不合理的數(shù)據(jù)丟棄，這樣能夠大大改善遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量。海水的熱容量巨大，日溫差波動范圍小，每月的波動范圍也十分有限。我們通過統(tǒng)計F09浮標(biāo)2004-2006三年的資料 其中缺少2004年4、5月份資料的發(fā)現(xiàn)，浮標(biāo)測量的月度海溫極值偏離當(dāng)月海溫平均值一般不超過4，從不超過5，而月度海溫極值距多年的月平均海溫值的偏差一般不超過3，從不超過4。分析發(fā)現(xiàn)F17和F18浮標(biāo)的資料也滿足上述條件。 F17和F18布置時間短，只取得了1年的資料，沒有多年的月海溫平均值。月份F9多年平均月極值最大偏差1月16.27-1.72月13.98-2.153月13.92-2.84月14.863.935月20.793.076月25.092.817月27.842.058月28.762.849月27.73.010月25.6-2.611月22.902.212月19.742.36表：F9浮標(biāo)的多年平均值和月度極值相對平均值的偏差由此，我們可以采取這樣的質(zhì)量控制措施：遙感反演的海溫，在當(dāng)月海溫多年平均值5范圍內(nèi)的，是有效數(shù)據(jù)，通過質(zhì)量控制，否則，判定為是無效數(shù)據(jù)，不做處理。在浮標(biāo)定點(diǎn)的海域，使用浮標(biāo)多年的月度平均數(shù)據(jù)作為平均月海溫 這些數(shù)據(jù)已經(jīng)求出，見附件2，在沒有浮標(biāo)資料覆蓋的海域，可采用大范圍海溫等溫線圖資料，同時質(zhì)量控制門限可放寬到多年平均值6范圍。經(jīng)質(zhì)量控制的遙感SST數(shù)據(jù)的對比測試結(jié)果和回歸分析在符合篩選標(biāo)準(zhǔn)的全部71條數(shù)據(jù)中，通過質(zhì)量控制的共計49條，占69%，這說明選取的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)寬嚴(yán)適度，既考慮了數(shù)據(jù)的可靠性，又兼顧了遙感數(shù)據(jù)的可獲取性。我們對49組經(jīng)質(zhì)控數(shù)據(jù)的比測結(jié)果詳見附件3，摘要如下：項目結(jié)果樣本數(shù)量49最小誤差0.04最大誤差-6.48誤差的標(biāo)準(zhǔn)差2.49表：未經(jīng)質(zhì)控的遙感反演數(shù)據(jù)對比測試結(jié)果摘要可見，通過質(zhì)量的數(shù)據(jù)減少了誤差，提高了數(shù)據(jù)的可靠性。為了進(jìn)一步提高海溫遙感的精度，我們用經(jīng)過質(zhì)控的遙感反演的SST和浮標(biāo)測得的海溫分別作為自變量和函數(shù)進(jìn)行了線性回歸分析,得到了根據(jù)反演SST結(jié)果預(yù)測實(shí)際海表面溫度的線性回歸方程。圖MODIS反演SST和實(shí)測SST回歸分析回歸統(tǒng)計Multiple R0.950309344R Square0.90308785Adjusted R Square0.90102589標(biāo)準(zhǔn)誤差1.583839791觀測值49表MODIS反演SST和實(shí)測SST回歸統(tǒng)計回歸分析的結(jié)果表明，建立的線性回歸方程能夠有效改進(jìn)反演SST的精度，回歸方程的預(yù)測值的誤差標(biāo)準(zhǔn)差降低到1.584,相關(guān)性系數(shù)達(dá)到0.90，作為大范圍海溫監(jiān)測產(chǎn)品，具備了實(shí)用價值。結(jié)論SeaDAS 5.0提供的SST反演算法是基于全球海域得出的，對于東海近海海域，本身存在著一定誤差。又由于SeaDAS 5.0內(nèi)置的云檢測算法不完善，不能有效過濾由于水汽吸收而造成的海溫反演異常值，造成的誤差更大。這些問題制約了MODIS遙感海溫產(chǎn)品的使用。我們通過用浮標(biāo)數(shù)據(jù)和MODIS遙感反演SST數(shù)據(jù)的對比測試，尋找并確定了排除反演SST異常值的方法，并建立了根據(jù)多年海溫月平均值的數(shù)據(jù)質(zhì)控措施。為了進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)精度，我們對經(jīng)質(zhì)控的反演SST和實(shí)測值作了線性回歸分析，求出了根據(jù)反演SST預(yù)測實(shí)際海溫的線性回歸方程，進(jìn)一步降低了遙感數(shù)據(jù)的誤差。雖然這個初步的SST對比測試和改進(jìn)的工作已經(jīng)達(dá)到了項目任務(wù)書的要求。但是限于時間、經(jīng)費(fèi)等因素，在提高遙感海溫產(chǎn)品的精度，拓展遙感產(chǎn)品的業(yè)務(wù)化應(yīng)用方面，仍有很大的提升余地。例如，可以將數(shù)據(jù)質(zhì)控措施和回歸方程集成到SeaDAS 5.0軟件內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)高精度的SST產(chǎn)品的穩(wěn)定輸出，以及啟動水汽吸收更小的夜間4m海溫資料等。我們希望在后續(xù)的項目中能夠完成這些