應(yīng)用月平均SST資料對(duì)遙感反演數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制

1、MODIS遙感反演SST的比照測(cè)試和分析技術(shù)報(bào)告概述：利用浮標(biāo)資料對(duì)MODIS的SST海外表溫度反演的結(jié)果進(jìn)行比照測(cè)試，是 SeaDAS衛(wèi)星遙感工程的一個(gè)重要目標(biāo)。目的是利用浮標(biāo)實(shí)測(cè)海溫資料對(duì)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)星遙感資料效勞于海洋監(jiān)測(cè)工作建立一個(gè)良好的根底。技術(shù)背景MODIS 中等分辨率成像光譜儀是一個(gè)擁有 36個(gè)通道的可見光和紅外波 段光譜輻射計(jì)，波段范圍從0.345卩m 可見光到14.235卩m 熱紅外。各通 道的量化等級(jí)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

2、500米，其余通道的空間分辨率為1000米，掃描觀測(cè)寬度達(dá)2330公里可 以同時(shí)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(duì)地觀測(cè)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 海外表溫度的算法是美國(guó)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 3.7卩m和11卩m附近的兩個(gè)紅外大氣窗口。其中晝間使用11卩m算法，即利用11.03卩m,12.03卩m通道，夜間使用3.7卩m和11卩m通道。 由于晝間觀測(cè)數(shù)據(jù)不僅可提供海外表溫度，

3、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(cè)試驗(yàn)也是針對(duì)晝間的 11卩m算法?！斑~阿密探路人在11卩m的海溫反演算法如下：SST = G +6爲(wèi)1 +G為日1G心其中，SST是反演的海外表溫度，T31是第31通道11.03卩m的輻射亮溫,T32是第32通道12.03卩m的輻射亮溫。B是衛(wèi)星天頂角。C1C4是四個(gè)系數(shù)。 SeaDAS軟件中內(nèi)置的各個(gè)系數(shù)估計(jì)值如下：兩種大氣條件干和濕T32-T31 < L 7T32 - T31 ；、0. 7C1L 228552L 692521C20. 9576555也 9558419C30. M821960. 0

4、873754L 7746311.199584表1:MPSST算法的系數(shù)圖1 :MPSST算法反演獲得的東海區(qū)域海外表溫度圖(2007.10.24 2:38UTC)為了對(duì)遙感反演獲得的海外表溫度進(jìn)行比照測(cè)試， 需要選擇適宜的其它測(cè)量 手段，要求這些測(cè)量手段有足夠的時(shí)間分辨率，同時(shí)又有較高的精度。目前，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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?xiàng)l件限制，測(cè)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(shí)間上不連續(xù)，空間分布有不確定性，難 以和遙感資料匹配。最適于海外表溫度比照測(cè)試的測(cè)量手段是海洋資料浮標(biāo)。國(guó)家海洋局東海分局在我國(guó)近海布置了 3個(gè)大

5、型海洋浮標(biāo)。這些資料浮標(biāo)直接測(cè)量水面下20-30厘米的海水溫度，平時(shí)每3小時(shí)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(cè)量范圍測(cè)量精度備注水溫(C)3 + 35±).5 C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)根本不變動(dòng)，這給進(jìn)行比照測(cè)試 帶來(lái)了方便。在了解了遙感反演算法和選擇了適宜的比照測(cè)量手段后， 我們就可以設(shè)計(jì)和 實(shí)施海溫比照測(cè)試。比照測(cè)試的方案設(shè)計(jì)遙感反演數(shù)據(jù)和浮標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比照的前提是： 在時(shí)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(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)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

6、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(cè)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(cè)量 的數(shù)據(jù)在時(shí)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)行遙感比照 的數(shù)據(jù)本身和真實(shí)海外表溫度之間的誤差限不能大于 1度。我們?cè)O(shè)計(jì)符合比測(cè)要求的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn):工程允許誤差時(shí)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(cè)的時(shí)間和空間標(biāo)準(zhǔn)通常，海外表溫度的時(shí)間變化率不超過(guò)1攝氏度/小時(shí)，空間變化率不超過(guò)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(e1A2+e2A2+emA2)(其中E是總誤差限，el是時(shí)間誤差限，在我們這里約為 &#

7、177;).25,e2是空間誤差限，約為±).8,em是儀器測(cè)量精度的誤差限，為±).5)，因此， 估計(jì)由于時(shí)間、空間和浮標(biāo)測(cè)量?jī)x器引入的誤差，其誤差限為±1.01度。根本符合要求。未經(jīng)質(zhì)控的遙感反演SST數(shù)據(jù)的比照測(cè)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)行了比照測(cè)試，全部數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)詳見附件1結(jié)果的摘要如下：工程結(jié)果樣本數(shù)量71取小誤差0.04取大誤差-25.45誤差的標(biāo)準(zhǔn)差8.59表4：未經(jīng)質(zhì)控的遙感反演數(shù)據(jù)比照測(cè)試結(jié)果摘要從上表可以看到，如果對(duì)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)8C多，

8、其應(yīng)用價(jià)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(yáng)加熱的作用比擬明顯、沿岸上空的大氣狀況比擬復(fù)雜，尤其云量較多時(shí)，對(duì) 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(duì)遙感反演數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制為了對(duì)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(guò)經(jīng)驗(yàn)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(dòng)范圍小，每月的波動(dòng)范圍也十分有限。我 們通過(guò)統(tǒng)計(jì)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(cè)量的月度海溫極值 偏離當(dāng)月海溫

9、平均值一般不超過(guò) 4C,從不超過(guò)5C,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(guò) 3C,從不超過(guò)4C。分析發(fā)現(xiàn)F17和F18浮標(biāo)的資料也滿足上述條件。2月份9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5： F9浮標(biāo)的多年平均值和月度極值相對(duì)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 多年平均值芳C范圍內(nèi)的，是有

10、效數(shù)據(jù)，通過(guò)質(zhì)量控制，否那么，判定為是無(wú)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F17和F18布置時(shí)間短，只取得了 這些數(shù)據(jù)已經(jīng)求岀，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(shí)質(zhì)量 控制門限可放寬到多年平均值 站C范圍。經(jīng)質(zhì)量控制的遙感SST數(shù)據(jù)的比照測(cè)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(guò)質(zhì)量控制的共計(jì) 49條，占69%, 這說(shuō)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(duì)49組經(jīng)質(zhì)控?cái)?shù)據(jù)的比測(cè)結(jié)果詳見附件 3,摘要如下：工程結(jié)果樣本數(shù)量49最小誤差0.04最大誤

11、差-6.48誤差的標(biāo)準(zhǔn)差2.49表6:未經(jīng)質(zhì)控的遙感反演數(shù)據(jù)比照測(cè)試結(jié)果摘要可見，通過(guò)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(guò)質(zhì)控的遙感反演的 SST和浮 標(biāo)測(cè)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(cè)實(shí)際海外表溫度的線性回歸方程。1年的資料，沒有多年的月海溫平均值。反演SST和浮標(biāo)實(shí)測(cè)SST回歸分析測(cè)-測(cè)量結(jié)果回歸方程圖2 MODIS反演SST和實(shí)測(cè)SST回歸分析回歸統(tǒng)計(jì)Multiple R0.950309344R Square0.90308785Adjusted R Square0.90102589標(biāo)準(zhǔn)誤差1.

12、583839791觀測(cè)值49表7 MODIS 反演SST和實(shí)測(cè)SST回歸統(tǒng)計(jì)回歸分析的結(jié)果說(shuō)明，建立的線性回歸方程能夠有效改良反演 SST的精度, 回歸方程的預(yù)測(cè)值的誤差標(biāo)準(zhǔn)差降低到 1.584C,相關(guān)性系數(shù)到達(dá)0.90,作為大范 圍海溫監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，具備了實(shí)用價(jià)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(duì)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(cè)算法不完善，不能 有效過(guò)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(guò)用浮標(biāo)數(shù)據(jù)和MODIS遙感反演SST數(shù)據(jù)的比照測(cè)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(duì)經(jīng)質(zhì)控的反演SST和實(shí)測(cè)值作了線性回歸 分析，求出了根據(jù)反演SST預(yù)測(cè)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(gè)初步的SST比照測(cè)試和改良的工作已經(jīng)到達(dá)了工程任務(wù)書的要求。 但是限于時(shí)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(dòng)水汽吸 收更小的夜間4卩m海溫資料等。我們希望在后續(xù)的工程中能夠