基于MODIS数据和劈窗算法的黄海海域SST反演与分析

 摘 要
海表面温度（SST）海洋与大气系统中的一个重要物理量。获取高精度的海表面温度，在海洋遥感应用方面具有重要意义。与传统的测量方法相比,利用卫星遥感数据反演SST覆盖范围广,几乎遍及全球所有的海域,能实现大面积的同步测量。同时卫星遥感器具有可长期重复观测和空间分辨率较高的特点,这就在很大程度上弥补了现场测量的不足。
本文主要进行了基于中分辨率成像光谱仪（MODIS）数据对黄海海域进行海水表面温度反演的研究。论文完成的主要内容有：
1、对MODIS数据进行了详细的介绍，分析了MODIS遥感器各通道的用途以及数据来源和数据格式和下载方式等。
2、对黄海海域进行了2016年6月份海表面温度的反演。主要利用劈窗算法来反演SST。首先利用2和19波段近红外通道对大气水汽含量进行反演然后计算并得到大气透过率，利用31和32热红外通道计算亮度温度。然后利用劈窗算法由亮度温度及大气透过率来计算得到海水表面温度。
3、在NASA获取SST产品，利用IDL将其导入ENVI实现可视化并与反演得到的SST进行比对来实现精度的评定。
本文反演黄海海域2016年6月份SST并获得专题图，与标准SST对比评定精度后实现相关系数为0.943279，与真实温度基本吻合。通过这次研究也再次验证了劈窗算法用于反演海面温度的可行性。

关键词：MODIS数据；海水表面温度；劈窗算法

Abstract

Sea surface temperature (SST) is an important physical quantity in marine and atmospheric systems. It is of great significance to obtain high precision sea surface temperature in marine remote sensing applications. Compared with the traditional measurement methods, the use of satellite remote sensing data inversion SST coverage, almost all over the world, can achieve a large area of synchronous measurement. At the same time, satellite remote sensors have the characteristics of long-term repeated observation and high spatial resolution, which makes up for the lack of field measurement to a large extent.
In this paper, we mainly study the surface temperature of sea water in Yellow Sea area based on medium resolution imaging spectrometer (MODIS) data. The main contents of the thesis are:
1、the MODIS data were introduced in detail,and we analysis the use of MODIS remote sensor channel and the data source and data format and download MODe.
2、I carried out the sea surface temperature of the sea in June 2016 inversion. I mainly use the split window algorithm to invert SST. First, the atmospheric and water vapor contents are inversed by 2 and 19 bands near infrared channels and then the atmospheric transmittance is calculated and the luminance temperature is calculated using 31 and 32 thermal infrared channels. And then use the split window algorithm from the brightness temperature and atmospheric transmission rate to calculate the sea surface temperature.
3、I obtain SST products in NASA official website , then use IDL to import it into ENVI visualization and inversion with the SST to achieve the accuracy of the assessment.

keywords: MODIS data; seawater surface temperature; split window algorithm

目录
1.绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3论文结构 4
2.卫星数据介绍 6
2.1 MODIS及其数据格式 6
2.2 MODIS数据的格式简介 11
3.海表面温度反演 16
3.1 技术路线思路概述 16
3.2 数据的预处理 17
3.3大气对辐射的影像及数据的大气校正 21
3.4 遥感数据的亮度温度 22
3.5劈窗算法 23
3.6反演结果 25
4. 标准SST数据的下载及IDL读取 27
4.1标准SST数据产品的下载及产品说明 27
4.2 IDL环境下读取SST产品 27
5 结果分析与精度评定 30
5.1海表面温度反演结果与标准SST产品的对比分析 30
5.2设计过程中遇到的主要问题 31
6.结论与展望 33
6.1结论 33
6.2不足与展望 33
参考文献 34
致 谢 36
附 录 38

1.绪论
1.1 研究背景和意义
从气象卫星发展之初,SST就作为遥感反演的主要参数之一。与传统的测量方法相比,利用卫星遥感数据反演SST覆盖范围广,几乎遍及全球所有的海域,能实现大面积的同步测量。同时卫星遥感器具有可长期重复观测和空间分辨率较高的特点,这就在很大程度上弥补了现场测量的不足。需要注意的是,遥感所测的为海水表皮微米级海水层的温度,现场所测的为海水表层温度,两者之间存在差异,但由于卫星遥感SST在时空观测频度上具有无可比拟的优越性,其已成为一个不可或缺的数据源而得到广泛的应用。
中分辨率成像光谱仪（MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS）是搭载于美国对地观测系统（EOS）系列卫星之上的重要传感器之一[8]，MODIS传感器可以同时接收来自海洋、大气、陆地表面的信息。每1-2天便可获得一次全球的观测数据，适合于中大区域尺度的动态监测。对于全球地表温度监测而言，MODIS传感器是一个非常合适的选择。研究利用MODIS的热红外波段进行全球表面温度的动态监测，具有很高的现实应用意义。
黄海海域位于中国大陆与朝鲜半岛之间，在黄海南部，东起韩国济州岛，西至中国长江口一线是黄海和东海的分界线。黄海渔场养殖十分发达。中国、朝鲜、韩国及日本的拖网渔船均来此开发丰富的水底鱼类资源。黄海上的中国重要港口城市有大连、青岛、烟台、威海、日照、东台、连云港、南通等。准确监测黄海海域SST的变化对于该海域具有重要意义。本文将利用MODIS的遥感数据进行对黄海海域SST的反演研究。
1.2 国内外研究现状
目前国内外用于SST反演的红外传感器可根据搭载的卫星轨道不同分为两种类型:1、装载在极轨卫星上的红外传感器。这是最早被采用也是目前被广泛应用于全球的SST观测的传感器类型。与其它类型的传感器相比,其空间分辨率较高。2、装载在静止卫星上的红外传感器。它的轨道较高并与地面相对静止,可对地球表面进行连续不间断的观测,但因为其可观测的范围仅限定在南北纬50度左右,同时传感器的空间分辨率较低，所以这种传感器并没有得广泛的使用[5]。
1999年搭载MODIS传感器的TERRA对地观测卫星成功发射，由于MODIS传感器的热红外通道具有良好的SST探测能力并能够提供高精度的SST反演数据，因此MODIS也成为国际上反演SST的主要传感器之一[5]。Terra卫星是EOS系统的第一颗承载多传感器卫星,除了MODIS传感器外,还搭载了云与地球辐射能系统(CERES)、对流层污染测量仪(MOPITT)、多角度成像光谱辐射计(MISR)和高级星载热发射反照辐射计(ASTER)多个传感器。其中ASTER是第一台用于温度精确测量和制图的星载高空间分辨率的多通道热红外成像仪。它由可见光近红外(VNIR)、短波红外(SWIR)和热红外(TIR)3个光学子系统组成[3]。ASTER数据具有高空间分辨率的特点。
另外澳大利亚和英国于1991年联合发射了ERS-1实验卫星,搭载了沿轨迹扫描辐射计(ATSR)。在1995年发射的ERS-2卫星上搭载了ATSR-2传感器[6]。欧盟在2002 年发射的ENVISAT卫星上搭载了改进型ATSR传感器AATSR。日本于2002年发射的ADEOS-2卫星搭载了全球成像仪(GLI),该传感器拥有36个波段，波段设置覆盖了可见光和红外波段，有较好的SST测量能力。2005年日本又成功发射了MTSAT静止气象卫星，比起1995年发射的静止气象卫星GMS有重大改进。
我国2002年发射的海洋一号卫星，是我国第一颗海洋卫星。HY-1搭载了针对海洋观测的遥感器,卫星轨道与太阳同步。星上有效载荷为10波段COCTS水色扫描仪和4波段CCD成像仪，COCTS星下点像元地面分辨率为1.1km，主要用于探测海洋水色要素[5]；CCD成像仪星下点像元地面分辨率为250m，主要用于获取海岸带的图像资料,对海岸带地区的资源和植被进行动态监测。HY-1生成的SST产品为海温预报提供初始场,可缩短海温预报的周期,提高海温预报的精度;还可以应用于海洋动力环境研究,为我国的海洋渔业生产及全球气候变化研究、海洋天气系统的生成与发展研究提供基础数据。目前国家海洋环境预报中心已把HY-1生成的SST数据应用到海洋预报中,利用信息综合分析处理技术将反演的SST数据和台站、GTS海温数据进行融合,可得到海温预报分析产品、海温旬预报产品及海温实况产品[6]。
利用热红外遥感数据反演SST的实用方法很多,其中许多算法是针对具体的传感器开发而来的,如劈窗算法主要是针对NOAA/AVHRR的两个热红外通道提出来的用于反演SST的方法。很多研究者对劈窗算法做了大量的研究,形成了许多版本不同的算法,这些算法的主要区别在于对参数的估计和计算形式的不同。我国对利用MODIS数据的遥感研究也比较多。陈宏[6]选用了MODSI遥感数据展开了对我国东海海域SST反演系统的设计与研究。刘玉洁等[12]介绍了MODIS遥感数据在陆地、海洋、大气参数反演中的各种算法以及MODIS数据的应用。张春桂等[7]给出了基于劈窗算法的两种算法模型并且用反演得到的台湾海峡SST值与现场的实测数据进行了对比。

1.3论文结构
本论文主要研究了反演SST的基本理论与算法模型，以及如何在IDL环境下读取SST产品，并在反演的得到的SST基础上与标准SST产品进行对比和所用算法的分析。
本文的结构如下：
第一章：本章综述了利用MODIS反演SST的研究背景和以及研究意义。简要介绍了几种用于反演SST的遥感器以及反演算法。最后对本文的结构进行简要说明。
第二章：本章详细介绍了MODIS数据的格式及其下载方式，以及各通道的用途和数据编号说明等。
第三章：本章主要是对具体反演SST方法的说明。首先对反演技术路线做出了综述；然后对每个步骤进行了详细说明，包括预处理、亮温计算以及算法说明。最后是反演结果的简要说明。
第四章：本章主要内容是IDL环境下导入ENVI中并读取标准SST产品文件，并介绍了NASA提供的SST产品下载方法和产品说明。
第五章：本章主要是对反演结果与标准SST产品的对比结果进行分析说明，然后对设计过程中遇到的主要问题及解决方法做出列举说明。
第六章：本章是对全文的总结，主要对本次研究的方法及最后得出的反演结果做简要说明。最后对该研究方法未来的发展方向做出展望。
本研究所用到的主要方法技术路线如图1.1所示。