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基于MODIS数据和劈窗算法的黄海海域SST反演与分析.rar

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    编号:20180915222316159    类型:共享资源    大小:15.22MB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    基于 MODIS 数据 算法 黄海 海域 SST 反演 分析
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    山东科技大学学士学位论文摘 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;劈窗算法山东科技大学学士学位论文I山东科技大学学士学位论文IIAbstractSea 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山东科技大学学士学位论文III目录1.绪论 ................................................11.1 研究背景和意义 ....................................................................................11.2 国内外研究现状 ....................................................................................21.3 论文结构 .................................................................................................42.卫星数据介绍 ........................................62.1 MODIS 及其数据格式 .........................................................................62.2 MODIS 数据的格式简介 .....................................................................113.海表面温度反演 .....................................163.1 技术路线思路概述 ..............................................................................163.2 数据的预处理 ......................................................................................173.3 大气对辐射的影像及数据的大气校正 ...............................................213.4 遥感数据的亮度温度 ..........................................................................223.5 劈窗算法 ...............................................................................................233.6 反演结果 ...............................................................................................254. 标准 SST 数据的下载及 IDL 读取 ......................274.1 标准 SST 数据产品的下载及产品说明 ..............................................274.2 IDL 环境下读取 SST 产品 ..................................................................275 结果分析与精度评定 .................................305.1 海表面温度反演结果与标准 SST 产品的对比分析 ..........................305.2 设计过程中遇到的主要问题 ...............................................................316.结论与展望 .........................................336.1 结论 .......................................................................................................336.2 不足与展望 ...........................................................................................33山东科技大学学士学位论文I参考文献 .............................................34致 谢 ................................................36附 录 ................................................38山东科技大学学士学位论文01.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。山东科技大学学士学位论文11.2 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,山东科技大学学士学位论文2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。山东科技大学学士学位论文31.3 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 1 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 2 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 3 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 4 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 5 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 6 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。山东科技大学学士学位论文4图 1.1 反演 SST 技术路线图MODISL1B 数据2、19 波段反射率大气水汽含量 ω31、32 波段热辐射亮度几何校正亮度温度 T31、T 32几何校正大气透过率τ31、τ32SST劈窗算法辐射定标制作黄海海域矢量图
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