(高清版)GBT 42190-2022 衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)導則 霾

衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)導則霾國家標準化管理委員會I前言 12規(guī)范性引用文件 13術(shù)語和定義 14監(jiān)測數(shù)據(jù) 5霾區(qū)判識 26霾強度等級判識 4附錄A(資料性)霾監(jiān)測常用衛(wèi)星傳感器的光譜通道參數(shù) 5附錄B(規(guī)范性)空氣分子瑞利散射貢獻計算方法 7附錄C(規(guī)范性)色彩空間轉(zhuǎn)換方法 附錄D(規(guī)范性)等經(jīng)緯投影像元面積計算公式 附錄E(規(guī)范性)衛(wèi)星近地面氣溶膠消光系數(shù)計算方法 參考文獻 Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔識別專利的責任。本文件由中國氣象局提出。本文件由全國衛(wèi)星氣象與空間天氣標準化技術(shù)委員會(SAC/TC347)歸口。本文件起草單位：國家衛(wèi)星氣象中心、生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應用中心、中國科學院空天信息創(chuàng)新研1衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)導則霾本文件規(guī)定了衛(wèi)星遙感霾監(jiān)測數(shù)據(jù)的要求，描述了霾區(qū)判識及霾強度等級判識的技術(shù)方法。本文件適用于利用衛(wèi)星遙感技術(shù)開展晴空條件下霾的監(jiān)測及其評估。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T36299光學遙感輻射傳輸基本術(shù)語GB/T36542霾的觀測識別3術(shù)語和定義GB/T36542和GB/T36299界定的術(shù)語和定義適用于本文件。消光系數(shù)extinctioncoefficient表征介質(zhì)使電磁波衰減程度的物理量。注：等于電磁波在介質(zhì)中傳播單位距離時，其強度由于吸收和散射作用而衰減的相對值，常用單位為負一次方米(m-1)、負一次方千米(km-l)。[來源：GB/T37467—2019,,有修改]表征單位距離大氣氣溶膠造成輻射能量衰減程度的物理量。注：數(shù)值上等于氣溶膠散射系數(shù)和吸收系數(shù)之和，常用單位為負一次方米(m-1)、負一次方千米(km-1)。從地面到大氣上界垂直路徑中氣溶膠消光系數(shù)(3.2)的總和。注：量綱為1。[來源：GB/T31159—2014,4.12,有修改]表觀反射率apparentreflectance大氣層頂上行短波輻射通量與太陽入射輻射通量的比值。4監(jiān)測數(shù)據(jù)4.1數(shù)據(jù)分類霾監(jiān)測數(shù)據(jù)分為衛(wèi)星數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，應選取下列一種或幾種數(shù)據(jù)。2a)衛(wèi)星數(shù)據(jù)：1)光譜通道的表觀反射率和亮溫(霾監(jiān)測常用衛(wèi)星傳感器的光譜通道參數(shù)見附錄A);2)像元經(jīng)緯度、太陽入射角度、衛(wèi)星觀測角度等地理信息；3)大氣氣溶膠光學厚度。b)氣象數(shù)據(jù)：近地面水平能見度或近地面氣溶膠消光系數(shù)等。4.2數(shù)據(jù)選用霾監(jiān)測選用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)符合下列要求：a)衛(wèi)星數(shù)據(jù)應經(jīng)過定位、定標預處理；b)衛(wèi)星觀測時的太陽天頂角不超過72°;c)表觀反射率應訂正太陽天頂角的影響；d)氣象數(shù)據(jù)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)的觀測時間差不大于3h。5霾區(qū)判識5.1衛(wèi)星遙感監(jiān)測霾區(qū)真彩色圖像是指利用紅、綠、藍三波段的光譜數(shù)據(jù)合成的彩色圖像，合成圖像的色彩與實際景物色彩一致或近似一致。在衛(wèi)星監(jiān)測的真彩色圖像上，沒有云、霧遮擋條時，均勻分布的色調(diào)為灰色/灰白色、造成地表特征模糊或不可見的區(qū)域為衛(wèi)星遙感監(jiān)測的霾區(qū)。5.2多通道判識5.2.1在衛(wèi)星傳感器具備所需判識通道時，應使用多通道的反射率和亮溫數(shù)據(jù)判識霾區(qū)。應先排除云和冰雪像元，后判識霾像元。霾區(qū)按表1的閾值判斷。表1霾監(jiān)測多通道判識參數(shù)閾值表判識對象判識參數(shù)參數(shù)釋義閾值云判識中心波長在0.47μm附近衛(wèi)星通道表觀反射率閾值A(chǔ)msd.0.47中心波長為0.47μm附近衛(wèi)星通道表觀反射率在3×3鄰域內(nèi)加權(quán)平均標準差的閾值0.0025Asd.0.47中心波長為0.47μm附近衛(wèi)星通道表觀反射率在3×3鄰域內(nèi)的標準差的閾值0.0075A?.38中心波長在1.38μm附近衛(wèi)星通道表觀反射率閾值A(chǔ)d.1.3中心波長為1.38μm附近衛(wèi)星通道表觀反射率在3×3鄰域內(nèi)的標準差的閾值冰雪判識BNDsi冰雪指數(shù)閾值B中心波長在11μm附近衛(wèi)星通道亮溫的閾值霾判識中心波長在0.47μm附近的衛(wèi)星通道去除空氣分子瑞利散射貢獻后表觀反射率的閾值Cratio中心波長在0.47μm附近的衛(wèi)星通道去除空氣分子瑞利散射貢獻后表觀反射率與中心波長在2.1μm附近衛(wèi)星通道表觀反射率比值對應的閾值3GB/T42190—20225.2.3排除云和冰雪像元、同時滿足公式(3)和公式(4)的晴空像元被判識為霾，其中，空氣分子瑞利散射貢獻應按附錄B計算。R?>Co.47式中：5.3圖像判識4GB/T42190—2022b)圖像飽和度滿足公式(5)的像元被判識為霾，閾值因衛(wèi)星傳感器光譜通道和觀測區(qū)域的差異有所不同。式中：Smin——低端閾值，取0.035;S——圖像飽和度；5.4霾區(qū)面積計算霾區(qū)面積為霾像元的覆蓋面積總和，按公式(6)計算，其中，等經(jīng)緯度投影時單個霾像元面積按附錄D式中：M——霾區(qū)面積，單位為平方千米(km2);n——霾區(qū)的像元總數(shù)；M:.;——單個霾像元面積，單位為平方千米(km2)。6霾強度等級判識6.1強度等級按衛(wèi)星反演的0.55μm波長的大氣氣溶膠光學厚度(ro.ss)及近地面氣溶膠消光系數(shù)(βexaer,a.55),將6.2閾值范圍霾強度等級的判識參數(shù)按表2的閾值范圍劃分霾強度等級，其中，衛(wèi)星近地面氣溶膠消光系數(shù)應按附錄E的規(guī)定計算。表2霾強度等級等級判識參數(shù)I判識參數(shù)Ⅱ0.55μm大氣氣溶膠光學厚度(to.5s)0.55μm近地面氣溶膠消光系數(shù)(βexs)/km-輕微0.4<t0.550.4≤βex,se,0.55<0.8輕度0.8≤βex.ser.0.55<1.1中度1.1≤βex,r.0.55<1.6重度0.8<r0.55判識參數(shù)I和判識參數(shù)Ⅱ應同時滿足5(資料性)霾監(jiān)測常用衛(wèi)星傳感器的光譜通道參數(shù)表A.1霾監(jiān)測常用衛(wèi)星傳感器的光譜通道參數(shù)衛(wèi)星/儀器通道中心波長光譜帶寬波段星下點空間分辨率m FY-3A、3B/MERSI-IFY-3C、3D/MERSI-Ⅱ1可見光，藍(visible,blue)2可見光，綠(visible,green)3可見光，紅(visible,red)4近紅外(nearinfrared)5短波紅外(short-waveinfrared)7短波紅外(short-waveinfrared)EOS-TERRA/MODISEOS-AQUA/MODIS1可見光，紅(visible,red)2近紅外(nearinfrared)3可見光，藍(visible,blue)4可見光，綠(visible,green)5短波紅外(short-waveinfrared)7短波紅外(short-waveinfrared)Suomi-Npp/VIIRSJPSS/VIIRSM3可見光，藍(visible,blue)M4可見光，綠(visible,green)M5可見光，紅(visible,red)M7近紅外(nearinfrared)M8短波紅外(short-waveinfrared)M11短波紅外(short-waveinfrared)FY-4A/AGRI1可見光，藍(visible,blue)2可見光，紅(visible,red)3近紅外(nearinfrared)6短波紅外(short-waveinfrared)葵花-8號、9號衛(wèi)星Himawari8、9/AHI1可見光，藍(visible,blue)2可見光，綠(visible,green)3可見光，紅(visible,red)4近紅外(nearinfrared)6短波紅外(short-waveinfrared)6表A.1霾監(jiān)測常用衛(wèi)星傳感器的光譜通道參數(shù)(續(xù))衛(wèi)星/儀器通道中心波長光譜帶寬波段星下點空間分辨率m環(huán)境衛(wèi)星HJ-1A、B/WVC1可見光，藍(visible,blue)2可見光，綠(visible,green)3可見光，紅(visible,red)4近紅外(nearinfrared)高分一號、高分二號GF-1/22可見光，藍(visible,blue)GF-1:8,16GF-2:43可見光，綠(visible,green)GF-1:8,16GF-2:44可見光，紅(visible,red)GF-1:8,16GF-2:45近紅外(nearinfrared)GF-1.8.16GF-2:4高分四號GF-4/VNIR2可見光，藍(visible,blue)3可見光，綠(visible,green)4可見光，紅(visible,red)5近紅外(nearinfrared)高分五號GF-5/VIMI1可見光，藍(visible,blue)2可見光，綠(visible,green)3可見光，紅(visible,red)4近紅外(nearinfrared)6短波紅外(short-waveinfrared)注：衛(wèi)星及星載儀器完整信息見世界氣象組織(WMO)發(fā)布信息，網(wǎng)址http://www.wmo-sat.7GB/T42190—2022(規(guī)范性)空氣分子瑞利散射貢獻計算方法B.1空氣分子光學厚度空氣分子光學厚度按公式(B.1)計算：式中：r?——空氣分子光學厚度；β(z)——空氣分子在高度(z)處、波長(λ)處的消光系數(shù)，單位為負一次方米或者負一次方千米(m-'或km-l),按公式(B.2)計算：β(z)=σA×N,(z)×10?…(B.2)式中：β()——空氣分子在高度(z)處、波長(λ)處的消光系數(shù)，單位為負一次方米或者負一次方千米(m-1或km-l);σx——單個空氣分子的消光截面值，單位為平方厘米(cm2),按公式(B.3)計算；N,(x)——高度(x)處的空氣分子數(shù)密度值，單位為個每立方厘米(個/cm3),按公式(B.4)計算?！?B.3)式中：σ?——單個空氣分子的消光截面值，單位為平方厘米(cm2);n、——空氣分子在1013hPa大氣壓下，溫度為15℃時的折射指數(shù)值，按公式(B.5)計算；N.——標準大氣壓下，海平面處的空氣分子數(shù)密度值，取2.54743×101°;δ——退偏因子值，取0.0279?！街校篘(x)—-高度(x)處的空氣分子數(shù)密度值，單位為個每立方厘米(個/cm3);N,——標準大氣壓下，海平面處的空氣分子數(shù)密度值，取2.54743×101?;P(x)—-高度(x)處的大氣壓值，單位為百帕(hPa);T(x)——高度(x)處的大氣溫度值，單位為開爾文(K)。…(B.5)式中：ns——空氣分子在1013hPa大氣壓下，溫度為15℃時的折射指數(shù)值；λ——電磁波的頻率值，單位為負一次方厘米(cm-l)。B.2空氣分子反射率各向同性散射介質(zhì)的反射率為單次散射反射與多次散射貢獻的疊加，按公式(B.6)計算，近似方法按公式(B.7)計算。8GB/T42190—2022p°(0.,0…φv-q。)=pí(0,,0,,φv-q?)+(1-e)×(1-e-/)△r……(B.6)式中：pí(0、,0,,φv-φ?)——單次散射貢獻項；0,——太陽天頂角；φs——太陽方位角；rR——空氣分子光學厚度；μs——太陽天頂角的余弦值；μv——衛(wèi)星天頂角的余弦值。p(0.,0,qv-q.)=2}-。(2-δ)×pì(0.,0,q-q.)×cos[j(qv-q?)]+(1-e/m)×(1-e-R/)×2}-。(2-δ)×△1(r)×P(μs,μv)×cos[j(?v-?)]…………(B.7)——太陽天頂角；——衛(wèi)星天頂角；——衛(wèi)星方位角；——太陽方位角；j——展開階數(shù)，取值0,1,2,按公式(B.8)～公式(B.10)計算；δ——退偏因子值，取0.0279;tR——空氣分子光學厚度；μs——太陽天頂角的余弦值；μv——衛(wèi)星天頂角的余弦值；——j階光學厚度角度訂正值；P'(μs,μv)——勒讓德多項式。當j=0時：△°(r)=a°(μs,μv)+b°(μs,yv)log(r)a°(μs,μv)——光學厚度角度訂正值的截距項，按公式(B.9)計算；b°(μs,μv)——光學厚度角度訂正值的斜率項，按公式(B.9)計算；μsμvrR——太陽天頂角的余弦值；——衛(wèi)星天頂角的余弦值； 空氣分子光學厚度。a°(μs,μv)——光學厚度角度訂正值的截距項；b°(μs,μv)——光學厚度角度訂正值的斜率項；9GB/T42190—2022μs——太陽天頂角的余弦值b;=.4——光學厚度角度訂正值的斜率項的展開系數(shù)，按表B.1取值。iab°0.332438—6.7771×10-20.1628541.5770×10-2一0.309248—1.2409×10-3—0.1032443.2417×10-20.114933—3.5037×10-2注：a’=.4和b}=,4分別為光學厚度角度訂正值截距項和斜率項的展開系數(shù)。當j=1或者2時：△'-1·2(x)=a'-1,2+bj-1·?log(x)△1=1.2(r)---1階或2階光學厚度角度訂正值；a1~1:2——光學厚度高階訂正系數(shù)的截距項，取值見表B.2;bj=1:2—-光學厚度高階訂正系數(shù)的斜率項，取值見表B.2;pí(θ,,θ,φv-φ?)——單次散射貢獻項；μsμvPi(μs,μv)r——太陽天頂角；——衛(wèi)星天頂角；——衛(wèi)星方位角；——太陽方位角；——空氣分子的單次散射反照率；——太陽天頂角的余弦值；——衛(wèi)星天頂角的余弦值；——勒讓德多項式；——空氣分子光學厚度。j—5.4391×10-2—2.9108×10-2注：a1-1·2和bj-1,?為光學厚度高階訂正系數(shù)的截距項和斜率項。GB/T42190—2022(規(guī)范性)色彩空間轉(zhuǎn)換方法RGB色彩空間向HSV色彩空間轉(zhuǎn)換按公式(C.1)～公式(C.3)計算。V=max(R,G,B)……………(C.1)V——彩色圖像的亮度分量；R——彩色圖像紅色分量；G——彩色圖像綠色分量；B——彩色圖像藍色分量。S——彩色圖像飽和度分量；R——彩色圖像紅色分量；G——彩色圖像綠色分量；B——彩色圖像藍色分量。R——彩色圖像紅色分量；G——彩色圖像綠色分量；B——彩色圖像藍色分量。GB/T42190—2022(規(guī)范性)等經(jīng)緯投影像元面積計算公式等經(jīng)緯度投影的單像元面積按公式(D.1)計算。式中：M:.——等經(jīng)緯度投影的單像元面積，單位為平方千米(km2);Lln——經(jīng)度方向的距離，單位為千米(km),按公式(D.2)計算；L——緯度方向的距離，單位為千米(km),按公式(D.3)計算。式中：Lln—-經(jīng)度方向的距離，單位為千米(km),按公式(D.2)計算；Dm——經(jīng)度方向的圖像分辨率，單位為度(°);a——地球赤道半徑，單位為千米(km),取值6378.164;c——地球極半徑，單位為千米(km),取值6356.779;φ——像元所在緯度，單位為弧度(rad);tgq——像元所在緯度的正切函數(shù)。式中：Lm——緯度方向的距離，單位為千米(km),按公式(D.3)計算；D緯度方向的圖像分辨率，單位為度(°);d——地球赤道上緯度1度對應的實地距離，單位為千米每度[km/(°)],取值111.13。GB/T42190—2022(規(guī)范性)衛(wèi)星近地面氣溶膠消光系數(shù)計算方法E.1氣溶膠標高獲取E.1.1地面氣象觀測站為近地面氣溶膠消光系數(shù)觀測，應匹配衛(wèi)星反演的大氣氣溶膠光學厚度后計算標高，時間窗口為0.5h,空間窗口為經(jīng)緯度0.1°。氣溶膠消光系數(shù)垂直方向按指數(shù)遞減時，按公式(E.1)計算地面氣象觀測站所在位置的標高?！?E.1)式中：Hh.g——地面站點數(shù)據(jù)計算的大氣氣溶膠層標高，單位為千米(km);tsg——衛(wèi)星反演的大氣氣溶膠光學厚度匹配至站點位置的數(shù)據(jù)；β?——地面站點觀測的近地面氣溶膠消光系數(shù)，單位為負一次方千米(km-1)。E.1.2地面氣象觀測站為水平能見度觀測，應匹配衛(wèi)星反演的大氣氣溶膠光學厚度后計算標高，時間窗口為0.5h,空間窗口為經(jīng)緯度0.1°。氣溶膠消光系數(shù)垂直方向按指數(shù)遞減時，按公式(