VIIRS白天/夜晚波段數據應用概況

方荀

摘 要：自從環境衛星平臺出現以來，在可見光波段，利用日間反射光的測量方法已經成為地球觀測輻射儀器的主要方法。在夜晚，這些相同的光學波段的傳感器長期被限制在熱紅外波段，而這些熱紅外波段，相對于許多的重要天氣和氣候要素，涵蓋的性息太少。自從環境衛星平臺出現以來，在可見光波段，利用日間反射光的測量方法已經成為地球觀測輻射儀器的主要方法。在夜晚，這些相同的光學波段的傳感器長期被限制在熱紅外波段，而這些熱紅外波段，相對于許多的重要天氣和氣候要素，涵蓋的性息太少。美國新一代極軌運行環境衛星系統預備衛星NPP上的可見光紅外成像輻射儀套件（visible infrared imager radiometer suite，VIIRS）繼承發展了美國國防氣象衛星（DMSP）的OLS傳感器的微光探測能力，提供了夜晚時分可見光和近紅外的觀測手段，該文簡要介紹了VIIRS的白天/夜晚波段（day and night，DNB）數據的微光探測能力和應用概況。

關鍵詞：NPP OLS VIIRS 微光探測 DNB

中圖分類號：P73 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（c）-0042-02

美國新一代極軌運行環境衛星系統預備衛星計劃（National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System Preparatory Project，NPP）是極軌運行環境衛星系統（NPOESS）的預備項目。在美國綜合計劃辦公室（IPO）負責下，聯合了國防部（DOD）、商務部（DOC）和國家航空航天局（NASA）多家部門[1]，旨在拓寬Terra和Aqua衛星探測能力，降低NPOESS的發射風險[2]。然而由于嚴重的成本超支和研發拖期，2010年2月，NPOESS項目被重組[3]，NOAA和NASA共同組建的聯合極地衛星系統（JPSS）接手了NPP的大部分工作，并以美國氣象衛星之父的名字Suomi來命名。Suomi NPP的第一顆衛星于2011年10月從范登堡空軍基地由Delta-II火箭發射升空[4]。衛星上共搭載了五種載荷，其中可見光紅外輻射儀（VIIRS）作為最重要的載荷，汲取了當代業務和科研觀測系統中最好的技術，尤其是繼承發展了美國國防氣象衛星計劃（DMSP）線性掃描業務系統（OLS）的微光探測能力。

1 VIIRS/DNB的微光探測能力

隨著夜晚時分可見光波段檢測需求的日益增大，尋求一個可靠的夜間時分測量方法變得十分重要。美國國防氣象衛星計劃（DMSP）線性掃描業務系統（OLS）是最早被用來進行夜間觀測應用的，但由于OLS傳感器缺乏星上定標，所以其數據只能用于定性研究，而不能用于定量觀測。不同于OLS傳感器，VIIRS傳感器的DNB波段數據采用了和VIIRS其他波段相一致的輻射校正，能夠被用來進行定量研究。表1顯示了VIIRS和OLS儀器特性的區別。

從表1可以看出VIIRS相比OLS主要有以下幾點改進：（1）更小的瞬時視場減少了空間圖像的模糊程度；（2）更多地灰度級較少了像元飽和情況的發生；（3）輻射訂正獲得更高的精度，可用于定量研究；（4）提高空間的分辨率，消除了像素間的跳變。

2 微光數據應用概況

由于VIIRS微光波段首次提供了夜晚可見光波段內觀測的定量測量方法，其應用前景十分廣泛，目前微光波段的主要應用如下。

2.1 特征物的探測

微光波段在特征物的探測上主要是利用月光反射輻射來反演。目前應用主要有低云大霧、冰雪覆蓋、煙塵、火山灰和火山碎屑流、海洋表面粗糙度、沿海水域渾濁度、土壤濕度及熱帶氣旋等。

2.1.1 低云大霧的探測

利用衛星對夜間低云大霧進行監測的主要問題存在于：云和周圍陸地或海面的溫度較為接近。夜間探測云的傳統方法是利用11.0和3.7μm紅外通道亮溫差來檢測低云大霧。但這種方法在某些云頂特征時會失效，利用滿月條件下的微光通道資料可以由反射率的區別來探測出低厚云，但是對于薄卷云，由于其厚度低，反射弱，不易識別。

2.1.2 冰雪覆蓋的監測

所有的可見光傳感器都有探測冰雪覆蓋的能力，但大多數限制于白天探測，紅外和被動微波傳感器也具有探測冰雪的能力，但是其在雪域邊界的探測能力較差，空間分辨率較低。然而由于夜間對冰雪的探測有很強的需求，尤其是高緯度的冰雪圈，例如南極圈的極夜期。因此大多數的先行傳感器都無法滿足需求，月光照射下的微光圖像則具備這一能力。

目前微光通道對冰雪覆蓋的研究主要有：中緯度雪域的探測、海冰邊界及范圍的探測。

2.1.3 煙塵

微光波段由于月光反射輻射，海洋表面和地表的差異很大，在成像中效果更佳。與煙塵相關的氣溶膠產品在夜間資料較少，目前zhang和Johnson已經分別提出了利用城市燈光減弱來反演氣溶膠和有無人造光源地區衛星接受輻射強度對比來反演氣溶膠的方法。

2.1.4 火山灰和火山碎屑流的探測

火山爆發具有強烈的不確定性，其帶來的火山灰和碎屑流對航空飛行器有著巨大的威脅，微光波段與VIIRS熱紅外波段相比，在探測低濃度的火山灰上具有更好的能力。

2.1.5 海洋表面粗糙度的研究

在大多數的可見光衛星圖像中，由于其反射率較低，海洋表面都是非常暗黑的。然而在月亮反輝區中，海洋表面的反射率明顯增大。內孤立波是一種海洋表面粗糙度變化的典型現象，近岸的海浪圖像與孤立波相似，利用微光波段在月亮反輝區下的資料來監測內孤立波可以分析近岸的海浪情況。

2.1.6 沿海水域渾濁度的研究

目前能反演海洋水色的傳感器資料，包括SeaWiFS、MODIS以及VIIRS，都無法提供夜間海洋水色的產品。而微光通道能夠為夜間水域渾濁度的演化提供一些視角。

2.1.7 土壤濕度的探測

土壤濕度的變化對地表反射率影響很大，當發生火災或泥石流等現象后，土壤濕度會發生迅速增大，地表發射率隨之下降，微光通道能在夜間十分及時的監測出土壤濕度的變化，從而給災害預警帶來幫助，與之相比，現行常用的紅外被動微光傳感器空間分辨率較低，會丟失很多信息。

2.1.8 熱帶氣旋的監測

基于月光反射下的微光波段數據在低氣壓流動、云頂結構及風眼內低云漩渦中比熱紅外波段數據的數據細節更好，同時微光成像通過災害前后的城市燈光對比也可評估災害的影響。

2.2 光源的監測

由于微光通道對光源的敏感度較高，在對自發光物體的探測上具有很強的能力。目前應用較廣的主要是對城市燈光的探測、火情的監測、船舶燈光的監測及閃電的監測，其他發展中的應用有極光和夜氣輝的探測及海洋生物發光的探測等。

2.2.1 城市燈光的探測

城市燈光的探測是微光波段數據的重要應用之一，微光波段接受到的城市燈光強度的變化可以識別城市斷電區域、可以評估災害損失、可以分析城市發展速度以及對城市大氣污染狀況進行研究。其主要的探測的原理是利用無月光照射下的微光通道資料，結合VIIRS紅外波段資料進行云去除進行探測。

2.2.2 火情的監測

火情由于其瞬時性、不確定性及發展迅速的特點，很難被及時的發現，急需建立全天的火情監測。在夜晚，由于熱紅外波段對煙塵監測的不敏感性，需要結合微光波段煙塵探測能力，對火源及其產生的煙塵進行全方位監測，可以較好的實現火情的預警。

2.2.3 船舶燈光的監測

夜晚船舶燈光的監測可以確定出船舶主要的活動區域，從而分析出海洋漁業和能源的開發利用情況。微光資料的高精度和夜晚探測能力使得它在船舶燈光監測中占有重要地位。

2.2.4 閃電的監測

閃電的產生直接性會給電子設備造成破壞，間接地預示了天氣系統的變化，其頻度和密度的變化與暴風雨和龍卷風有著密切的聯系，夜間成像的能力賦予了微光波段監測閃電的能力。

2.2.5 極光和夜氣輝的探測

極光是在地球上層大氣中，由構成太陽風的高能帶電粒子碰撞產生的。它的發生會對區域的磁場和電場產生巨大影響，對帶電設備破壞巨大；氣輝與極光不同，氣輝不是弓弧形，可隨時隨地在整個天空中可產生。在夜間出現的叫做夜氣輝。它是由太陽電磁輻射激發地球高層大氣產生。微光波段在無月光照射下具有探測極光的能力。

2.2.6 海洋生物發光的探測

海洋生物發光現象是一種十分罕見的夜間現象，它是由大量的發光細菌群產生的，其首次在西北印度洋和印度尼西亞周圍水域發現，被命名為“乳白色海域”（Milky Seas）；由于其范圍一般大于6，000 km2，因此在微光成像上很容易被探測到，對這一現象的探測，尤其是對其產生區域和移動軌跡的分析，對海洋生物的研究有著重要的作用。

3 結語

該文介紹了美國新一代極軌運行環境衛星系統預備衛星NPP上搭載的VIIRS的微光探測能力，討論了微光數據的應用概況。鑒于微光數據應用的特殊性，未來研究將會越來越深入，同時，對微光數據的研究也將為我國下一代極軌衛星系統的研發帶來益處。

參考文獻

[1] Lee T E，Miller S D，Turk F J， et al.The NPOESS VIIRS Day/Night Visible Sensor[J].Bulletin of the American Meteorological Society，2006， 87（2）.

[2] Murphy R E，Taylor R，DeVito D S，et al.The NPOESS Preparatory Project：mission concept and status[C]//Geoscience and Remote Sensing Symposium， Igarss 01， IEEE International. IEEE，2001：543-545.

[3] Goldberg M D，Kilcoyne H，Cikanek H，et al.Joint Polar Satellite System：The United States next generation civilian polar-orbiting environmental satellite system[J]. Journal of Geophysical Research：atmospheres， 2013，118：13，463-13，475. DOI：10.1002/2013JD020389.

[4] Hillger D，Kopp T，Lee T，et al. First-Light Imagery from Suomi NPP VIIRS[J].Bulletin of the American Meteorological Society， 2013（7）：1019-1029.