一种基于MODIS三通道加权平均的水汽反演方法

技术领域

本发明涉及大气遥感领域，特别是涉及一种基于MODIS三通道加权平均的水汽反演方法。

背景技术

大气可降水量(PWV)对降水与气候、大气校正、InSAR大气效应的去除、灾害性天气预报等方面具有重要的意义，也是当前GNSS气象学领域所研究的重要分支。目前有多种反演大气可降水量的方法，每种方法都有各自的优点和局限性，因此有必要在充分研究各种方法的基础上，将多种方法进行综合运用，优势互补，得到高时空分辨率且准确的大气可降水量，便于进行更广阔的大气可降水量研究应用。

在利用MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectrum-Radiometer)反演大气水汽方面，1992年，Kaufman和Gao等人提出了基于辐射差分吸收原理的通道比值算法，实验数据显示应用MODIS近红外三通道反演大气水汽含量的绝对精度为13％，若能对地表反射光谱、雾霾、温度廓线等的不确定性因素进行很好的改善，精度可以提高到1％。同年，Michael等对利用MODIS数据反演大气水汽含量、气溶胶厚度、云性质也进行过描述。2003年，Gao等人详细阐述了应用MODIS近红外波段数据进行大气水汽反演的算法，并对MODIS2、3级水汽产品的精度进行了验证。Michael等人对MODIS及其大气产品进行了系统详细的描述，并给出了每种大气产品的样品。2005年，王伟民等研究地物反射光谱对MODIS近红外波段水汽反演影响，主要利用在近红外940nm波长附近存在强水汽吸收特性，利用比值法反演大气水汽，同时发现利用近红外波段反演大气水汽时，如果水汽含量高于40mm，大气的路径辐射影响是不可以忽略的。2006年，姜立鹏等基于地物光谱数据库，对l um附近的地物反射率进行了合理的假设，改进了三通道比值加权法。应用大气辐射传输模型模拟了大气透过率与水汽之间的关系，对传感器视角问题进行了讨论分析并解决了该问题。2008年，赵有兵等人研究应用MODIS遥感影像反演大气水汽含量，将反演得到的数据和同地的探空数据进行对比，发现对单一通道的水汽值进行加权运算是有必要的，但是权重因子具体如何选取需要进行研究。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的基于MODIS三通道加权平均的水汽反演方法。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的基于MODIS三通道加权平均的水汽反演方法，包括以下步骤：

S1：对研究区的MOD021KM数据进行预处理；

S2：分别计算17、18和19通道的水汽含量；

S3：对步骤S2得到的三个不同通道的水汽含量进行加权平均，如式(1)所示：

W＝f₁₇W₁₇+f₁₈W₁₈+f₁₉W₁₉>

式(1)中，W是求得的平均水汽含量，W₁₇、W₁₈、W₁₉分别是步骤S2计算得到的17、18和19三个通道的水汽含量，f₁₇是W₁₇的权重因子，f₁₈是W₁₈的权重因子，f₁₉是W₁₉的权重因子。

进一步，所述步骤S2中，计算17、18和19通道的水汽含量的公式如式(2)所示：

式(2)中，ρ₁₇、ρ₁₈、ρ₁₉分别为17、18、19通道计算的表观反射率，A＝(0.8ρ₂+0.2ρ₅)，ρ₂、ρ₅分别为2通道、5通道计算的表观反射率。

进一步，所述步骤S3中，分别利用最优权系数w₁₇、w₁₈和w₁₉对f₁₇、f₁₈和f₁₉进行优化，并用优化后的f₁₇、f₁₈和f₁₉代替原来的f₁₇、f₁₈和f₁₉，其中，w₁₇、w₁₈和w₁₉通过以下方法得到：

式(3)中，w_i为组合模型中第i种模型的权系数，e_it为第i种方法在第t时刻的误差，Y_it为三通道计算值，Y_t为GPS计算的水汽值，由公式(4)得：

e_t²＝(w₁，w₂，…，w_m)(e_1t，e_2t，…，e_mt)^T(e_1t，e_2t，…，e_mt)(w₁，w₂，…，w_m)＝W^TEW>

令J＝W^TEW，通过式(5)计算得到w_i：

式(5)中，L_n为[1，1，…，1]^T。

有益效果：本发明公开了一种基于MODIS三通道加权平均的水汽反演方法，相比传统的二通道比值法模型和三通道比值法模型，有效提高了计算精度。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中遥感影像几何校正前后的图；

图1(a)为本发明具体实施方式中遥感影像几何校正前的图；

图1(b)为本发明具体实施方式中遥感影像几何校正后的图；

图2为本发明具体实施方式中MOD021KM2016.155.1725二通道和三通道比值法得到的水汽图像；

图2(a)为本发明具体实施方式中MOD021KM2016.155.1725二通道比值法得到的水汽图像；

图2(b)为本发明具体实施方式中MOD021KM2016.155.1725三通道比值法得到的水汽图像；

图3为本发明具体实施方式中几种方法的PWV反演值的对比。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本具体实施方式公开了一种基于MODIS三通道加权平均的水汽反演方法，包括以下步骤：

S1：对研究区的MOD021KM数据进行预处理。

S2：分别计算17、18和19通道的水汽含量，具体如下：

本研究使用的是MOD021KM数据。MODIS数据可以在自美国NOAA网站下载(ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov)。具体数据信息如表1。

表1 MODIS产品信息表

选择研究区(29.0～35.0N，94.0～105.0W)，选取2016年6月～9月期间研究区共420组Terra MODIS数据进行研究分析。研究区此段时间降水量充沛，利于反演后效果对比。

MODIS的五个通道位于近红外波段，在17、18、19这三个通道，水汽吸收太阳辐射能力较强，因此这三个通道可作为大气吸收通道。而2,5通道对大气的透过率接近于1，即基本上完全透过，可以把这两个通道作为大气窗口通道。因此计算大气透过率可以通过计算吸收通道和窗口通道的比值来实现，再由大气透过率来计算大气可降水量。

用ENVI软件对下载的图像预处理，然后分别用二通道比值法和三通道比值法进行对进行大气可降水量反演计算。

S3：对步骤S2得到的三个不同通道的水汽含量进行加权平均，如式(1)所示：

W＝f₁₇W₁₇+f₁₈W₁₈+f₁₉W₁₉>

式(1)中，W是求得的平均水汽含量，W₁₇、W₁₈、W₁₉分别是步骤S2计算得到的17、18和19三个通道的水汽含量，f₁₇是W₁₇的权重因子，f₁₈是W₁₈的权重因子，f₁₉是W₁₉的权重因子。

步骤S2中，计算17、18和19通道的水汽含量的公式如式(2)所示：

式(2)中，ρ₁₇、ρ₁₈、ρ₁₉分别为17、18、19通道计算的表观反射率，A＝(0.8ρ₂+0.2ρ₅)，ρ₂、ρ₅分别为2通道、5通道计算的表观反射率。

步骤S3中，分别利用最优权系数w₁₇、w₁₈和w₁₉对f₁₇、f₁₈和f₁₉进行优化，并用优化后的f₁₇、f₁₈和f₁₉代替原来的f₁₇、f₁₈和f₁₉，其中，w₁₇、w₁₈和w₁₉通过以下方法得到：

式(3)中，w_i为组合模型中第i种模型的权系数，e_it为第i种方法在第t时刻的误差，Y_it为三通道计算值，Y_t为GPS计算的水汽值，由公式(4)得：

e_t²＝(w₁，w₂，…，w_m)(e_1t，e_2t，…，e_mt)^T(e_1t，e_2t，…，e_mt)(w₁，w₂，…，w_m)＝W^TEW>

令J＝W^TEW，通过式(5)计算得到w_i：

式(5)中，L_n为[1，1，…，1]^T。

按照最小二乘法的原理，根据误差平方和最小即可确定出组合模型的最优权系数w_i。

用ENVI计算出改进算法的值，表2表示单一通道比值法与加权通道比值算法的精度比较。

表2 几种算法精度对比

其中r表示MODIS-PWV与GPS-PWV之间的相关系数，BIAS表示平均绝对值偏差，RMSE表示中误差。

图1为本发明具体实施方式中遥感影像几何校正前后的图，图2为本发明具体实施方式中MOD021KM2016.155.1725二通道和三通道比值法得到的水汽图像，图3为本发明具体实施方式中几种方法的PWV反演值的对比。

由表2可以得出以下结论：

(1)改进的加权平均三通道比值法精度较二通道比值法精度提高33.5％，较三通道比值法精度提高21.7％，效果显著，此模型更适用于该区域的MODIS水汽反演。

(2)无论是用二通道比值法、三通道比值法还是改进的加权平均三通道比值法反演的MODIS-PWV与GPS-PWV随时间序列的变化趋势一致，相关系数很高，尤其是改进的加权平均三通道比值法反演的MODIS-PWV与GPS-PWV的相关系数可以达到0.93，即两者的偏移量总体一致，因此此方法可以很好的反映大气可降水量的变化信息。

(3)由于计算模型误差、气溶胶、云等系统性误差，以及有些MODIS实验数据与GPS数据获取时刻对应性等偶然误差的存在，MODIS近红外反演可降水量存在一定程度的误差，比地基GPS-PWV要大很多。鉴于两者高度一致的相关性，用GPS高精度PWV改进MODIS-PWV，会使MODIS大气可降水量的反演精度大大提高，因此利用GPS数据和改进的相对精度较高的加权平均三通道比值法，建立实时高精度反演大气可降水量模型是很有必要的。