HY-1C卫星影像中太阳耀斑区域的预测技术研究_李尉尉.pdf

Vol.42，No.3Jun.2023第42卷第3期2023年6月海洋技术学报JOURNAL OF OCEAN TECHNOLOGYdoi：10.3969/j.issn.1003-2029.2023.03.001HY-1C 卫星影像中太阳耀斑区域的预测技术研究李尉尉1，李雨萌2，李铜基1（1.国家海洋技术中心，天津300112；2.宽凳（北京）科技有限公司，北京100015）摘要：对卫星影像太阳耀斑区域的预测是保障基于船舶的现场同步观测（以下简称船-星同步观测）有效实施的基础性工作。本文在对海洋一号 C 卫星（HY-1C）卫星影像各像元观测几何分析的基础上，简化构建卫星影像各像元的网格化模型，介绍了利用卫星轨道报估算的卫星-太阳-像元位置的观测几何，进而估算卫星影像中太阳耀斑区域的技术方法。经与 HY-1C 实际卫星影像的应用比对，表明本文预测的像元位置、太阳位置，以及卫星观测天底角/方位角均与实际影像数据有很好的重合度，预测的太阳耀斑区域与实际影像耀斑掩码区重合度良好，验证了该方法能够预测影像中太阳耀斑区域，保障船-星同步观测的能力。关键词：HY-1C；卫星影像；太阳耀斑；预测；水色中图分类号：P738文献标识码：A文章编号：1003-2029（2023）03-0001-08收稿日期：2021-02-19基金项目：海南省重点研发计划资助项目（ZDYF2023GXJS023）作者简介：李尉尉（1985），女，硕士，工程师，主要从事海洋水色遥感研究。E-mail：通讯作者：李铜基（1969），男，硕士，研究员，主要从事海洋水色遥感研究。E-mail：HY-1C 卫星是我国第 3 颗海洋水色卫星，与海洋一号 D 卫星（HY-1D）组建了我国首个海洋民用业务卫星星座，用于连续获取全球水色水温资料，监测我国海洋带环境变化，同时服务于自然资源调查、环境生态、应急减灾、农业、气象、水利等行业1。星载遥感器辐射校正与真实性检验是水色卫星数据定量化应用的基础，无论是在卫星发射后的首次在轨测试，还是卫星全寿命周期的辐射性能跟踪、数据产品检验，星地同步观测都是最重要的基础性工作2，而船-星同步观测是最可靠的技术手段。从海岸、船舶甲板、飞机或卫星平台获取的任何光学影像中都可以看到反射在海面上闪闪发光的区域，称之为太阳耀斑。太阳耀斑的形成主要是海面对太阳光的直射反射，当太阳光反射到遥感器内在遥感影像上会表现出带状明亮区域。直射太阳光经海面反射而进入观测视场的部分，称为太阳耀斑辐亮度。卫星对海观测的总辐亮度信号（Lt）包含了大气程辐射贡献（Lpath）、太阳耀斑辐射贡献（TLg）、白帽辐射贡献（TLwc）和离水辐射贡献（tLw）3。Lt=Lpath+TLg+TLwc+tLw（1）式中，T 为大气直射透过率；t 为大气漫射透过率。由于太阳耀斑辐亮度的数值远大于水体的离水辐亮度，因此，卫星影像中的耀斑区域是对海水辐射特性观测失效区域，通常在卫星数据产品中，都会对大于设定阈值的耀斑像元进行掩码，以利于卫星数据的应用4。如果船-星同步观测作业区域恰好在太阳耀斑区域，会直接导致该同步站位点为无效观测。针对太阳耀斑的处理，主要有“规避”和“剔除”两种策略，但在成本昂贵的船-星同步观测海洋技术学报第42卷中，必须规避卫星观测影像中的太阳耀斑区域，才能保证同步观测工作的有效实施5-6。目前，国内外学者已经开发了各种算法用于太阳耀斑提取和校正7-9，如 Cox-Munk 模型、Ebuchi-Kizu 模型、Breon-Henriot 模型等。KAY S 等10综述了两种不同类型的太阳耀斑校正算法，第一类方法适用于分辨率在 1001 000 m 之间的大洋影像，使用 Cox-Munk 模型根据风速和风向可计算海面上某一方向镜像反射耀斑的概率，利用这个概率可预测耀斑辐亮度大小；第二类方法适用于优于 10 m 的近岸和浅海区域影像，这类方法是基于光谱形状建立近红外光谱和耀斑辐亮度之间的关系。ZHANG H等11在太平洋、大西洋和印度洋等大洋区域选择了12 个场景，评估了多个太阳耀斑模型，研究发现Cox-Munk 算法与中分辨率成像光谱仪（Moderate-resolution Imaging Spectr-oradiometer，MODIS）观测的相关性较好，可以有效估计耀斑的分布。CHEN J等12开发评估了用于大洋区域的太阳耀斑校正算法，并与 Cox-Munk 算法进行比对，研究突出了新算法在太阳耀斑校正中的性能。GANGULY D 等13基于Cox-Munk 模型，提出了两种太阳耀斑校正算法，并利用全球区域和局部区域两个场景的 Oceansat-2OCM（Ocean Colour Monitor）数据对两种算法进行了测试，计算结果相对未经过耀斑校正有显著提高。宽视场水色扫描仪（Seaviewing Wide Field-of-view Sensor，SeaWiFS）、海洋水色和温度扫描仪（Ocean Colour and Temperature Scanner，OCTS）和海岸带水色扫描仪（Coastal Zone Color Scanner，CZCS）试图通过将传感器从最低点倾斜 20以减少太阳耀斑污染，但即使有这种功能，依然有耀斑污染的区域需要掩码11。OCM-1 和 OCM-2 使用有效载荷转向装置将传感器倾斜20，以最大限度地减少印度洋区域的耀斑影响，但耀斑影响依然存在，仅仅是区域发生了变化，耀斑区域向高纬度地区移动13。对于 HY-1C、MODIS 等多数水色卫星传感器没有这样的倾斜装置和功能，耀斑污染的现象可能更为严重。为此，本文在前人研究的基础上，利用卫星轨道报估算出卫星-太阳-像元位置的几何关系，预测 HY-1C 卫星影像中出现太阳耀斑的区域以规避该区域，具有实际应用价值。1方法1.1太阳耀斑辐亮度的计算太阳耀斑辐亮度（Lg）可表示如下14。Lg（）=F0（）T（s，）LGN（2）式中，F0（）为经日地距离修正且经大气气体（如臭氧）吸收修正后的大气层顶太阳辐照度15；T（s，）为卫星观测天底角方向的大气直射透过率；LGN是归一化太阳耀斑辐亮度，可根据特定太阳和观测方向，利用 Cox-Munk 风速-海浪坡度分布的方位角对称分析模型计算得到，注意此处 LGN与波长无关。LGN的物理意义是假设无大气且大气层外太阳辐照度 F0（）=1 时恰在海面之上的太阳耀斑辐亮度，可表示如下11。LGN=R（）4coscos4P（zx，zy）（3）式中，R（）为空间散射角为 的非偏振光菲涅尔反射率；为卫星观测天底角；为海面波浪面元的反射方向天顶角，有 cos=cos+cos02cos；0为太阳天顶角；P（zx，zy）为 Cox-Munk 模型的海浪坡度分布函数。在卫星影像处理中，对于 LGN 0.005 sr-1的像元采用掩码处理3。由此可见，耀斑辐亮度是太阳天顶角、卫星观测天底角、相对太阳方位的卫星观测相对方位角、风速，以及相对太阳方位的风向角的函数。1.2卫星观测几何的估算与假设太阳天顶角、卫星观测天底角、相对太阳方位的卫星观测相对方位角共同描述了卫星对海观测的几何，通过卫星轨道报可以估算得到这些参数。以HY-1C 卫星为例，其卫星两行轨道报数据（Two-Line Orbital Element，TLE）轨道两行报数据如图 1所示。由卫星轨道报可计算任意给定时间的星下点位置和轨道倾角11。图 1 中的第一行 43609U 是卫星编号，18068A 是国际编号，18068 表示 2018 年第68 次发射，20 131.333 333 33 表示这组轨道数据的时间点是 2020 年第 131 天的 33333333s，.0000000000000-0-26992-4 为轨道模型参数，0 是 SGP4/SDP4轨道模型，999 是 HY-1C 的第 999 组 TLE 参数，9是校验位。第二行，98.530 7 是轨道倾角，207.177 92第3期表 1HY-1C 影像成像特点的研究对象序号数据源影像 1H1C_OPER_OCT_L1B_20200510T070448_20200510T070500_08772_10.h5影像 2H1C_OPER_OCT_L1B_20200511T014000_20200511T014500_08772_10.h580706050403020100卫星观测天底角/（）200050100150扫描行号第 1 像元第 401 像元第 829 像元第 1 656 像元80706050403020100卫星观测天底角/（）0501 000 1 500扫描行号第 1 像元第 401 像元第 829 像元第 1 656 像元71.8571.8071.7571.7071.6571.6071.5571.5071.4571.40卫星观测天底角/（）2 50005001 0002 000扫描行号图 3各扫描行第 1、401、829 和 1 656 像元的卫星观测天底角（左图为影像 1，中图为影像 2，右图为两景影像第 1 656 像元观测天底角的对比）第 1 景第 1 656 像元第 2 景第 1 656 像元2 5002 0001 500李尉尉，等：HY-1C 卫星影像中太阳耀斑区域的预测技术研究是升交点赤经，0011446 表示轨道偏心率，实际值为 0.001 144 6，249.384 8 是近地点幅角，42.829 9为平近点角，这组 TLE 对应的时刻卫星在轨道的位置，14.341 661 03 是每天环绕地球的圈数，8 762是发射以来飞行的圈数，9 是校验位。我国 HY-1 系列卫星的主要载荷海洋水色水温扫描仪（Chinese Ocean Color Temperature Scan-ner，COCTS）为扫描式观测，主要用于探测我国及全球海域的海洋水色和水温环境信息，图 2 为 HY-1C海洋水色水温扫描仪。为了研究 HY-1C COCTS 影像的成像特点，选择了两景影像作为研究对象，一景为极地观测的影像，另一景为北纬 30我国沿海观测的影像。为表述方便，分别将这两景影像定义为影像 1 和影像 2，如表 1 所示。本文使用的 HY-1C 卫星数据由国家卫星海洋应用中心提供，获取网址为 https:/。图 1HY-1C 卫星 TLE 轨道两行报（http:/，2020-05-10）1 43609U 18068A20 131.333 333 33.000 000 0000000-0-26992-4 099992 43609 98.530 7 207.17 7 90011446249.384 842.829 914.341 661 03 87629图 2HY-1C 海洋水色水温扫描仪通过对影像的数据统计，可得出 HY-1C 卫星每行扫描 1656 像元，以星下点为中心分布于两侧16。图 3 给出这两景影像各扫描行第 1、401、829 和1 656 像元的卫星观测天底角，以及两景影像第1 656 像元卫星观测天底角的对比。图 4 给出两景影像各像元对地观测天底角的平均值与标准差。由图 3 和图 4 可知，相同序号的像元对地观测天底角略有差异，差异小于 1，为便于计算，本文可以假设卫星每行扫描相同序号像元的观测天底角相等。由于卫星对单个扫描行的观测时间很短（约0.16s），为计算方便，本文假设每个扫描行均垂直于轨道。这样在得到扫描行各像元观测天底角后，根据卫星轨道报给出的卫星高度，以及根据过境前后时间星下点位置计算的轨道倾角，可简单计算出各像元中心点对应的地面经纬度17。在得到像元经纬度后，可根据卫星轨道数据和过境时间计算出各像元卫星观测天底角和方位角、太阳天顶角和方位角。3海洋技术学报第42卷图 4两景影像各像元对地观测天底角的平均值（左图）与标准差（右图）2 000像元序号卫星观测天底角/（）8070605040302010005001 0001 500影像 1 的平均值影像 2 的平均值2 000像元序号标准差0.100.09