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的對(duì)比測(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（海表面溫度）反演的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，是SeaDAS衛(wèi)星遙感項(xiàng)目的一個(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)星遙感資料服務(wù)于海洋監(jiān)測(cè)工作建立一個(gè)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(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0.345pm（可見光）到14.235仙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5

2、00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。SeaDAS5.0反演海表面溫度的算法是美國(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3.7pm和11nm附近的兩個(gè)紅外大氣窗口。其中晝間使用11pm算法，即利用11.03卜m,12.03pm通道，夜間使用3.7仙m和11仙m通道。由于晝間觀測(cè)數(shù)據(jù)不僅可提供海表面溫度，而且可提供葉

3、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111m算法?！斑~阿密探路人”在11pm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（12.03仙m）的輻射亮溫。8是衛(wèi)星天頂角。C1C4是四個(gè)系數(shù)。SeaDASt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<0.7T32-T31>0.7C1L228552L692521C20.95765550,9558419C30.M821960.0873754C4L774631L199584表1:MPSST算法的

4、系數(shù)圖1:MPSST算法反演獲得的東海區(qū)域海表面溫度圖(2007.10.242:38UTC)為了對(duì)遙感反演獲得的海表面溫度進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，需要選擇合適的其它測(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。最適于海表面溫度對(duì)比測(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

5、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+35m5c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(dòng)，這給進(jìn)行對(duì)比測(cè)試帶來(lái)了方便。在了解了遙感反演算法和選擇了合適的對(duì)比測(cè)量手段后，我們就可以設(shè)計(jì)和實(shí)施海溫對(duì)比測(cè)試。對(duì)比測(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)行對(duì)比的前提是：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)星軌道精度存在誤差，衛(wèi)星遙感傳感器分辨率的問(wèn)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)

6、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)行遙感對(duì)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?cè)O(shè)計(jì)符合比測(cè)要求的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn):項(xiàng)目允許誤差時(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，海表面溫度的時(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)中E是總誤差限，el是時(shí)間誤差限，在我們這里約為W.25,e統(tǒng)空間誤差限，約為W.8,em是儀器測(cè)量精度的誤差限，為劃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，其誤差限為蟲.01

7、度?；痉弦?。未經(jīng)質(zhì)控的遙感反演SST數(shù)據(jù)的對(duì)比測(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)行了對(duì)比測(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：項(xiàng)目結(jié)果一樣本數(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4：未經(jīng)質(zhì)控的遙感反演數(shù)據(jù)對(duì)比測(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，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)加熱的作用比較明顯、沿岸上空的大氣狀況比較復(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

8、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2 F17和F18布置時(shí)間短，只取得了3這些數(shù)據(jù)已經(jīng)求出，見附件 2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月份二9多年平均

9、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)月海溫多年平均值為c范圍內(nèi)的，是有效數(shù)據(jù)，通過(guò)質(zhì)量控制，否則，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3,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)

10、質(zhì)量控制門限可放寬到多年平均值給C范圍。經(jīng)質(zhì)量控制的遙感SST數(shù)據(jù)的對(duì)比測(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：項(xiàng)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6：未經(jīng)質(zhì)控的遙感反演數(shù)據(jù)對(duì)比測(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

11、SST結(jié)果預(yù)測(cè)實(shí)際海表面溫度的線性回歸方程。61年的資料，沒有多年的月海溫平均值。反演SST測(cè)量結(jié)果一回歸方程反演SST口浮標(biāo)實(shí)測(cè)SST0歸分析3530T25S測(cè)20實(shí)151055101520253035圖2MODIS反演SST和實(shí)測(cè)SST回歸分析回歸統(tǒng)計(jì)MultipleR0.950309344RSquare0.90308785AdjustedRSquare0.90102589標(biāo)準(zhǔn)誤差1.583839791觀測(cè)值49表7MODIS反演SST和實(shí)測(cè)SST回歸統(tǒng)計(jì)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(cè)值的誤差標(biāo)準(zhǔn)差降低到1.584C,相關(guān)性系數(shù)達(dá)到0.9

12、0,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SeaDAS5.0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SeaDAS5.0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(wèn)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)的對(duì)比測(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對(duì)比測(cè)試和改進(jìn)的工作已經(jīng)達(dá)到了項(xiàng)目任務(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SeaDAS5.0軟件內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)高精度的SSTT品的穩(wěn)定輸出，以及啟動(dòng)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(xiàng)目中能夠完成這些工作，讓衛(wèi)