E,云图像素为2400×2400。
3 可见光反射率阈值法云检测
可见光反射率云检测,即设定一个反射率阈值,反射率小于该阈值的区域为晴空无云区,反射率大于该阈值的区域为被云覆盖的区域。它可利用0.66、0.87?m的可见光通道资料。单一通道反射率云检测在检测黑背景下亮云时有很好的效果,反之检测效果很差。0.66?m用于陆面、海洋和冰雪区域,0.87?m用在冰雪和沙漠地区。根据不同的下垫面条件、生态系统,需要采用不同的通道反射率阈值。
由于可见光反照率随太阳天顶角的大小、地表性质、云性质的变化而变化,因此本文的主要工作是分析不同地表、不同云区对应的可见光反照率随太阳天顶角的变化情况,从而确定不同天顶角的反射率阈值。
4 太阳天顶角对反射率影响的统计分析
4.1 云图资料的分析处理
4.1.1 晴空海洋、晴空陆地分析
选取的云图个例分为晴空海洋和晴空陆地情况,其中晴空海洋分为泥沙区和非泥沙区;晴空陆地分为植被区、湖泊区、沙漠区。
利用卫星资料处理工作平台,打开一张云图,选取某一区域A(如晴空海洋,不超过5个经纬度),由程序自动记录该区域左上角和右下角的经纬度值。另外,由程序还可自动记录表征该云图特征的时间、通道号,连续分析十几天的云图资料,将所有区域A处于晴空状态的云图资料信息都记录下来,存于同一个文件中,作为一个个例,进行分析。
分析过程:打开上面云图分析所形成的文件,读取每张云图的年、月、日、时、分、资料,合并成云图文件名。另外还要读取在该张云图上所选区域的经纬度值。将左上角和右下角的经纬度值转换成像素位置:
m1=(a1-45)*20 n1=(60-b1)*20 m2=(a2-45)*20 n2=(60-b2)*20
打开相应文件名的云图资料、太阳天顶角资料,读取所选区域各像素的灰度值、太阳天顶角,将可见光通道云图上该区域的灰度值转换成反射率值,并求平均值y,同时求出该区域太阳天顶角余弦的平均值x。用类似的方法对每张云图进行处理,结果输出到一个数据文件中。最后利用点聚图绘图程序,绘出各点太阳天顶角余弦和反照率的点聚图。
晴空陆地分析过程同上。
4.1.2 海洋上空云区、陆地上空云区分析
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海洋上空云区和陆地上空云区均选择包含高、中、低云的云图资料,同晴空海洋和晴空陆地的分析相似,利用卫星资料处理工作平台,打开一张云图,选择密蔽云区,在一张云图上可选择多个(如海洋上空云区,不超过5个经纬度),由程序自动记录区域左上角和右下角的经纬度值。另外,由程序还可自动记录表征该云图特征的时间、通道号,连续分析十几天的云图资料,将所有区域的云图资料信息都记录下来,存于同一个文件中,作为一个个例,进行分析。
资料处理计算过程与晴空条件下类似,所不同的是对云区,根据云顶亮度温度进行分类:1表示云顶亮温大于273k,3表示云顶亮温小于253k,2表示云顶温度介于1和3之间的云。
陆地上空云区分析同上。
4.2 统计结果分析
利用上面云图资料的分析处理生成的数据,进行一元线性回归分析,并绘出点聚图。
反照率*10:y(纵坐标) 太阳高度角余弦*100:x(横坐标) 关系式:y=ax+b s:平均标准偏差 u:偏差平均值 r:相关系数
表4 晴空地表反射率与太阳天顶角余弦之间的关系
陆地 地表性质 植被 沙漠 湖泊 海洋 泥沙 非泥沙 a 16.759385 16.834473 1.417966 4.842862 11.186577 b -0.868775 0.793055 7.140039 -0.887059 -0.685101 s 0.903109 1.148757 1.491016 0.719023 1.477551 u 0.688285 0.952112 1.062883 0.549491 1.151556 r 0.872002 0.963358 0.186650 0.771780 0.689915 表5 云区反射率与太阳天顶角余弦之间的关系
陆地 云区 海洋 云区 云的性质 1 2 3 1 2 3 a 37.440465 69.367168 64.503655 50.469321 b 9.546227 -8.547746 -6.128212 -4.685931 s 5.762646 5.397990 6.651325 6.021960 6.293055 7.775794 u 4.519463 4.513536 5.450297 4.886681 5.139031 5.851468 r 0.580599 0.851572 0.804735 0.734870 0.782270 0.818146 76.129226 -21.512141 93.013336 -23.479764 7
图1晴空海洋非泥沙区
图2 晴空海洋泥沙区
由图可以看出,晴空海洋条件下非泥沙区的反照率与太阳高度角的余弦值基本呈线性关系,其反照率阈值比泥沙区小,最大不超过12%。
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而晴空海洋泥沙区的反照率与太阳高度角的余弦之也呈线性关系,其反照率阈值较非泥沙区大,其最大值可达60%。
图3晴空海洋反射率无规律区
上图为晴空海洋可见光反射率与太阳天顶角无稳定关系的点聚图,资料区域在阿拉伯海,该区域的反射率明显高于其他海区,其原因有待探讨。
图4晴空陆地沙漠区
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图5 晴空陆地植被区
晴空陆地条件下,沙漠地区的可见光反照率与太阳高度角余弦呈良好的线性关系。其反照率阈值最大可达18%,而在陆地植被区,可见光反照率与太阳高度角余弦基本呈线性关系,但它的反照率阈值较沙漠地区小,最大值不超过16%。
图6 晴空陆地湖泊区
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