GB/T 42190-2022 卫星遥感监测技术导则 霾

　　ICS 07 . 060 CCS A 47

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 42190—2022

　　卫星遥感监测技术导则 霾

　　Techn,cal gu,del,nes for satell,te mon,tor,ng—Haze

　　2022-12-30 发布 2023-04-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 42190—2022

　　目 次

　　前言 Ⅲ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 监测数据 1

　　5 霾区判识 2

　　6 霾强度等级判识 4

　　附录 A (资料性) 霾监测常用卫星传感器的光谱通道参数 5

　　附录 B (规范性) 空气分子瑞利散射贡献计算方法 7

　　附录 C (规范性) 色彩空间转换方法 10

　　附录 D (规范性) 等经纬投影像元面积计算公式 11

　　附录 E (规范性) 卫星近地面气溶胶消光系数计算方法 12

　　参考文献 13

　　I

　　GB/T 42190—2022

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由中国气象局提出 。

　　本文件由全国卫星气象与空间天气标准化技术委员会(SAC/TC347)归口 。

　　本文件起草单位:国家卫星气象中心 、生态环境部卫星环境应用中心 、中国科学院空天信息创新研究院 、国家气象中心 。

　　本文件主要起草人:高玲 、张兴赢 、吴荣华 、司一丹 、厉青 、李正强 、王中挺 、陈良富 、张碧辉 、田林 、张倩倩 、刘旭艳 、陈林 。

　　Ⅲ

　　GB/T 42190—2022

　　卫星遥感监测技术导则 霾

　　1 范围

　　本文件规定了卫星遥感霾监测数据的要求 , 描述了霾区判识及霾强度等级判识的技术方法 。

　　本文件适用于利用卫星遥感技术开展晴空条件下霾的监测及其评估 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款 。其中 , 注 日期的引用文件 , 仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件 , 其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。

　　GB/T 36299 光学遥感辐射传输基本术语

　　GB/T 36542 霾的观测识别

　　3 术语和定义

　　GB/T 36542 和 GB/T 36299 界定的术语和定义适用于本文件 。

　　3.1

　　消光系数 extinction coefficient

　　表征介质使电磁波衰减程度的物理量 。

　　注 : 等于电磁波在介质中传播单位距离时 , 其强度由于吸收和散射作用而衰减的相对值 , 常用单位为负一次方米(m—1 ) 、负一次方千米(km—1 ) 。

　　[来源: GB/T 37467—2019 , 3 . 1 . 7 . 6 , 有修改] 3.2

　　气溶胶消光系数 aerosol extinction coefficient

　　表征单位距离大气气溶胶造成辐射能量衰减程度的物理量 。

　　注 : 数值上等于气溶胶散射系数和吸收系数之和 , 常用单位为负一次方米(m—1 ) 、负一次方千米(km—1 ) 。

　　[来源: GB/T 31159—2014 , 4 . 10 , 有修改] 3.3

　　大气气溶胶光学厚度 atmospheric aerosol optical depth

　　从地面到大气上界垂直路径中气溶胶消光系数(3 . 2)的总和 。

　　注 : 量纲为 1 。

　　[来源: GB/T 31159—2014 , 4 . 12 , 有修改] 3.4

　　表观反射率 apparent reflectance

　　大气层顶上行短波辐射通量与太阳入射辐射通量的比值 。

　　4 监测数据

　　4 . 1 数据分类

　　霾监测数据分为卫星数据和气象数据 , 应选取下列一种或几种数据 。

　　1

　　GB/T 42190—2022

　　a) 卫星数据:

　　1) 光谱通道的表观反射率和亮温(霾监测常用卫星传感器的光谱通道参数见附录 A) ;

　　2) 像元经纬度 、太阳入射角度 、卫星观测角度等地理信息 ;

　　3) 大气气溶胶光学厚度 。

　　b) 气象数据:近地面水平能见度或近地面气溶胶消光系数等 。

　　4 . 2 数据选用

　　霾监测选用的卫星数据和气象数据符合下列要求:

　　a) 卫星数据应经过定位 、定标预处理 ;

　　b) 卫星观测时的太阳天顶角不超过 72。;

　　c) 表观反射率应订正太阳天顶角的影响 ;

　　d) 气象数据与卫星数据的观测时间差不大于 3 h 。

　　5 霾区判识

　　5 . 1 卫星遥感监测霾区

　　真彩色图像是指利用红 、绿 、蓝三波段的光谱数据合成的彩色图像 , 合成图像的色彩与实际景物色彩一致或近似一致 。在卫星监测的真彩色图像上 , 没有云 、雾遮挡条时 , 均匀分布的色调为灰色/灰白色 、造成地表特征模糊或不可见的区域为卫星遥感监测的霾区 。

　　5 . 2 多通道判识

　　5 . 2 . 1 在卫星传感器具备所需判识通道时 , 应使用多通道的反射率和亮温数据判识霾区 。应先排除云和冰雪像元 , 后判识霾像元 。霾区按表 1 的阈值判断 。

　　表 1 霾监测多通道判识参数阈值表

　　判识对象

　　判识参数

　　参数释义

　　阈值

　　云判识

　　A0 . 47

　　中心波长在 0 . 47 μm 附近卫星通道表观反射率阈值

　　0.4

　　Amstd , 0 . 47

　　中心波长为 0 . 47 μm 附近卫星通道表观反射率在 3 × 3 邻域内加权平均标准差的阈值

　　0 . 002 5

　　Astd , 0 . 47

　　中心波长为 0 . 47 μm 附近卫星通道表观反射率在 3 × 3 邻域内的标准差的阈值

　　0 . 007 5

　　A1 . 38

　　中心波长在 1 . 38 μm 附近卫星通道表观反射率阈值

　　0 . 03

　　Astd , 1 . 38

　　中心波长为 1 . 38 μm 附近卫星通道表观反射率在 3 × 3 邻域内的标准差的阈值

　　0 . 025

　　冰雪判识

　　BNDSI

　　冰雪指数阈值

　　0 . 05

　　B11

　　中心波长在 11 μm 附近卫星通道亮温的阈值

　　285

　　霾判识

　　C0 . 47

　　中心波长在 0 . 47 μm 附近的卫星通道去除空气分子瑞利散射贡献后表观反射率的阈值

　　0.1

　　Cratio

　　中心波长在 0 . 47 μm 附近的卫星通道去除空气分子瑞利散射贡献后表观反射率与中心波长在 2 . 1 μm 附近卫星通道表观反射率比值对应的阈值

　　0.4

　　注 : 多通道判识参数阈值随卫星通道特性和监测区域的地表特性 、季节变化等因素有所不同 。

　　2

　　GB/T 42190—2022

　　5 . 2 . 2 满足公式(1)的像元被判识为云,满足公式(2)的像元被判识为冰雪 。

　　或 Rstd Rstd,0 . 47 > Astd,0 . 47 … … … … … …

　　式中 :

　　R0 . 47 — 中心波长在 0 . 47 μm 附近卫星通道表观反射率 ;

　　A0 . 47 — 中心波长在 0 . 47 μm 附近卫星通道表观反射率阈值 ;

　　Rstd,0 . 47 — 中心波长为 0 . 47 μm 附近卫星通道表观反射率在 3 × 3 邻域内的标准差 ;

　　R0 . 47 — 中心波长为 0 . 47 μm 附近卫星通道表观反射率在 3 × 3 邻域内的均值 ;

　　n — 中心波长为 0 . 47 μm 附近卫星通道表观反射率在 3 × 3 邻域内的有效像元个数 ;

　　Amstd,0 . 47 — 中心波长为 0 . 47 μm 附近卫星通道表观反射率在 3×3 邻域内加权平均标准差的阈值 ;

　　Astd,0 . 47 — 中心波长为 0 . 47 μm 附近卫星通道表观反射率在 3 × 3 邻域内的标准差的阈值 ;

　　R1 . 38 — 中心波长在 1 . 38 μm 附近卫星通道表观反射率 ;

　　A1 . 38 — 中心波长在 1 . 38 μm 附近卫星通道表观反射率阈值 ;

　　Rstd, 1 . 38 — 中心波长为 1 . 38 μm 附近卫星通道表观反射率在 3 × 3 邻域内的标准差 ;

　　Astd, 1 . 38 — 中心波长为 1 . 38 μm 附近卫星通道表观反射率在 3 × 3 邻域内的标准差的阈值 。

　　BNDSI …………………………( 2 )

　　式中 :

　　R0 . 87 — 中心波长在 0 . 87 μm 附近卫星通道表观反射率 ;

　　R1 . 64 — 中心波长在 1 . 64 μm 附近卫星通道表观反射率 ;

　　BNDSI — 冰雪指数阈值 ;

　　T11 — 中心波长在 11 μm 附近卫星通道亮温 ;

　　B11 — 中心波长在 11 μm 附近卫星通道亮温的阈值 。

　　5 . 2 . 3 排除云和冰雪像元 、同时满足公式(3)和公式(4)的晴空像元被判识为霾,其中,空气分子瑞利散射贡献应按附录 B计算 。

　　R0* 47 > C0 . 47 …………………………( 3 )

　　式中 :

　　R0* 47 — 中心波长在 0 . 47 μm 附近的卫星通道去除空气分子瑞利散射贡献后表观反射率 ;

　　C0 . 47 — 中心波长在 0 . 47 μm 附近的卫星通道去除空气分子瑞利散射贡献后表观反射率的阈值 。

　　Cratio ……………………( 4 )

　　式中 :

　　R0* 47 — 中心波长在 0 . 47 μm 附近的卫星通道去除空气分子瑞利散射贡献后表观反射率 ;

　　R2 . 1 — 中心波长在 2 . 1 μm 附近卫星通道表观反射率 ;

　　Cratio —R0* 47 和 R2 . 1 比值对应的阈值 。

　　5 . 3 图像判识

　　在卫星传感器不具备多通道判识所需通道时,应按下列要求进行霾区判识 :

　　a) 真彩色图像经大气订正后按附录 C 的方法将红 、绿 、蓝的色彩空间(RGB)转换为色调-饱和度-亮度(HSV)空间 ;

　　3

　　GB/T 42190—2022

　　b) 图像饱和度满足公式(5)的像元被判识为霾 , 阈值因卫星传感器光谱通道和观测区域的差异有

　　所不同 。

　　Smin ≤ S ≤ Smax ( 5 )

　　式中:

　　Smin — 低端阈值 , 取 0 . 035 ;

　　S — 图像饱和度 ;

　　Smax— 高端阈值 , 取 0 . 25 。

　　5 . 4 霾区面积计算

　　霾区面积为霾像元的覆盖面积总和 , 按公式(6)计算 , 其中 , 等经纬度投影时单个霾像元面积按附录 D计算 。

　　M = n × Mi , j …………………………( 6 )

　　式中:

　　M — 霾区面积 , 单位为平方千米(km2 ) ;

　　n — 霾区的像元总数 ;

　　Mi , j — 单个霾像元面积 , 单位为平方千米(km2 ) 。

　　6 霾强度等级判识

　　6 . 1 强度等级

　　按卫星反演的 0 . 55 μm波长的大气气溶胶光学厚度(τ0 . 55 )及近地面气溶胶消光系数(βex, aer , 0 . 55 ) , 将霾强度划分为轻微 、轻度 、中度 、重度四级 。

　　6 . 2 阈值范围

　　霾强度等级的判识参数按表 2 的阈值范围划分霾强度等级 , 其中 , 卫星近地面气溶胶消光系数应按附录 E 的规定计算 。

　　表 2 霾强度等级

　　等级

　　判识参数 I

　　判识参数 Ⅱ

　　0 . 55 μm 大气气溶胶光学厚度(τ0 . 55 )

　　0 . 55 μm近地面气溶胶消光系数(βex, aer , 0 . 55 )/km— 1

　　轻微

　　0 . 4<τ0 . 55

　　0 . 4≤βex, aer , 0 . 55 <0 . 8

　　轻度

　　0 . 8≤βex, aer , 0 . 55 <1 . 1

　　中度

　　1 . 1≤βex, aer , 0 . 55 <1 . 6

　　重度

　　0 . 8<τ0 . 55

　　β ex, aer , 0 . 55 ≥1 . 6

　　判识参数 I 和判识参数 Ⅱ应同时满足

　　4

　　GB/T 42190—2022

　　附 录 A

　　(资料性)

　　霾监测常用卫星传感器的光谱通道参数

　　表 A. 1 给出了霾监测常用卫星传感器的光谱通道参数 。

　　表 A. 1 霾监测常用卫星传感器的光谱通道参数

　　卫星/仪器

　　通道

　　中心波长μm

　　光谱带宽nm

　　波段

　　星下点空间分辨率

　　m

　　风云三号 A 星

　　风云三号 B 星

　　风云三号 C 星

　　风云三号 D 星

　　FY-3A、3B/MERSI- I

　　FY-3C、3D/MERSI-Ⅱ

　　1

　　0 . 470

　　50

　　可见光 , 蓝(visible , blue)

　　250

　　2

　　0 . 550

　　50

　　可见光 , 绿(visible , green)

　　250

　　3

　　0 . 650

　　50

　　可见光 , 红(visible , red)

　　250

　　4

　　0 . 865

　　50

　　近红外(near infrared)

　　250

　　5

　　1 . 030

　　20

　　短波红外(short-wave infrared)

　　1 000

　　7

　　2 . 130

　　50

　　短波红外(short-wave infrared)

　　1 000

　　EOS-TERRA/MODIS EOS-AQUA/MODIS

　　1

　　0 . 645

　　50

　　可见光 , 红(visible , red)

　　250

　　2

　　0 . 858

　　35

　　近红外(near infrared)

　　250

　　3

　　0 . 469

　　20

　　可见光 , 蓝(visible , blue)

　　500

　　4

　　0 . 555

　　20

　　可见光 , 绿(visible , green)

　　500

　　5

　　1 . 240

　　20

　　短波红外(short-wave infrared)

　　500

　　7

　　2 . 130

　　50

　　短波红外(short-wave infrared)

　　500

　　Suomi-NPP/VIIRS JPSS/VIIRS

　　M3

　　0 . 488

　　20

　　可见光 , 蓝(visible , blue)

　　750

　　M4

　　0 . 555

　　20

　　可见光 , 绿(visible , green)

　　750

　　M5

　　0 . 672

　　20

　　可见光 , 红 (visible , red)

　　750

　　M7

　　0 . 865

　　39

　　近红外(near infrared)

　　750

　　M8

　　1 . 240

　　20

　　短波红外(short-wave infrared)

　　750

　　M11

　　2 . 250

　　50

　　短波红外(short-wave infrared)

　　750

　　风云四号 A 星FY-4A/AGRI

　　1

　　0 . 470

　　40

　　可见光 , 蓝(visible , blue)

　　1 000

　　2

　　0 . 650

　　200

　　可见光 , 红(visible , red)

　　500

　　3

　　0 . 825

　　150

　　近红外(near infrared)

　　1 000

　　6

　　2 . 250

　　250

　　短波红外(short-wave infrared)

　　2 000

　　葵花-8 号 、9 号卫星Himawari8 、9/AHI

　　1

　　0 . 455

　　50

　　可见光 , 蓝(visible , blue)

　　1 000

　　2

　　0 . 510

　　20

　　可见光 , 绿(visible , green)

　　1 000

　　3

　　0 . 645

　　30

　　可见光 , 红(visible , red)

　　500

　　4

　　0 . 860

　　20

　　近红外(near infrared)

　　1 000

　　6

　　2 . 260

　　20

　　短波红外(short-wave infrared)

　　2 000

　　5

　　GB/T 42190—2022

　　表 A. 1 霾监测常用卫星传感器的光谱通道参数 (续)