VIIRS白天/夜晚波段数据应用概况

方荀

摘 要：自从环境卫星平台出现以来，在可见光波段，利用日间反射光的测量方法已经成为地球观测辐射仪器的主要方法。在夜晚，这些相同的光学波段的传感器长期被限制在热红外波段，而这些热红外波段，相对于许多的重要天气和气候要素，涵盖的性息太少。自从环境卫星平台出现以来，在可见光波段，利用日间反射光的测量方法已经成为地球观测辐射仪器的主要方法。在夜晚，这些相同的光学波段的传感器长期被限制在热红外波段，而这些热红外波段，相对于许多的重要天气和气候要素，涵盖的性息太少。美国新一代极轨运行环境卫星系统预备卫星NPP上的可见光红外成像辐射仪套件（visible infrared imager radiometer suite，VIIRS）继承发展了美国国防气象卫星（DMSP）的OLS传感器的微光探测能力，提供了夜晚时分可见光和近红外的观测手段，该文简要介绍了VIIRS的白天/夜晚波段（day and night，DNB）数据的微光探测能力和应用概况。

关键词：NPP OLS VIIRS 微光探测 DNB

中图分类号：P73 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）04（c）-0042-02

美国新一代极轨运行环境卫星系统预备卫星计划（National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System Preparatory Project，NPP）是极轨运行环境卫星系统（NPOESS）的预备项目。在美国综合计划办公室（IPO）负责下，联合了国防部（DOD）、商务部（DOC）和国家航空航天局（NASA）多家部门[1]，旨在拓宽Terra和Aqua卫星探测能力，降低NPOESS的发射风险[2]。然而由于严重的成本超支和研发拖期，2010年2月，NPOESS项目被重组[3]，NOAA和NASA共同组建的联合极地卫星系统（JPSS）接手了NPP的大部分工作，并以美国气象卫星之父的名字Suomi来命名。Suomi NPP的第一颗卫星于2011年10月从范登堡空军基地由Delta-II火箭发射升空[4]。卫星上共搭载了五种载荷，其中可见光红外辐射仪（VIIRS）作为最重要的载荷，汲取了当代业务和科研观测系统中最好的技术，尤其是继承发展了美国国防气象卫星计划（DMSP）线性扫描业务系统（OLS）的微光探测能力。

1 VIIRS/DNB的微光探测能力

随着夜晚时分可见光波段检测需求的日益增大，寻求一个可靠的夜间时分测量方法变得十分重要。美国国防气象卫星计划（DMSP）线性扫描业务系统（OLS）是最早被用来进行夜间观测应用的，但由于OLS传感器缺乏星上定标，所以其数据只能用于定性研究，而不能用于定量观测。不同于OLS传感器，VIIRS传感器的DNB波段数据采用了和VIIRS其他波段相一致的辐射校正，能够被用来进行定量研究。表1显示了VIIRS和OLS仪器特性的区别。

从表1可以看出VIIRS相比OLS主要有以下几点改进：（1）更小的瞬时视场减少了空间图像的模糊程度；（2）更多地灰度级较少了像元饱和情况的发生；（3）辐射订正获得更高的精度，可用于定量研究；（4）提高空间的分辨率，消除了像素间的跳变。

2 微光数据应用概况

由于VIIRS微光波段首次提供了夜晚可见光波段内观测的定量测量方法，其应用前景十分广泛，目前微光波段的主要应用如下。

2.1 特征物的探测

微光波段在特征物的探测上主要是利用月光反射辐射来反演。目前应用主要有低云大雾、冰雪覆盖、烟尘、火山灰和火山碎屑流、海洋表面粗糙度、沿海水域浑浊度、土壤湿度及热带气旋等。

2.1.1 低云大雾的探测

利用卫星對夜间低云大雾进行监测的主要问题存在于：云和周围陆地或海面的温度较为接近。夜间探测云的传统方法是利用11.0和3.7μm红外通道亮温差来检测低云大雾。但这种方法在某些云顶特征时会失效，利用满月条件下的微光通道资料可以由反射率的区别来探测出低厚云，但是对于薄卷云，由于其厚度低，反射弱，不易识别。

2.1.2 冰雪覆盖的监测

所有的可见光传感器都有探测冰雪覆盖的能力，但大多数限制于白天探测，红外和被动微波传感器也具有探测冰雪的能力，但是其在雪域边界的探测能力较差，空间分辨率较低。然而由于夜间对冰雪的探测有很强的需求，尤其是高纬度的冰雪圈，例如南极圈的极夜期。因此大多数的先行传感器都无法满足需求，月光照射下的微光图像则具备这一能力。

目前微光通道对冰雪覆盖的研究主要有：中纬度雪域的探测、海冰边界及范围的探测。

2.1.3 烟尘

微光波段由于月光反射辐射，海洋表面和地表的差异很大，在成像中效果更佳。与烟尘相关的气溶胶产品在夜间资料较少，目前zhang和Johnson已经分别提出了利用城市灯光减弱来反演气溶胶和有无人造光源地区卫星接受辐射强度对比来反演气溶胶的方法。

2.1.4 火山灰和火山碎屑流的探测

火山爆发具有强烈的不确定性，其带来的火山灰和碎屑流对航空飞行器有着巨大的威胁，微光波段与VIIRS热红外波段相比，在探测低浓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

在大多数的可见光卫星图像中，由于其反射率较低，海洋表面都是非常暗黑的。然而在月亮反辉区中，海洋表面的反射率明显增大。内孤立波是一种海洋表面粗糙度变化的典型现象，近岸的海浪图像与孤立波相似，利用微光波段在月亮反辉区下的资料来监测内孤立波可以分析近岸的海浪情况。

2.1.6 沿海水域浑浊度的研究

目前能反演海洋水色的传感器资料，包括SeaWiFS、MODIS以及VIIRS，都无法提供夜间海洋水色的产品。而微光通道能够为夜间水域浑浊度的演化提供一些视角。

2.1.7 土壤濕度的探测

土壤湿度的变化对地表反射率影响很大，当发生火灾或泥石流等现象后，土壤湿度会发生迅速增大，地表发射率随之下降，微光通道能在夜间十分及时的监测出土壤湿度的变化，从而给灾害预警带来帮助，与之相比，现行常用的红外被动微光传感器空间分辨率较低，会丢失很多信息。

2.1.8 热带气旋的监测

基于月光反射下的微光波段数据在低气压流动、云顶结构及风眼内低云漩涡中比热红外波段数据的数据细节更好，同时微光成像通过灾害前后的城市灯光对比也可评估灾害的影响。

2.2 光源的监测

由于微光通道对光源的敏感度较高，在对自发光物体的探测上具有很强的能力。目前应用较广的主要是对城市灯光的探测、火情的监测、船舶灯光的监测及闪电的监测，其他发展中的应用有极光和夜气辉的探测及海洋生物发光的探测等。

2.2.1 城市灯光的探测

城市灯光的探测是微光波段数据的重要应用之一，微光波段接受到的城市灯光强度的变化可以识别城市断电区域、可以评估灾害损失、可以分析城市发展速度以及对城市大气污染状况进行研究。其主要的探测的原理是利用无月光照射下的微光通道资料，结合VIIRS红外波段资料进行云去除进行探测。

2.2.2 火情的监测

火情由于其瞬时性、不确定性及发展迅速的特点，很难被及时的发现，急需建立全天的火情监测。在夜晚，由于热红外波段对烟尘监测的不敏感性，需要结合微光波段烟尘探测能力，对火源及其产生的烟尘进行全方位监测，可以较好的实现火情的预警。

2.2.3 船舶灯光的监测

夜晚船舶灯光的监测可以确定出船舶主要的活动区域，从而分析出海洋渔业和能源的开发利用情况。微光资料的高精度和夜晚探测能力使得它在船舶灯光监测中占有重要地位。

2.2.4 闪电的监测

闪电的产生直接性会给电子设备造成破坏，间接地预示了天气系统的变化，其频度和密度的变化与暴风雨和龙卷风有着密切的联系，夜间成像的能力赋予了微光波段监测闪电的能力。

2.2.5 极光和夜气辉的探测

极光是在地球上层大气中，由构成太阳风的高能带电粒子碰撞产生的。它的发生会对区域的磁场和电场产生巨大影响，对带电设备破坏巨大；气辉与极光不同，气辉不是弓弧形，可随时随地在整个天空中可产生。在夜间出现的叫做夜气辉。它是由太阳电磁辐射激发地球高层大气产生。微光波段在无月光照射下具有探测极光的能力。

2.2.6 海洋生物发光的探测

海洋生物发光现象是一种十分罕见的夜间现象，它是由大量的发光细菌群产生的，其首次在西北印度洋和印度尼西亚周围水域发现，被命名为“乳白色海域”（Milky Seas）；由于其范围一般大于6，000 km2，因此在微光成像上很容易被探测到，对这一现象的探测，尤其是对其产生区域和移动轨迹的分析，对海洋生物的研究有着重要的作用。

3 结语

该文介绍了美国新一代极轨运行环境卫星系统预备卫星NPP上搭载的VIIRS的微光探测能力，讨论了微光数据的应用概况。鉴于微光数据应用的特殊性，未来研究将会越来越深入，同时，对微光数据的研究也将为我国下一代极轨卫星系统的研发带来益处。

参考文献

[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.