ICS

CCS

CSF

團體標準

T/CSFXXX-XXXX

高分遙感產(chǎn)品生產(chǎn)大氣水汽含量

Generationofthehigh-resolutionsatelliteremote-sensingproducts-

AtmosphericWaterVaporAmount

××××-××-××發(fā)布××××-××-××實施

中國林學會發(fā)布

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前言

本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。

本文件由中國林學會協(xié)會提出并歸口。

本文件起草單位：中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院、南通大學、國家衛(wèi)星氣象中心、河南大學、福建

師范大學、中國林業(yè)科學研究院資源信息研究所、中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院、西南大學、杭州

師范大學、中國科學院地理科學與資源研究所。

本文件主要起草人：陶金花、王紅梅、王雅鵬、張欣欣、范萌、張瑩、余超、蔡坤、汪洋、李增元、

聞建光、游冬琴、高志海、田昕、王維真、晉銳、于文憑、馬明國、湯旭光、廖小罕、陳鵬飛。

本文件為首次發(fā)布。

Ⅱ

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高分遙感產(chǎn)品生產(chǎn)大氣水汽含量

1范圍

本文件規(guī)定了高分辨率衛(wèi)星遙感生產(chǎn)大氣水汽含量產(chǎn)品分類、命名規(guī)則、產(chǎn)品構成、技術要求和產(chǎn)

品檢查。

本文件適用于高分辨率衛(wèi)星遙感大氣水汽含量產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用，利用其它數(shù)據(jù)源生產(chǎn)的大氣水汽

含量也可參照該文件。

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/T14950-2009攝影測量與遙感術語

GB∕T36296-2018遙感產(chǎn)品真實性檢驗導則

GB/T35652—2017瓦片地圖服務

GB/T37151—2018基于地形圖標準分幅的遙感影像產(chǎn)品規(guī)范GB/T39608—2020基礎地理信息數(shù)

字成果元數(shù)據(jù)

3術語和定義

下列術語和定義適用于本文件。

大氣水汽含量watervaporamount

大氣水汽含量定義為單位面積從地面到高空空氣柱中所含的大氣水汽全部凝結降至地面的降水量。

單位為：g/cm2。

輻射亮度radiance

輻射源在給定方向上的輻射亮度，是在該方向上的投影面積上、單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射功率。

大氣透過率atmospherictransmissivity

大氣透過率指的是大氣衰減后的電磁輻射通量與入射時電磁輻射通量的比值。

亮度溫度brightnesstemperature

當一個物體的輻射亮度與某一黑體的輻射亮度相等時，該黑體的物理溫度就被稱之為該物體的“亮

度溫度”，簡稱‘亮溫’。

比輻射率emissivity

比輻射率，是指物體的輻射能力與相同溫度下黑體的輻射能力之比，一般在[0,1]范圍，用來描述熱

1

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紅外圖像特征。比輻射率也包括大氣表觀比輻射率和地表比輻射率。

大氣校正atmosphericcorrection

消除或減弱遙感影像在獲取時因大氣傳輸中的吸收或散射作用引起的輻射畸變。

【來源：GBT14950-2009，定義5.191】

投影轉(zhuǎn)換projectiontransformation

將一種地圖投影點的坐標變換為另一種地圖投影點的坐標的過程。

幾何校正geometriccorrection

消除或減弱衛(wèi)星遙感影像在獲取時，在大氣傳輸中因吸收或散射作用引起的輻射疾病。

【來源：GBT14950-2009，定義5.190】

輻射定標

將衛(wèi)星傳感器中記錄的不具有任何實際物理意義的電壓值和數(shù)字值經(jīng)過計算轉(zhuǎn)化為輻射亮度、地表

反射率和地表溫度等物理量的對應值的過程。

大氣輻射傳輸模型atmosphericradiativetransfermodel

大氣輻射傳輸模型模擬了電磁波傳輸路徑上，大氣分子電磁輻射的影響。

大氣窗口atmosphericwindow

地球大氣，對電磁波傳輸不產(chǎn)生強烈的吸收和散射衰減作用的透過率較高的一些特定的電磁波段。

【來源：GBT14950-2009，定義4.110】

太陽天頂角solarzenith

天頂角指光線入射方向和天頂方向的夾角。

太陽方位角solarazimuth

地面上任意觀測點和太陽連線的地面投影線與該點地理經(jīng)線之間的夾角。

觀測天頂角sensorzenith

天頂線與所在地和衛(wèi)星連線之間的夾角

4.縮略語

NIR近紅外nearInfrared

TIR……熱紅外thermalinfrared

BT…….亮度溫度brightnesstemperature

FOV……視場角Fieldofview

5.產(chǎn)品分類

5.1類別劃分

水汽含量產(chǎn)品分為兩類：單日水汽產(chǎn)品和月均水汽含量產(chǎn)品。

2

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5.2單日水汽含量產(chǎn)品

利用單日內(nèi)的高分遙感數(shù)據(jù)生產(chǎn)得到大氣水汽含量產(chǎn)品。大氣水汽含量產(chǎn)品反演方法參見但不限于

附錄A。

5.3月均水汽含量產(chǎn)品

利用單日內(nèi)的高分遙感數(shù)據(jù)生產(chǎn)得到大氣水汽含量產(chǎn)品，對某個月份，按照一定的規(guī)則進行求取均

值得到的大氣水汽含量產(chǎn)品。

6.產(chǎn)品生產(chǎn)流程

6.1近紅外大氣水汽產(chǎn)品生產(chǎn)流程

6.1.1輸入數(shù)據(jù)準備

6.1.1.1數(shù)據(jù)源要求

本文件選擇近紅外水汽吸收波段數(shù)據(jù)（例如：905nm、936nm、940nm大氣水汽吸收通道）大氣窗

口數(shù)據(jù)（例如：865nm、1240nm大氣窗口）。

6.1.1.2輔助數(shù)據(jù)準備

觀測幾何數(shù)據(jù)

太陽天頂角、觀測天頂角、相對方位角

云產(chǎn)品

云掩碼產(chǎn)品，用于判斷像元是否受到云干擾

其他數(shù)據(jù)

臭氧濃度數(shù)據(jù)，用于吸收氣體訂正

平流層氣溶膠數(shù)據(jù)，用于平流層氣溶膠訂正

典型地物反射波譜數(shù)據(jù)，用于糾正表面反射光譜的波段差異所引起的誤差

土地生態(tài)分類數(shù)據(jù)，對于確定地表類型，選擇對應的反射波譜

6.1.1.3獲取反演所需的反射率數(shù)據(jù)

讀取反演大氣水汽含量產(chǎn)品需要地表反射率產(chǎn)品，根據(jù)反射率產(chǎn)品，得到像元對應的地表類型屬

于陸地還是水體。

6.1.2云檢測

近紅外算法只能在白天應用，可以獲取全球晴空條件下的陸地，以及陸地和海洋上空云層以

上的大氣水汽含量。而對于晴空海洋區(qū)域，水汽總量計算只能在太陽耀斑區(qū)進行。因此首先要進

行云檢測，選取晴空數(shù)據(jù)反演水汽。

6.1.3數(shù)據(jù)綜合處理

包括對接收到的近紅外波段數(shù)據(jù)，進行幾何糾正、投影轉(zhuǎn)換和輻射校正。幾何校正主要是根據(jù)

3

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坐標值把像元校正到相對應的位置，使得影像中的每個像元都有一個坐標與之對應；投影轉(zhuǎn)換將遙

感影像進行重投影，將其重投影為WGS84坐標下的UTM投影。輻射校正根據(jù)傳感器記錄的數(shù)字

量化值（DN值）進行校正，其中輻射波段的輻射亮度計算公式如下：

LaDNb…(2)

其中，L為輻射亮度，a、b為輻射定標系數(shù)。

6.1.4查找表信息

根據(jù)大氣輻射傳輸模型來模擬大氣透過率（波段比值）與大氣水汽含量之間的關系，獲取二

通道比值法和三通道比值法各個水汽通道在不同衛(wèi)星視角下的α、β取值，便于由波段反射率比

值迅速得到大氣水汽含量的反演值。

6.1.5大氣水汽含量產(chǎn)品反演

根據(jù)附錄A.1給出的公式A.9和A.10，可以估算像元的大氣水汽含量。估算大氣水汽含量的算

法可以利用附錄A.1給的方法，但不限于該方法。

6.1.6大氣水汽含量產(chǎn)品輸出

大氣水汽含量產(chǎn)品除記錄大氣水汽含量本身外，還應記錄：

a）地理位置和時間參數(shù)；

b）觀測幾何；

c）質(zhì)量標記。

各文件的命名及有效范圍等信息見附錄B。

4

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圖1近紅外波段反演大氣水分含量流程6.2熱紅外大氣水汽產(chǎn)品生產(chǎn)流程

6.2.1輸入數(shù)據(jù)準備

6.2.1.1數(shù)據(jù)源要求

本文件選擇熱紅外分裂窗波段數(shù)據(jù)，且不應做輻射增強處理。

6.2.1.2輔助數(shù)據(jù)準備

大氣廓線庫

大氣廓線數(shù)據(jù)代表全球大氣數(shù)據(jù)，代表從地表到大氣層頂?shù)臍鈮骸囟取⑺约俺粞鹾?/p>

量參數(shù)的垂直分布特征。例如：TIGR大氣廓線集。

觀測幾何數(shù)據(jù)

太陽天頂角、觀測天頂角、相對方位角

云產(chǎn)品

云掩碼產(chǎn)品，用于判斷像元是否受到云干擾

其他數(shù)據(jù)

地表水體標記，用于判斷像元的下墊面是陸地還是水體

地表高程、地表溫度等

6.2.2輻射校正

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高分辨率衛(wèi)星傳感器記錄的是數(shù)字量化值（DN值），應轉(zhuǎn)化為輻射亮度進行計算。其中輻射

波段的輻射亮度計算公式如下：

LaDNb…(2)

其中，L為輻射亮度，a、b為輻射定標系數(shù)。

6.2.3大氣水汽含量與大氣透過率回歸分析

結合高分辨率衛(wèi)星傳感器熱紅外反演通道（例如：高分五號全譜段光譜成像儀波段11和波段

12）的光譜響應函數(shù)，在大氣輻射傳輸模型中輸入大氣廓線集，模擬計算廓線庫中不同大氣水汽

含量條件下熱紅外反演通道大氣透過率比值。根據(jù)計算的模擬結果，建立大氣透過率與大氣水汽

含量的回歸關系。

6.2.4去云與像元質(zhì)量標記

有云存在條件下，熱紅外反演通道與無云條件下形成明顯的亮溫異常，從而影像大氣水汽含

量的反演。需要結合對應載荷的云產(chǎn)品進行去云處理，對受云影響的像元進行標記，具體根據(jù)掩

膜文件判斷并標記出水、云、冰雪等像元，供大氣水汽反演時進行像元選擇與質(zhì)量評價，并在質(zhì)

量標記文件中標記。見附錄B。

6.2.5大氣水汽含量與亮溫差方程

對無云條件下的熱紅外反演通道的像元，根據(jù)熱紅外反演通道的亮溫差異計算分裂窗波段的

透過率比值。

6.2.6大氣水汽含量質(zhì)量評價

根據(jù)質(zhì)量標記信息及得到的大氣水汽含量的有效范圍，對結果的有效性及數(shù)據(jù)質(zhì)量進行標記，

對無效數(shù)據(jù)進行填充。見附錄B。

6.2.7大氣水汽含量產(chǎn)品輸出

大氣水汽含量產(chǎn)品除記錄大氣水汽含量本身外，還應記錄：

a）地理位置和時間參數(shù)；

b）觀測幾何；

c）質(zhì)量標記。

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圖2熱紅外波段反演大氣水分含量流程

7命名規(guī)則

7.1名稱組成

大氣水汽含量產(chǎn)品的命名應包括產(chǎn)品名稱和擴展名兩部分。產(chǎn)品名稱應包含但不限于以下要素，且

各要素排列順序可變。命名總體表現(xiàn)形式如下：

衛(wèi)星名_載荷標識_產(chǎn)品級別_產(chǎn)品版本_地理覆蓋范圍_產(chǎn)品標識時間_產(chǎn)品編碼_產(chǎn)品生產(chǎn)波段_產(chǎn)

品名.擴展名

示例：GF5_VIMS_L2_V1.0_E116.7_N40.1_20170314_000000_NIR_WV.he5

7.2名稱要求

產(chǎn)品名稱各要素要求如下：

a)衛(wèi)星和傳感器標識：產(chǎn)品主體數(shù)據(jù)的衛(wèi)星和傳感器標識，參見GB/T37151—2018中附錄B；

b)產(chǎn)品級別：對于單日大氣水汽含量產(chǎn)品，產(chǎn)品級別為L2；對于月均大氣水汽含量產(chǎn)品，產(chǎn)品級別為L3；

c)產(chǎn)品版本：產(chǎn)品生產(chǎn)的版本代碼；

d)地理覆蓋范圍：對于分瓦片組織的產(chǎn)品執(zhí)行GB/T35652-2017中第5.1節(jié)規(guī)定記錄行列號；對于

分幅組織的產(chǎn)品執(zhí)行GB/T37151—2018中第6.2節(jié)規(guī)定記錄分幅編號；對于未分塊組織的產(chǎn)品

根據(jù)實際情況記錄全球或區(qū)域標識；

e)產(chǎn)品標識時間：記錄大氣水汽含量產(chǎn)品代表的日期

f)產(chǎn)品編碼：對生產(chǎn)的產(chǎn)品進行編碼；

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g)產(chǎn)品使用波段：大氣水汽含量產(chǎn)品生產(chǎn)所用的波段，可以是近紅外（NIR），熱紅外（TIR），

微波（MW）或者波段組合；

h)產(chǎn)品名稱：WaterVapor(WV)。

產(chǎn)品的擴展名由產(chǎn)品文件格式?jīng)Q定，包括但不限于HDF、HDF5、NETCDF、GEOTIFF。

8.產(chǎn)品構成

8.1產(chǎn)品概述

大氣水汽含量產(chǎn)品由三部分構成：大氣水汽含量數(shù)據(jù)集、輔助數(shù)據(jù)集和元數(shù)據(jù)集。

8.2大氣水汽含量數(shù)據(jù)集

用于記錄大氣水汽含量反演的結果。數(shù)據(jù)以柵格形式組織，柵格大小，即遙感影像像元大小，

應在元數(shù)據(jù)集中記錄。數(shù)據(jù)存儲時可乘以縮放轉(zhuǎn)換系數(shù)，以整型記錄。

8.3輔助數(shù)據(jù)集

大氣水汽含量產(chǎn)品輔助數(shù)據(jù)集包括柵格數(shù)據(jù)和文本數(shù)據(jù)兩種。其中，以柵格形式存儲的數(shù)據(jù)可以有

多個，每個數(shù)據(jù)存在的約束條件見表1。數(shù)據(jù)存儲時可乘以縮放轉(zhuǎn)換系數(shù)，以整型記錄。像元大小

在不特別說明的情況下應與大氣水汽含量數(shù)據(jù)集一致，且一一對應。輔助數(shù)據(jù)集的構成見表1但不限

于表1所列項。

表1輔助數(shù)據(jù)集構成

約束/條件

數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)

名稱每日大氣水月均大氣水備注

格式類型

汽含量產(chǎn)品汽含量產(chǎn)品

產(chǎn)品質(zhì)量標記8位

柵格MM

數(shù)據(jù)整型

經(jīng)緯度數(shù)據(jù)集共有兩層，一層記錄逐像元

字符型

C/當無投影C/當無投影經(jīng)度，一層記錄逐像元緯度。當以度分秒形式記

經(jīng)緯度數(shù)據(jù)集柵格或

時必填時必填錄時數(shù)據(jù)類型為字符型，當以度的形

浮點型

式記錄時數(shù)據(jù)類型可為浮點型

8位

快視圖柵格OO像元大小可大于大氣水汽含量數(shù)據(jù)集

整型

算法說明文檔文本字符型OO

用戶手冊文本字符型OO

真實性檢驗

文本字符型OO

報告

注：對于約束條件列描述符的說明如下：

M（必選）——輔助數(shù)據(jù)集應當選用；

C（條件必選）——說明輔助數(shù)據(jù)集是否選用條件，當條件滿足時，該輔助數(shù)據(jù)集必選；

O（可選）——輔助數(shù)據(jù)集可以選用，也可以不選用。

a)產(chǎn)品質(zhì)量標記數(shù)據(jù)：逐像元記錄從輸入遙感影像及其輔助數(shù)據(jù)集中提取的云等信息，并判斷大氣水汽含量產(chǎn)品

8

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估算結果的有效性和合理性，根據(jù)表2進行質(zhì)量標記；

b)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)集：逐像元記錄大氣水汽含量數(shù)據(jù)集經(jīng)緯度信息；

c)快視圖：對大氣水汽含量數(shù)據(jù)集重采樣生成的低分辨率用于預覽產(chǎn)品狀況的圖片；

d)算法說明文檔：詳細記錄大氣水汽含量產(chǎn)品生產(chǎn)算法及流程等信息的文檔；

e)用戶手冊：記錄大氣水汽含量產(chǎn)品構成、使用方法、獲取途徑等信息的文檔；

f)真實性檢驗報告：執(zhí)行GB/TXXXXX—XXXX中第6章的相關規(guī)定，記錄大氣水汽含量產(chǎn)品準確

度和不確定度評價過程和結果的文檔。

表2產(chǎn)品質(zhì)量標記方式

g)

比特位參數(shù)名值描述

00數(shù)據(jù)有效，質(zhì)量好

01數(shù)據(jù)有效，使用時要查云掩膜

0～1氣溶膠光學厚度有效性和合理性

10數(shù)據(jù)有效，估算結果不合理

11無效值

00晴空

可能有云

2～3云掩膜01

10有云

0無積雪

4冰雪掩膜1有積雪

0非水域

5水掩膜1水域

注1：產(chǎn)品質(zhì)量標記數(shù)據(jù)以二進制標記，十進制存儲

注2：“可能有云”指從輸入遙感影像及其輔助數(shù)據(jù)集中無法確定該像元是否受云影響

8.4元數(shù)據(jù)集

應符合GB/T39608—2020中第4章的相關規(guī)定記錄產(chǎn)品標識信息、地理信息、生產(chǎn)信息、質(zhì)量信息、

分發(fā)信息。元數(shù)據(jù)集記錄規(guī)范見附錄B。

9.技術要求

9.1時間信息

應采用公元紀年，時間采用格林威治時間。

9.2地理信息

9.2.1坐標系和投影

應在大氣水汽含量數(shù)據(jù)集或元數(shù)據(jù)集中包含影像坐標系和投影信息。當大氣水汽含量數(shù)據(jù)集

以地圖形式發(fā)布時，應符合GB/T37151—2018中第6.1節(jié)的相關規(guī)定。當大氣水汽含量數(shù)據(jù)集未投

影時，應在輔助數(shù)據(jù)集中包含經(jīng)緯度數(shù)據(jù)集。

9

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9.2.2地理覆蓋范圍

應在大氣水汽含量數(shù)據(jù)集或元數(shù)據(jù)集中包含影像的地理覆蓋范圍信息。當大氣水汽含量數(shù)據(jù)

集以分塊的形式組織時，應在元數(shù)據(jù)集中包含影像的分塊編號，相應元數(shù)據(jù)應逐塊描述。

9.3質(zhì)量信息

9.3.1產(chǎn)品準確度

執(zhí)行GB/TXXXXX—XXXX中第4、5章的相關規(guī)定，在元數(shù)據(jù)集中記錄平均誤差、均方根誤

差、相關系數(shù)三個大氣水汽含量產(chǎn)品準確度評價指標結果。

9.3.2產(chǎn)品不確定度

執(zhí)行GB/TXXXXX—XXXX中第4、5章的相關規(guī)定，在元數(shù)據(jù)集中記錄標準差這一大氣水汽含

量產(chǎn)品不確定度評價指標結果。

9.3.3空間連續(xù)性

分別計算質(zhì)量標記數(shù)據(jù)中“數(shù)據(jù)有效，質(zhì)量好”，“無效值”和云掩膜（包括“可能有云”和“有云”）的像

元數(shù)占像元總數(shù)的比例，在元數(shù)據(jù)集中記錄優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)比例、無效值的比例。

10產(chǎn)品檢查

應在產(chǎn)品生產(chǎn)后，公開發(fā)布或交付用戶前進行。檢查項應包括但不限于表3所列項。

表3大氣水汽含量產(chǎn)品檢查項

檢查項檢查內(nèi)容證實方法

產(chǎn)品命名產(chǎn)品名稱應符合5要求

大氣水汽含量數(shù)據(jù)所有產(chǎn)品是否存在；應符合8.2要求

集

產(chǎn)品構成產(chǎn)品質(zhì)量標記數(shù)據(jù)所有產(chǎn)品是否存在；應符合8.3a要求

經(jīng)緯度數(shù)據(jù)對于未投影產(chǎn)品，是否存在；應符合8.3c要求

元數(shù)據(jù)集所有產(chǎn)品是否存在；應符合8.4要求及附錄C規(guī)范

時間信息時間記錄應符合9.1要求

坐標系和投影應符合9.2.1要求

地理信息

地理覆蓋范圍應符合9.2.2要求

質(zhì)量信息產(chǎn)品準確度應符合9.3.1要求

產(chǎn)品不確定度應符合9.3.2要求

空間連續(xù)性應符合9.3.3要求

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附錄A

（資料性）

常用的大氣水汽含量反演方法

A.1概述

大氣水汽含量產(chǎn)品的生產(chǎn)依次包括輸入數(shù)據(jù)的準備、大氣水汽含量反演、產(chǎn)品輸出和產(chǎn)品檢查。

其中，輸入數(shù)據(jù)應經(jīng)過輻射校正、幾何糾正、云檢測等預處理。高分辨率遙感反演大氣水汽含量的方法包

括但不限于：近紅外和紅外反演算法來獲取水汽。當使用其它估算方法時，應在元數(shù)據(jù)集中明確記錄，并宜包

括算法說明文檔。產(chǎn)品輸出應符合本文件第6章產(chǎn)品構成要求，產(chǎn)品檢查應符合本文件第8章規(guī)定。

A.2雙波段比值法和三波段比值算法

近紅外波段的太陽輻射對整層大氣水汽總量具有較高的敏感性，雙波段比值法和三波段比值是利

用太陽的近紅外反射光反演大氣水汽總量的光學遙感技術。地表反射的太陽輻射經(jīng)大氣水汽的衰減后

進入傳感器，通過不同通道測量值比較可以消除地表反射的影響，得出通道間水汽吸收的差異，再結

合輻射傳輸模型，估算總的水汽含量。

近紅外波段反演水汽的算法，常用的有雙波段比值法和三波段比值法。該算法以輻射傳輸方程為

基礎進行推導。為方便起見將輻射傳輸方程簡化為：

1

LSensor()E0()T()()LPath()

…(A.1)

其中，LSensor()是傳感器接收到的輻射亮度；LSun()為大氣層頂?shù)奶柸肷漭椛洌籘()為總

的大氣透過率，表示從大氣層頂?shù)降乇怼⒃購牡乇淼絺鞲衅鞯目偼高^率（由于在近紅外區(qū)域其它氣體

的吸收相對于水汽很小，所以把T()僅看作水汽含量有關）；()為表面反射率；LPath()為輻射

傳輸路徑上的大氣路徑輻射，在近紅外區(qū)域主要受到單次散射和多次散射的影響。

在大氣光學厚度較小的情況下，近紅外波段的LPath()非常小，相當于LSensor()的百分之幾。

則：

L()

()T()L()L()Sensor*()

E()SensorPathE()

00…(A.2)

*

其中()為該波段的星上反射率。

若表面反射率為常數(shù)，即()=，則由上式：

T()*()

11

*

T(2)(2)…(A.3)

11

T/CSFXXX—XXXX

即兩通道大氣透過率的比值約為二者星上反射率之比。若1為水汽的吸收通道，2為大氣窗口

通道（T(2)1），則有

*()

T()1

1*()

2…(A.4)

通過大氣輻射傳輸數(shù)據(jù)和輻射傳輸方程模擬，可以得到T(1)與大氣水汽總量的函數(shù)關系，從而

反演出大氣水汽含量。這稱為雙通道比值法。

若表面反射率()隨波長變化，則雙通道算法不再適用。通過對0.85m到1.25m間各種地物

反射率進行分析發(fā)現(xiàn)，此光譜區(qū)間中反射率基本滿足線性關系。假定1為水汽的吸收通道，2和3

為大氣窗口通道（T(2)1，T(3)1），且有：

()C()C()

11223…(A.5)

則：

*()

T()1

1C*()C*()

1223…(A.6)

例如:MODIS用于反演水汽含量近紅外通道包括：水汽吸收波段（17、18、19）和大氣窗口波段

（2、5），見下表。

表A.1MODIS近紅外反演水汽算法所用波段

編號中心波長（nm）波段寬度（nm）

286540

5124020

1790530

1893610

1994050

令1，2和3分別為第19，2和5波段，則有：

*

T19

19*

2…(A.7)

*

T19

19**

或C12C25…(A.8)

12

T/CSFXXX—XXXX

其中，C10.8，C20.2。通過輻射傳輸模擬，可以得到波段和大氣水汽的關系：

Texp[W*]

19…(A.9)

11

m

*W

其中，WmW0，sv為大氣質(zhì)量，0即大氣水汽總量，有：

2

1lnT19

W0

m…(A.10)

雙波段比值法和三波段比值法得出式形式相同，只是系數(shù)和不同。對于不同大氣和觀測幾何

情況下的系數(shù)和，可通過輻射傳輸模型計算成查找表，便于由波段反射率比值迅速得到大氣水汽

含量的反演值。

WWW

利用三個吸收波段17、18、19，可以得到三個獨立的大氣水汽估計值17、18和19，最后的

水汽總量結果去三者的加權平均值，以使反演結果更為精確：

WfWfWfW

171718181818…(A.11)

其中fx相應通道的歸一化權重函數(shù)，隨水汽含量和大氣模型而變化。

A.3熱紅外分裂窗法

根據(jù)普朗克定律，熱紅外輻射傳輸模型中無云大氣條件下傳感器接收到的熱輻射亮溫可以表示為：

Bi(Ti())i()Bi(Ts)i()Ii()Ii()(1i())i()…(A.12)

其中，為波段在觀測天頂角下的輻射亮度溫度，為地表溫度。為波段的普朗克

Ti()iTsBii

輻射亮度，為波段在觀測天頂角下的地表發(fā)射率，為波段在觀測天頂角下的大氣

i()ii()i

透過率，為大氣自身的上行輻射，為大氣的下行輻射。

Ii()Ii()

熱紅外波段反演水汽需要2個鄰近的熱紅外通道，一個通道靠近水汽吸收帶（12~13um），另一個

通道靠近大氣窗口區(qū)（11~12um）。這兩個熱紅外通道即為分裂窗。例如，對于高分五號全譜段光譜成

像儀而言，對應的是通道11（B11:10.3um~11.3um）和通道12（B12:11.4um~12.5um），其中通道12波

段水汽的吸收能力強于通道11。隨著大氣水汽含量的增加，兩波段的亮度溫度遞減，且波段12的亮度溫

度衰減速度略快于波段11。算法利用通道11和通道12兩個波段的大氣透過率的比值進行水汽反演。

對高分五號全譜段光譜成像儀，波段i代表的波段標識為11和12。對N個鄰近像元，可以有2N個公

式（C.12）。設在N個鄰近像元內(nèi)，大氣狀態(tài)相似，地表發(fā)射率相同，或者它們的空間變化的影響不大

于儀器噪聲的影響，則個像元的平均亮溫為，平均地表溫度為，在對兩個分裂窗有：

NTTs

13

T/CSFXXX—XXXX

i

Bi(T())i()Bi(Ts)i()Ii()Ii()(1i())i()…(A.13)

對某個通道的分裂窗通道相減，有：

NN

jj

B11(Tj)NB11(T)1111(B11(Ts)NB11(Ts))…(A.14)

j1j1

NN

jj

B12(Tj)NB12(T)1212(B12(Ts)NB12(Ts))…(A.15)

j1j1

由公式（C.14）和公式（C.15）可以得到

NN

jj

12(B11(Tj)NB11(T))(B12(Tsj)NB12(Ts))

11j1j1

NN…(A.16)

12jj

11(B12(Tj)NB12(T))(B11(Tsj)NB11(Ts))

j1j1

上式中，對普朗克函數(shù)進行泰勒級數(shù)的一階展開，可得到

B

B(T)B(T)(TT)…(A.17)

iiT

這里假設分裂窗通道的地表溫度相等，公式（C.16）分子分母的最后一項可以消去，則簡化為

N

11111212

12(TjT)(TjT)

11j1

N…(A.18)

1212121212

11(TjT)(TjT)

j1

選擇相鄰的N個像元，設在N個鄰近像元內(nèi)，大氣狀態(tài)相似，地表發(fā)射率相同，或者它們的空間變

化的影響不大于儀器噪聲的影響，則個像元的平均亮溫為，平均地表溫度為。

NTTs

N

（）1（1）1（1）1（2）1（2）

12(TjT)(TjT)

11j1………………(A.19)

N

12（）1（2）1（2）1（2）1（2）

11(TjT)(TjT)

j1

其中，11，12為第個像元的波段和波段在觀測天頂角下的輻射亮度溫度，1（1）、

TjTjj1112T

12為波段和波段的平均亮溫，（）、（）為波段和波段在觀測天頂角下的地表

T（）111211121112

發(fā)射率，、為波段和波段在觀測天頂角下的大氣透過率。

11()12()1112

該方法在推導兩個波段大氣透過率比值時，采用了兩個波段所在若干像元的方差和協(xié)方差比值，此

時兩個波段的地表發(fā)射率的比值也變成了若干像元的均值，因而波動會更小，消去的時候引起的誤差也

會減小，所以該方法對地表發(fā)射率不敏感。該方法在獲取分裂窗通道大氣透過率比值的時候，不需要借

助于任何輔助數(shù)據(jù)，通用性強。利用大氣輻射傳輸模型模擬分裂窗通道大氣通過率比值與大氣水汽含量

14

T/CSFXXX—XXXX

的關系。

15

T/CSFXXX—XXXX

附錄B

（規(guī)范性）

大氣水汽含量產(chǎn)品元數(shù)據(jù)集

大氣水汽含量產(chǎn)品元數(shù)據(jù)集用于記錄標識信息(名稱、分類等)、地理信息（經(jīng)緯度、投影等）、生

產(chǎn)信息（數(shù)據(jù)源、算法等）、質(zhì)量信息（云覆蓋、精度等）、分發(fā)信息（生產(chǎn)、出版等）。元數(shù)據(jù)集應包

含但不限于表B.1所列項，可依實際情況增加條目。

表B.1大氣水汽含量元數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)項

編號數(shù)據(jù)項數(shù)值類型域值約束/條件

標識信息

小于255個字符，符合本文

1產(chǎn)品名稱字符型M

件6.1要求

小于255個字符，應包含產(chǎn)C/當大氣水汽含量數(shù)據(jù)集單獨存儲

1.1大氣水汽含量數(shù)據(jù)集名稱字符型

品名稱時

必填

小于255個字符，應包含產(chǎn)C/當產(chǎn)品質(zhì)量標記數(shù)據(jù)單獨存儲時

1.2產(chǎn)品質(zhì)量標記數(shù)據(jù)名稱字符型

品名稱必填

小于255個字符，應包含產(chǎn)

1.3經(jīng)度數(shù)據(jù)名稱字符型C/當經(jīng)度數(shù)據(jù)單獨存儲時必填

品名稱

小于255個字符，應包含產(chǎn)

1.4緯度數(shù)據(jù)名稱字符型C/當緯度數(shù)據(jù)單獨存儲時必填

品名稱

1.5太陽天頂角字符型或度°分’秒”或度°O

浮點型

范圍為:0°~180°

1.6太陽方位角字符型或浮度°分’秒”或度°O

點型

范圍為:0°~360°

1.7觀測天頂角字符型或度°分’秒”或度°O

浮點型范圍為:0°~180°

1.8觀測方位角字符型或浮度°分’秒”或度°O

點型

范圍為:0°~360°

小于255個字符，應包含產(chǎn)

1.9元數(shù)據(jù)名稱字符型M

品名稱

0：單日大氣水汽含量產(chǎn)品

2產(chǎn)品分類8位整型M

1：月均大氣水汽含量產(chǎn)品

3產(chǎn)品標識時間字符型YYYYMMDDM

小于255個字符，單位為米

4產(chǎn)品像元大小字符型M

或度，需注明

地理信息

5分塊編號字符型文本C/當產(chǎn)品分塊組織時必填

16

T/CSFXXX—XXXX

0：WGS84

1：CGCS2000

坐標系位整型當有坐標系時必填

682：北京54C/

3：西安80

4：其它

6.1角度單位字符型小于255個字符C/當坐標系為“其它”時必填

小于255個字符，單位為度

6.2本初子午線字符型C/當坐標系為“其它”時必填

分秒或度，需注明

17

T/CSFXXX—XXXX

表B.1（續(xù)）

編號數(shù)據(jù)項數(shù)值類型域值約束/條件

6.3原點字符型小于255個字符C/當坐標系為“其它”時必填

6.4方位字符型小于255個字符C/當坐標系為“其它”時必填

6.5長半軸32位整型單位為米C/當坐標系為“其它”時必填

6.6短半軸32位整型單位為米C/當坐標系為“其它”時必填

6.7扁率32位整型單位為米C/當坐標系為“其它”時必填

7地圖投影字符型小于255個字符C/當有投影時必填

字符型或經(jīng)度：度°分’秒”或度°

8.1左上角經(jīng)度或X坐標M

浮點型坐標：浮點數(shù)

字符型或經(jīng)度：度°分’秒”或度°

8.2左上角緯度或Y坐標M

浮點型坐標：浮點數(shù)

字符型或經(jīng)度：度°分’秒”或度°

8.3左下角經(jīng)度或X坐標浮點型M

坐標：浮點數(shù)

字符型或經(jīng)度：度°分’秒”或度°

8.4左下角緯度或Y坐標浮點型M

坐標：浮點數(shù)