夜间星载微光成像仪在大气、海洋和环境领域的应用研究进展

　　夜间星载微光成像仪在大气、海洋和环境领域的应用研究进展

　　1引言

　　夜晚不是完全黑暗的，在夜间或黑暗环境中仍存在着少量的自然光，如月光、星光、大气辉光和银河光等夜天光，以及人工光源，它们与白天的太阳光相比十分微弱，所以又叫作微光。随着光电技术的发展，人类可以逐渐借助高灵敏的微光相机“看到”这些难以观测的夜间微弱光源。将微光相机搭载在卫星平台上，即为微光成像仪，便可实现全球夜间成像。微光成像探测原理大致可以分为两类：一类是基于目标对月光的反射，通常能在1/4月相以上的条件下对具有较强反射能力的目标进行成像；另一类是基于目标自身的发光，包含城市灯光和极光等不受月相影响的强光源和气辉等需避免

　　月光干扰的弱光源。星载微光成像仪最初设计应用于探测夜间云层，其独特的夜间低照度成像能力可以使白天可见光探测扩展至夜间，但受到传感器性能的限制，仅能定性研究而未能广泛应用。自1978年Croft发现夜间灯光的强度和分布与人类活动有着密切关系后，利用夜间微光成像仪生产的夜间灯光数据(NighttimeLight，NTL)作为一种新型数据源开始广泛应用于人文社会与地球科学领域的研究中，在包括人口分析、国内生产总值估计、电力能源消耗、碳排放指标以及城市化和区域发展等领域取得众多应用成果。近10年来星载微光成像仪技术取得了较大进步，新一代仪器性能提升显著，可以在极其微弱的光照条件下定量探测到热红外谱段无法探测的大量信息，在气象、海洋和环境等领域均具有重要的应用前景和科学研究价值。

　　本文从全球几个主要的星载微光成像仪性能对比出发，重点围绕夜间星载微光成像仪在大气、海洋和环境领域的应用研究成果进行全面的总结分析：①总结大气科学领域中星载微光成像仪在夜间云、闪电极光、热带气旋和重力波等重要研究方向中的应用个例和科学发现。特别是在大气重力波研究方向，星载微光成像仪给这个传统的大气科学现象研究带来了很多新资料和新视角，帮助气象学家进一步深入理解重力波的发生、发展和传输特征等。②相比大气科学，星载微光成像仪在海洋科学领域的应用更加多样化，详细总结了其在海水水体浑浊度、海洋动力学特征和海洋生物发光等方向的前沿应用研究。③围绕微星载微光成像仪在夜间对气溶胶和火点的独特探测能力，总结了其在环境科学应用领域的主要研究成果。

　　2星载微光成像仪

　　20世纪60年代，世界上第一颗具有夜间微光成像能力的卫星—美国国防气象卫星(DefenseMeteorologySatelliteProgram，DMSP)成功发射，使人类正式迈人了夜间微光遥感的新纪元。DMSP在830km高度的太阳同步轨道上以101min的周期飞行，其搭载的专门为云层监测设计的线性扫描业务系统(OperationalLinescanSystem，OLS)设有可见光近红外和热红外2个波段，其中可见光波段有2套探测器，白天使用常规的光学望远镜，到了夜间则使用光电倍增管(PhotoMultiplierTube，PMT)，从而能够日夜不间断地开展对地观测任务。光电倍增管具有很强的光电放大能力，其最小探测阈值可低至10-9W/(cm2·sr)，比传统的光学传感器低4个数量级，空间分辨率为2.7km，最初设计用于捕捉夜间云层反射的微弱月光以获取夜间云层分布信息。DMSP/OLS一直运行到2013年，持续收集了长达40年的全球微光影像，其数据广泛应用于探测城镇灯光、极光、闪电、渔火和火灾等地球观测领域。然而，OLS的微光数据仅进行了6bit量化，导致数据出现大面积饱和，其较为粗糙的空间分辨率和定位精度使其影像上出现了灯光扩散效应。此外，数据没有进行高质量的星上定标处理，这些缺陷都限制了它的定量化应用。

　　美国新一代极轨气象卫星Suomi-NPP于2011年10月发射升空，其搭载了目前综合探测能力最强的新一代多通道成像光谱仪—可见光红外成像辐射计(VisibleInfraredImagingRadiometerSuite.VIIRS)，主要用于探测云、地表、大气和环境等要素，作为核心载荷同样搭载在后续发射的JPSS-1卫星和JPSS-2卫星上。VIIRS观测幅宽达到3060km，每天都能实现地球表面的全覆盖扫描。VIIRS共设置了22个光谱波段，分布在0.4～12.0μm光谱范围内，其中的日夜通道(DayNightBand，DNB)是在DMSP/OLS的基础上进行了改进和升级的新一代微光成像传感器，能够日夜不间断地收集来自地球的可见光辐射。DNB采用背面接收辐射的电荷耦合元件(ChargeCoupledDevice，CCD)面阵进行采样并在扫描时使用时间延迟积分技术(TimeDelayIntegration，TDI)来提高信噪比，实现了比DMSP/OLS光电倍增管更高的辐射探测灵敏度。为了能够适应白天强烈的太阳光照，又能实现在夜间1/4月相的微弱月球照明条件下成像，VIIRS/DNB共设置了3个增益档，并在特定场景下自动选定合适的增益档，达到了3×10-9～0.02W/(cm2·sr)约7个数量级的宽动态探测范围。在空间分辨率方面，VIIRS/DNB不仅从DMSP/OLS的2.7km大幅提升到742m，还应用了独特的亚像元聚合方法(aggregationofsubpixels)来控制图像边缘空间分辨率的自然增长，使VIIRS/DNB图像分辨率不会随着扫描角度的增加而降低，而是在整个幅宽中都保持一致。DNB的定位精度也得到了提高，能够提供更稳定的夜间微光图像。此外，DNB采用了14bit量化，并利用太阳漫反射板和巧妙的定标传递机制实现了全增益档的星上在轨7％～l1％的辐射定标精度，推动了微光数据定量化应用的蓬勃发展。

　　我国星载夜间成像技术也取得了较大进步，“吉林一号”是我国第一颗能够获取夜光影像的商业卫星，也是全球第一个同时具有高分辨率和多光谱波段的夜间成像卫星，其亚米级真彩色夜光遥感影像可以反映地面灯光的真实色彩和强度。武汉大学于2018年6月2日成功发射了世界上第一颗专用夜间光遥感卫星—“珞珈一号”科学实验卫星01星，理想条件下可在15天内绘制完成全球范围夜间灯光影像，其130m的分辨率能够极大地丰富夜间灯光影像的空间细节。2021年11月发射的可持续发展科学卫星1号(SDGSAT-I)同样搭载了微光成像仪，通过夜间灯光探测进行可持续发展目标的监测与评估。SDGSAT-1微光成像仪具备彩色微光探测模式，共设有1个全色波段和3个彩色波段，对应的空间分辨率分别为10m和40m。2022年7月5日全球首颗太阳同步晨昏轨道民用业务气象卫星风云三号E星(FY-3E)发射，其搭载的微光型中分辨率光谱成像仪(MediumResolutionSpectralImager-LowLight，MERSI-LL)使我国风云系列气象卫星首次具备微光遥感业务观测能力，它是一个中心波长为700nm、带宽为400nm的全色宽谱段微光通道，与VIIRS/DNB一样具有3个增益档，实现了晨昏线附近3×10-9～0.09W/(cm2·sr)大动态范围的可见光成像，其中低增益通道定标检验精度达到4%左右，具有巨大的微光定量应用前景。

　　3应用研究进展

　　3.1大气科学领域

　　3.1.1夜间云检测和云特性反演

　　夜晚由于缺乏太阳光照射，卫星难以捕获可见光和近红外辐射，日间的云检测算法和云光学／微物理反演算法无法使用。虽然在夜间仍可以使用红外通道进行云检测，但其对云特性不敏感，云检测结果精度较低。微光成像仪可以探测到夜间被云层反射的微弱月光，能够检测到红外波段无法识别的云层。一些学者利用微光成像仪对夜间云检测进行了研究，夏浪等利用DNB数据开展夜间云检测并对夜间云检测算法精度进行了验证，结果表明在扫描角小于150时，夜间云检测精度不低于91%。Joachim等使用随机森林算法对云和晴空进行分类，在城市试验场地的准确率达到85%。这些研究提高了夜间云检测在相应研究区域的精度，但总体上仍比白天的云检测精度低，仍有较大的提升空间。

　　值得一提的是，星载微光成像仪在夜间低云和大雾监测方面能够发挥独特的作用。低云大雾会造成能见度下降和空气质量恶化，严重影响航海、航空和公路运输等活动安全，因此应及时准确地监测和预报低云大雾，以有效降低其带来的损失=与地面气象站探测相比，气象卫星可以利用可见光和近红外通道对白天的大雾和低云进行监测和临近预报，在时空覆盖上优势明显，但在夜间无法应用。Eyre等尝试利用夜间红外影像对夜间低云大雾进行识别，提出利用11μm和3.9μm通道的亮温差来检测夜间低云大雾的双通道差分算法(theDualChannelDifferencealgorithm，DCD)，并有效应用于NOAA/AVHRR和GOES/ABI等其他各类传感器：然而由于红外波段对比度较差，DCD算法对非常薄或非常靠近地表的雾（＜100m)效果不佳，并且不适用于某些土壤类型背景下的低云检测。星载微光成像仪的出现为这些问题的解决提供了新的思路和方法，周小珂等结合DMSP/OLS和红外数据提出了双通道阈值法，能够较好地区分无云地表、中高云和低云大雾，初步验证了在夜间月光照明条件下识别低云大雾的可行性。Miller等利用VIIRS/DNB通道揭示了在冷下垫面和暖湿低层大气条件下DCD提取的低云存在虚警现象，并详细分析了其产生的物理机制。Jiang等将DNB与VIIRS其他通道相结合提出了一种基于图像切割(ImageCutting，MIC)的多通道阈值法，通过逐步分离地表（土地、植被、水体和城市灯光）、雪和中高云，最终提取出低云和雾。Hu等提出了一种基于辐射传递特性的多通道阈值法(MultichannelthresholdalgorithmbasedonRadiativeTransferCharacteristics．MRTC)，首先对低云和大雾的大气层顶反射率进行敏感性实验来建立先验查找表，进而将其检测出来。这些多通道阈值法与传统的双通道差分算法相比准确性更高。

　　在夜间云特性反演方面，Walther等尝试在夜间使用VIIRS/DNB通道和3.7μm红外通道联合反演云光学厚度和有效粒子半径，能够有效填补夜间和冬季极地云光学和微观物理特性观测的空白。Min等围绕夜间云体散射特性和辐射传输模型进行了深入研究，从理论上证明了周期性变化的月相角对云微物理特性反演的微弱影响。虽然利用微光成像仪进行夜间云特性反演取得了初步进展，但由于夜间信号比较微弱，辐射传输较为复杂，夜间云特性反演仍然比较困难。

　　3.1.2大气重力波与夜间辉光

　　大气重力波(AtmosphericGravityWaves，AGWs)是由于空气微团离开初始位置，受到重力和浮力的共同作用使其恢复到初始位置而形成的一种振荡，是对流层向中高层大气传输能量和动量的重要机制之一，对中高层大气的结构和循环起主导作用。虽然重力波的水平尺度远小于中高层大气平均环流的大尺度结构，但是在中高层大气的环流模式中必须考虑。若不考虑重力波，模式预报的平均风场和温度场的空间结构将与实际观测结果存在较大偏差。为了能够更准确地模拟全球环流结构，研究人员先后提出了很多重力波参数化模式来研究重力波对全球环流的影响。然而，这些重力波参数缺少全球尺度高分辨率真实观测的约束，导致其对重力波过程的描述并不准确。星载微光成像仪为我们观测中间层重力波提供了一个独特的视角，能有效填补中高层大气重力波全球尺度高分辨率观测的空白。

　　Miller等发现在没有月亮的夜晚Suomi-NPP卫星的VIIRS/DNB能够凭借其极高的灵敏度探测到非常微弱的夜辉信号(nightglow)。夜辉是中高层大气光化学过程的产物，亮度范围为10-11～10-9W/(cm2·sr)，比月光要弱100～1000倍。DNB探测到的夜辉主要来自大气中羟基（0H*）和分子氧(02)的受激发射，这些激发态粒子位于距离海平面85～95km高度的中层大气中。科学家们巧妙地利用夜辉作为示踪剂来研究中间层的重力波。Miller等指出重力波在对流层产生并向上传播时会引起大气组分密度和温度的扰动，周围气辉的辐射强度会受其调制，没有月光干扰时在DNB图像上表现为明暗相间的波纹特征。VIIRS/DNB较高且恒定的空间分辨率使其能够以亚千米尺度观测到小尺度大气重力波的细节特征。Yue等利用VIIRS/DNB数据同时观测到Mahasen气旋激发的印度洋中间层大尺度(500km)和小尺度(40～60km)的同心环状重力波(ConcentricAGWs)。与大尺度重力波相比，小尺度重力波水平波长较短而振幅较大，携带着水平动量中大部分的垂直通量。Miller等分析了由飓风Matthew激发的小尺度重力波并测定其水平波长为24～27km。Hu等提出利用二维斯托克韦尔变换(Stockwelltransform)从VIIRS/DNB影像中测量出重力波振幅、水平波长和传播方向等空间参数的新方法，能够较好地表征同心圆模式重力波的形状和振幅等精细结构特征。

　　然而，VIIRS/DNB仅能观测某一个高度层次的重力波，并且时间分辨率较为粗糙，虽然JPSS-1卫星的加入使观测间隔缩短至50min，但相对于重力波10～15min的相速度周期仍然太长，无法观察重力波时空特征的演变，也无法获取相速度和传播方向等复杂的三维重力波结构信息，因此需要结合其他资料进行分析。值得一提的是美国航空航天局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration,NASA)的Afternoon-Train星座与JPSS系列卫星位于同一轨道平面上，这为VIIRS/DNB联合其他卫星协同观测重力波创造了条件。不同传感器由于敏感波长不同可以提供不同高度层次的重力波观测，利用多种传感器进行多层次的重力波协同观测可以自下而上地跟踪重力波从其源区被激发进而穿过中间大气最终在高层大气消散的全过程。Azeem等首次在3个不同水平层面：平流层(Aqua/AIRS)、中间层（Suomi-NPPVIIRS/DNB，图2）和电离层（地面GPSTEC）对一次重力波事件进行同步观测。Xu等在多层次协同观测的基础进一步研究了飓风Matthew激发的重力波的水平和垂直传播过程，并指出重力波垂直传播过程引起了对流层和整个中高层大气之间显著的动力学耦合(dynamicalcoupling)。这种联合多种传感器的重力波多层次探测为重力波的垂直传播提供了关键信息，对于理解重力波在驱动中高层大气环流中发挥的作用非常重要。

　　重力波不仅可以加速背景风场，其传播特性也会反过来受到背景风的影响，因此还需要结合背景风速等资料进行分析。Lai等借助VIIRS热红外数据和ERA5再分析资料风速数据对DNB观测到的4种位于中国区域的典型重力波事件进行了验证，并推断这些重力波的来源，包括地形、雷暴、闪电和斜压不稳定性。Shi等基于重力波色散关系和风滤波理论，结合ERA5再分析资料和水平风模式提供的背景风数据对不同高度的重力波特征进行了详细诊断，计算出了平流层（约40km）和中层(约87km)的重力波三维结构参数，包括垂直波长、固有频率和固有水平相速度，这些参数为通过垂直波传播的大气多层耦合提供了更多信息。

　　3.1.3热带气旋

　　热带气旋(TropicalCyclone，TC)是指发生在热带洋面上中心气压极低的强气旋性涡流，其强度和路径的预警和预测对人们生命和财产安全至关重要。随着卫星遥感技术的发展，卫星资料在台风研究中得到了广泛的应用，为提高台风路径和强度预报作出了重要贡献。地球同步轨道卫星能够以高时空分辨率监测TC的生成和发展过程，是TC观测的基础，利用地球同步卫星的可见光和红外通道来估计TC强度的Dvorak技术一直沿用至今，但夜间仅有红外云图可以使用。中低层云结构的探测对于TC中心的定位和强度估计是非常关键的，而台风低层的红外辐射无法穿透TC上层的卷云层，即便没有上层卷云的阻挡，在红外通道上低层云与周围海面的亮温差异也非常小，想要在夜间精确定位TC的低层环流中心非常困难。此外，仅使用单一的红外波段无法获取TC的垂直切变信息，导致TC强度估计出现偏差。极轨卫星上的微波传感器可以穿透云系探测到与TC螺旋雨带和内核结构相关的降雨和对流，从而提供有关TC位置、结构和组织等关键信息，但较为粗糙的时空分辨率限制了其对TC的监测能力。微光成像仪提供了一种夜间观测TC云结构、位置、强度变化、垂直风切环境和闪电等关键特征的新型手段，可以同微波观测一起作为夜间TC观测的重要补充，有效减轻夜间TC监测的压力。

　　由于云在可见光和近红外波段具有高度散射的特性，在有月亮照明的条件下，星载微光成像仪能够透过TC上层的光学薄卷云看到中低层云，这些低云通常以气旋的方式盘旋进入风暴中心，通过大气运动矢量分析法可以识别出TC的低层环流中心(Low-LevelCirculationCenters,LLCC)。LLCC的位置、大小、方向、相对于主对流的位置，以及其与前一天晚上位置的变化对于确定TC的实际位置、缩小强度估计的偏差非常关键，尤其是当TC处于垂直风切环境导致低层中心偏离中高层对流时显得至关重要。挪威国家气象局太平洋飓风中心利用VIIRS/DNB修正了飓风Flossie的实际位置并重新对其移动路径和强度进行评估，为沿海地区提供了更准确的风暴预警信息，极大地降低了飓风对夏威夷岛造成的损失。DNB较高的空间分辨率和对比度可以突出风暴顶部结构的细节。TC内核附近的对流爆发(ConvectiveBurst，CB)可能预示着台风即将快速增强，对流爆发时由于强烈释放潜热而形成能够超过对流层顶的深厚积雨云，也

　　被称为对流热塔(convectivehottowers)，在可见光卫星云图上表现为上冲云顶(overshootingtops)。对流爆发的数量及其相对于LLCC的位置对于确定TC临近的强度变化非常重要。Hawkins等指出利用结合VIIRS/DNB与红外的假彩色增强技术能够有效分离出TC螺旋雨带和内核中的过冲云顶，并能捕获下面有组织的对流单体，并监视TC风眼和眼壁的生成及其结构变化，显示出台风的风切演变。此外，微光成像仪还可以探测到云层中的闪电，其频率、密度和相对位置可以辅助改善对TC强度的估计。

　　当无月光照明时，微光成像仪仍然可以利用夜辉的照明来观测TC，识别出LLCC。虽然光照不足会限制其对云顶结构等细节的观测，但夜辉图像却可以额外观察到TC对流激发的上层大气重力波，这些重力波在风暴动力学(stormdynamics)特别是在TC强度评估和预报方面所传达的信息，是TC科学研究的一个前沿领域。Miller等利用DNB通道在夜间监测飓风Matthew提高了飓风中心的定位并清楚地看到了上传的中尺度重力波和“红色精灵”现象，证实了高层重力波活动与TC强度存在关联性。Hoffmann等利用统计分析进一步证实了重力波信号和TC强度之间的相关性，指出重力波信号可能是TC增强的重要标志。

　　3.1.4闪电和极光

　　带电风暴云（electrifiedstormclouds）产生的闪电可能是大气发射的最常见光源之一。闪电放电过程会释放大量的光能和热能，再加上强烈的冲击波、剧变的静电场和强烈的电磁辐射，常常造成人畜伤亡，建筑物损毁、引发火灾并造成电力、通信和计算机系统的瘫痪事故，因此闪电的检测和预警对于减少国民经济和人民生命财产十分重要。尽管微光成像仪并没有针对闪电监测进行专门的设计，但如果闪电发生的频率较高且有较长的持续时间，微光成像仪就可以捕捉到闪电放电产生的云中散射光，在图像上表现为异常明亮的亮特征。据估计DMSP/OLS大约每100000次闪电中就能记录到1次，比地面系统观测到的云间闪电更为频繁。Miller等指出闪电在VIIRS/DNB图像中表现为沿扫描方向的短而明亮的定向条带，亮带的长度取决于闪电的持续时间和光扩散程度。Banker等使用二阶梯度的线性滤波器来识别DMSP/OLS图像中的闪电，并利用假彩色合成技术对该特征进行增强，实现在不同月球照明条件下闪电的自动化检测。虽然微光成像仪对于闪电的观测和应用相对有限，但对于偏远地区云内闪电的探测具有重要价值，能够补充现有的地面闪电探测网络的不足。

　　极光是太阳和地球高层大气相互作用的可见光表现。在日冕物质抛射和太阳耀斑期间太阳大气喷射出大量高能氢原子和氦原子，当这些粒子到达地球磁层时它们会加速并沿着磁场线注入两极，并与高层大气中的氧和氮分子碰撞，使它们受到激发释放出可见光。极光是太阳地磁活动的重要指标，地磁风暴越强，极光就越强，离极点越远。由于DNB的带宽包含了极光谱带中的原子氧初级发射线（557.7nm和630.0nm）和600～700nm范围内分子氮发射线，加上其对微弱光源的捕捉能力和较高的空间分辨率，DNB可以观测到地球两极的极光细节特征。值得一提的是，极光并不是静止的而是高速运动的（通常在0～3km/s内），DNB能够以独特的角度观测到这种规模较小、速度较快的极光运动。由于DNB-次扫描到下一次扫描周期为1.79s，极光的运动会导致其在相邻扫描之间的位置发生偏移，在图像上则表现为边界不连续的锯齿状，当极光在相邻扫描线间偏移3～5个像素时，对应的移速为1.3～2.1km/s，当偏移5～8个像素时移速可达2.1～3.3km/s。有研究指出极光运动与地磁风暴引起的地球磁场波动有关，这些磁场波动可能会引起电浪涌从而导致停电，波动引起的感应电流会使金属油气管道受到腐蚀，因此，DNB图像上极光的锯齿状边界可以提供关于磁层状态的瞬时信息。

　　3.2海洋科学领域

　　3.2.1海岸带水体浑浊度

　　浊度是能够表征水体光学特性的水质参数，气候变化和人类活动都会导致浊度变化。浊度随着水中悬浮固体和沉积物浓度的增加而增加，水中的悬浮物会改变水中的光传播方向导致光能衰减，卫星海洋水色遥感技术可以通过分析悬浮泥沙的浓度对水体光学特性的影响来提取水体的浊度。在可见光范围内，尤其是红色波段，反射率随着水浊度的增加而增加，近红外波段对浊度也很敏感。在夜间随着可见光通道的不可用，卫星海洋水色产品停止生产，但微光成像仪凭借其高敏感度仍然能够在夜间有月光照明的条件下继续探测离水辐射，从而将卫星海洋水色探测扩展到夜间，能够更好地监测海洋日变化和短期环境变化。Miller等指出由于VIIRS/DNB的波宽(500～900nm)覆盖了对水的浑浊度敏感的红波段和近红外波段，因此VIIRS/DNB能够在充足的月光照明下定量反演海岸水浊度。Chami等利用夜间辐射传输模拟各种条件下传感器接收到的大气顶部的辐射亮度，并与DNB规定的最低探测阈值进行比较，证明了VIIRS/DNB可以在夜间对沿海水域悬浮物浓度进行有效观测。为了定量估计夜间海岸带的水体浊度，Huang尝试采用直方图匹配的方法来对DNB反射率和Dogliotti算法估算的日间浊度进行拟合，虽然模型的表现不理想(R2=0.61)，但仍然证明了微光成像仪估计夜间水体浊度的潜能。

　　由于来自海洋的辐射信号明显弱于来自陆地和大气等其他目标的辐射信号，并且月球辐照度、辐射定标和夜间大气校正存在较大的不确定性，因此从微光成像仪中分离出海洋辐射的贡献（即归一化的离水辐射）仍然是非常困难的。

　　3.2.2海洋动力学特征

　　与太阳斑（或反辉区）相似，当地球、月球和卫星传感器构成近镜面几何关系时，传感器接收到的能量急剧增加，在图像上形成明亮的亮斑。月亮亮斑(Moonglint)的辐射强度是月球辐照度和海表反射率的函数，而海面反射率取决于表面风速和海洋表面特性。在亮斑区域，当海洋表面比较平整时，月光将发生镜面反射并被传感器接收，表现为明亮的亮斑；当海面有风生波浪而变得粗糙时，波浪将光散射到不同的方向使得传感器接收的能量减弱。因此，月亮亮斑的特性可以提供有关海表风速、海洋表面特性和海洋动力学特征的相关信息。

　　内孤立波属于海洋内波的一种，是海洋中普遍存在的一种中小尺度动力过程，在密度分层的两层海洋之间传播并近似保持波形不变。它们通常与潮汐强迫有关，形成向海岸传播的波列，是海洋内部一种重要的能量传输机制。内波现象的形成过程存在较强的随机性，难以获得足够的实地观测数据，星载微光成像仪为内波观测提供了一种新的技术手段。虽然卫星无法直接观测到水下内波的存在，但内孤立波的产生会增大海洋表面的粗糙度，在卫星图像中的亮斑区可以观察到明显的波纹特征，从而实现对水下内波信息的有效探测。Miller等利用DNB观测了印度尼西亚群岛的西里伯斯海南部的月亮亮斑区向东南方向传播的内孤立波列。胡申森引入二维S变换测量了内孤立波的水平波长和传播方向，并结合白天和夜间的观测数据实现了其传播相速度的测量。

　　此外，Miller等指出还可以利用生物浮油膜的分布和移动来反映海面水流的运动特征。海水的定向流动和辐合会导致浮油的传输和汇聚，而油膜等表面活性剂可以抑制海面表层的毛细波的产生从而改变海面的粗糙度，最终能够在亮斑区被探测到。Wang等基于统计信息和形态学算子，以半自动方式选定阈值成功将浮油特征从VIIRS/DNB图像的背景噪声中提取出来。Shi等使用目标区域中DNB辐射的中值作为背景参考辐射，通过目标辐射和参考辐射之间比值构建了DNB辐射率，以更好地表征VIIRS/DNB观测到的海洋动力特征，并利用3个案例展示了DNB辐射率如何用于监测悬浮沉积物藻华的运动。

　　3.2.3渔船和海上油气燃烧检测

　　为了在夜间开展渔业活动，渔民会利用部分海洋生物的夜间趋光性在渔船上装载大功率的照明灯泡，产生的光辐射高达数百千瓦，很容易被卫星微光成像仪检测到。Elvidge等对近海灯光渔船在VIIRS/DNB夜光遥感影像上的辐射特征进行了研究，发现发光渔船在图像上表现为辐射比周围背景高的尖峰(spike)，并构建了尖峰中值指数(SpikeMedianIndex，SMI)和尖峰高度指数(SpikeHeightIndex,SHI)来描述和增强渔船尖峰的特征，通过统计分析选择合适的阈值将这些峰值点与背景分离出来，从而开发了一个自动船舶识别系统(VIIRSBoatDetection，VBD)。算法在新月前后的无云条件下能够保持较高的识别精度，但在满月和有薄云覆盖时识别精度会大幅下降，因为这种固定的阈值选取方法主要依据人为经验，具有一定的随机性和局限性，无法适应月球照度和云层的变化。为了改进阈值的选取，Lebona等引入合成孔径雷达图像中常用的阈值选取方法，即通过保持高于该阈值的背景像素值的百分比恒定来给出阈值，被称为恒定虚警率(ConstantFalseAlarmRate，CFAR)检测法。Cozzolino等提出利用DNB图像上船灯和黑暗海洋之间的梯度差来选取阈值。郭刚刚等使用最大熵策略(MaximumEntropyMethod．MEM)来确定最终的阈值，并提出了局部尖峰检测(LocalSpikeDetection，LSD)算法来滤除目标船像素附近亮度较高的非灯光渔船像元。上述方法都是从数字图像处理的角度基于像素的统计特征或人工经验来估计阈值，具有一定的局限性，Xue等考虑了夜间渔船灯光点扩散和点源辐射特性，其提出的两步阈值法能够提高阈值的适应能力。除了阈值法，深度学习中的目标检测技术也被应用于夜间船舶检测，Shao等利用修正的YOLOv5(YouOnlyLookOnce-version5)算法融合高层语义特征，更有效地对船舶目标进行提取。

　　此外，微光成像仪在协助跟踪海上碰撞和油轮漂移也有重要的应用价值。Sun等对2018年1月在东海发生的油轮碰撞和溢油事件进行了跟踪，表明微光能够有效跟踪油轮漂移路径和位置。

　　3.2.4海洋生物发光

　　牛奶海(milkyseas)是一种罕见的海洋生物发光现象，全球每年仅发生0～2次，主要发生在印度洋西北部和印度尼西亚周围海域。这种发光现象是发光细菌在相互交流的过程中通过群体感应的过程到达临界种群时触发发光反应产生的。由于牛奶海非常罕见，并且发生在距离人类活动范围较远的远洋海域，难以收集到实地考察数据来进行科学研究，因此目前有关牛奶海的组成、结构、成因及其在自然界中的意义等问题仍然没有准确的答案。

　　牛奶海比较大的空间范围(一般大于6000km2)和稳定的发光特征使其有机会能够被卫星上的微光成像仪捕捉到。1995年1月25日DMSP/OLS探测到了在索马里海岸附近约15000km2的生物发光信号，这是人类首次从卫星平台观察到牛奶海，但缺乏实地考察数据进行研究和验证。2019年7月下旬至9月上旬VIIRS/DNB观测到印度尼西亚爪哇岛南部的面积超过10万km2的牛奶海，当时Ganesha号游艇正好经过，Miller等根据船员的描述和照片对DNB观测到的牛奶海事件进行了分析和评估，这对牛奶海的科学研究和分析具有开创性的意义。微光成像仪对牛奶海现象的探测，尤其是对其产生区域和移动轨迹的分析，对海洋生物和环境研究有着重要的作用。未来如果能够在微光成像仪上专门设计针对青色／绿色细菌发射线的通道，将有助于推动有关牛奶海的科学研究。

　　3.3环境监测领域

　　3.3.1气溶胶

　　近年来，随着中国工业化和城市化的快速发展，大气污染问题越来越严重，气溶胶PM2.5等大气颗粒物浓度不断增加，成为空气污染的首要污染物。气溶胶PM2.5是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物，它能较长时间悬浮于空气中，给人类健康带来了严重影响，同时还会间接影响气候环境。气溶胶光学厚度(AerosolOpticalDepth，AOD)作为表征全球大气气溶胶分布最重要的光学参数之一，通常从各种卫星光学传感器探测得到，仅能在白天获取，红外探测对气溶胶颗粒尺寸缺乏敏感性，不能为气溶胶精细模式提供夜间观测，激光雷达虽然可以提供非常精细的白天至夜间的气溶胶垂直分布，但受到时空覆盖范围弱的限制。微光成像仅具有生产夜间全球AOD产品的潜力，有助于进一步了解夜间气溶胶的化学演变和日变化特征，对提高空气污染模型的预测精度具有重要意义。

　　由于地面光源发射的辐射信号在经过大气时会被气溶胶粒子散射而削弱，—些研究通过利用城市灯光的衰减程度来反演夜间气溶胶光学厚度。Zhang等使用未定标的DMSP/OLS,探索了利用人造光源的衰减程度来反演夜间气溶胶光学厚度的可能性，揭示了星载微光成像仪反演夜间城市上空AOD的潜力。在此基础上，Johnson等使用NPP卫星VIIRS/DNB数据时发现人造光源和附近暗背景区域的辐射值差值可用于反演AOD。McHardy等提出了一种基于归一化辐射标准差(normalizedstandarddeviationofradiance)的AOD反演方法，与辐射值相比归一化辐射标准差主要依赖于卫星观测角，对月球照明比例和月球方位角依赖较弱，因此在进行夜间AOD反演时更为鲁棒，同时能够消除对附近暗背景的参考辐射值和空间不变假设的依赖。Zhang等将McHardy的夜间AOD反演方法应用于美国、中东和印度3个区域并与AERONET和云气溶胶激光雷达(Cloud-AerosolsLidarandOrthogonalPolarization，CALIOP)同步反演结果进行验证，结果表明VIIRS/DNB反演的结果与AERONET和CALIOP同步反演的结果具有较好的一致性，证明了微光成像仪在提供区域和全球范围夜间气溶胶分布和、日变化特征方面具有巨大潜力。姜梦蝶等基于大气辐射传输理论提出了改进的“消光法”以消除大气程辐射的影响，并反演了中国华北地区的夜间气溶胶光学厚度。

　　与此同时还有一部分研究利用夜间AOD和PM2.5较高的相关关系进一步反演夜间PM2.5的分布。Wang等根据气溶胶吸湿性和比尔定律构建了PM2.5浓度与DNB辐射度的简单线性回归模型，线性相关系数为0.67，揭示了DNB在夜间空气质量监测中的潜在能力。Fu等基于气溶胶单次散射的假设开发了一个混合效应模型来估算中国北京地区的月PM2.5浓度。Xu等指出PM2.5浓度的时空分布是一个受多种因子影响的复杂地理现象，包括社会经济因子和自然条件因子，需要结合多种数据进行分析。Wang等基于多源数据和监测站PM2.5浓度数据分析指出气象要素与PM，．浓度的相关性较大，其次是夜间光辐射，地形要素和PM2.5浓度的相关性最小。Zhang等结合气象数据和卫星观测数据，包括珞珈1号夜间灯光影像，构建地理加权回归模型(GeographicallyWeightedRegression,GWR)来估算PM2.5浓度，结果表明添加夜间光图像信息可以有效提高PM2.5预测模型的性能。

　　需要注意的是，目前基于地面稳定光源的夜间AOD反演算法均依赖于气溶胶单散射假设，忽略了DNB光谱范围内气体的多次散射和吸收作用，存在较大的不确定性，Wang等使用夜间微光辐射传输模式对反演的不确定性进行了定量评估。在此之前，Min等也发展了一套用于夜间辐射传输计算的辐射传输模式，旨在用于夜间卫星微光数据的定量应用。Min等在2017年和2021年还指出对月球光谱辐射周期性变化会对辐射传输模式中的粒子体散射和平面平行假设模拟计算带来误差，精确反演夜间AOD难度较大。与此同时我们对夜间城市灯光角度分布的了解仍然十分有限，反演仅限于与周围暗区域对比度高且具有稳定亮度的城市区域，在农村和野外等偏远地区无法应用。因此，Zhou等提出在没有地面稳定光源的偏远农村地区，利用信号较强的后向散射的月光来反演夜间气溶胶光学厚度，并取得了一定的效果。

　　3.3.2火灾监测

　　自Matson等于1981年首次从卫星红外波段观测到火灾，卫星就成为进行全球火灾监测的重要技术手段。传统的火灾监测算法利用中波红外(4μm)和长波红外(11μm)的亮温差来识别火点像素(Hotspot)，Suomi-NPPVIIRS的出现使得近几年遥感检测火灾的发展重点从中波红外转移到波长更短的短波红外(Short-wavelengthInfrared，SWIR)和微光通道中。与中波红外相比，SWIR和微光通道对火点有更高的灵敏度，但在白天会受到太阳辐射的污染，因此只能在夜间使用。VIIRS/DNB对750K温度以下生物质燃烧的探测能力有限，但在温度达到1000K以上时的最小探测阈值非常低，在1500K时最小可探测到0.01m2范围的火点，在1800K时甚至可以低至0.001m2，远远小于红外波段0.26m2的最小探测阈值，如此低的探测阈值使得DNB可以检测到许多在波长较长的红外波段中无法检测到的小燃烧源。Polivka等在4μm亮温的基础上加入DNB数据，从而可以利用更小的阈值来筛选出面积更小，温度更低的潜在火点，能够提早检测到刚开始燃烧的火点，有利于相关部门在火灾仍处于可控制状态时及时进行预警和响应。

　　除了火灾检测，短波红外通道和DNB通道的加入有利于提取出与夜间火情相关的特征。Elvidge等基于1.6μm短波红外波段和其他红外波段开发了一套VIIRS夜间火点检测算法(theVIIRSNightfire，VNF)，并利用普朗克曲线拟合提取了包括火点温度、过火面积和辐射亮度的亚像素级的火灾特征。联合微光通道与红外通道能够定量识别火灾燃烧阶段(combustionphase)，从而更好地评估火灾气体排放及其对大气产生的影响。在燃烧过程中周围空气分子吸收燃烧产生的大量能量而受到激发，并以火焰的形式发射出可见光辐射，微光成像仪可以在夜间探测到这部分信号。如果一个像素温度很高，并且发射出明亮的可见光，那么该像素中的火应处于明燃阶段(flaming)，若没有探测到明显的可见光则可能处于阴燃阶段(smoldering)。Wang等L85l利用VIIRS的DNB和中波红外波段分别计算出可见光功率(VisibleLightPower，VLP)与火灾辐射功率(FireRadiativePower，FRP)，并将二者的比值定义为可见光能量分数(VisibleEnergyFraction，VEF)，以此作为火灾燃烧阶段的指标，并进一步定量估计出火灾排放因子(EmissionFactor，EF)。此外，灾后还可以根据过火区域的月光反照率的降低程度来评估火灾灾情。

　　4结语

　　前文的总结分析清晰地展示了星载微光成像仪观测资料的巨大应用潜力（特别是NPPVIIRS/DNB发射之后），相关的研究正处于快速发展的阶段。国内外学者对微光成像仪数据的深入研究表明，微光数据能够很好地用于夜间大气、海洋和环境的监测，包括夜间低云大雾监测、火灾和海洋内波等，可以有效支撑相关科学研究和防灾减灾，为人类在夜间打开一扇新的全球观测之窗。虽然近年来基于夜间微光成像仪的研究和应用无论从深度还是广度均取得了诸多成果，但还是存在一些不足，特别是各领域研究的发展进程不一致，多数研究仍处于起步和定性应用研究阶段，精确的定量研究和应用仍然十分匮乏，这也制约了微光观测资料的进一步应用推广，主要的原因是微光通道辐射定标精度仍存在一定的不确定性，并且支撑定量应用的夜间快速大气辐射传输理论和模式研究仍不完善。通过对现有研究成果和存在的不足进行总结分析，我们相信夜间星载微光成像仪在未来还会持续发展和进一步被广泛应用，更多新的应用方向和领域还将被持续拓展。

　　总的来说，未来星载微光探测数据能否得到充分应用在很大程度上依赖于载荷探测资料是否得到了精确的辐射定标、通道数量和中心波长的设置以及探测灵敏度等。提高微光成像仪的夜间辐射定标精度以达到与传统白天成像仪相近的精度是当前的研究热点，但仍然具有一定的挑战性，缺乏有效可靠的星上定标技术是阻碍微光通道定标质量提高的一大技术难题。随着微光成像仪辐射定标精度的提高，对数据精度有较高要求的各类定量遥感应用将得到迅速发展，特别是在大气、海洋和环境领域中得到更多定量和业务化应用。

　　除了提高时空分辨率和探测灵敏度，还需要针对地面光源独特的发射光谱特性设计多通道微光成像仪。Elvidge等提出应在0.4～1.0μm处设置3～5个独立的探测波段实现夜间真彩色观测能力以区分地面灯光，但这些通道设置都是从社会经济领域应用出发的。针对大气、海洋和环境科学领域的应用，同时结合月球光谱特性，我们认为针对地学的应用需要在7～800km轨道高度（与风云3号气象卫星轨道高度类似）发展对云、气溶胶、火点和积雪等敏感的夜间微光探测通道（如0.47μm和1.6μm等），最终微光成像仪可以达到水平空间500m分辨和3000km左右幅宽的观测能力。理论上，如果设置0.47μm、0.55μm、0.67μm、0.86μm和1.60μm的卫星微光多通道组合成像仪，可以很好地实现夜间真彩色图像合成、气溶胶特性定量反演、云相态和类型识别、低云和大雾的准确区分、云光学特性反演、火点识别以及积雪判识等关键应用。同时，还能通过对有云和晴空像元的准确识别，提高同平台红外高光谱探测器和微波探测器的数值天气预报资料同化应用效果。目前，几乎所有有关气溶胶气候环境效应的研究均是集中在白天。所以，夜间多通道微光成像仪的发展最有可能带来的巨大科学突破是让我们更加深入地理解气溶胶粒子在夜间的气候环境效应，特别是更加清晰地揭示夜间气溶胶是如何通过间接效应影响全球云或降水的形成和演变，为全球气候环境变化和中尺度气象应用研究打开一扇新的窗口。

　　其次，当前的微光成像仪主要搭载在与太阳同步的极地轨道卫星平台上，中低纬度地区每晚只能观测到1～2次，时间分辨率较差成为当前微光数据应用的一个主要限制。因此，在现有风云4号静止卫星基础上，应大力发展静止轨道的微光成像技术，以具备高时空分辨率的夜间微光观测能力，至少达到2km的空间分辨率和15～30min完成1次全盘扫描的观测能力。这些指标都是为了更好地服务天气和海洋环境监测和预报预警的迫切需求，为防灾减灾和生态文明建设国家需求服务。相比于极轨卫星，静止轨道卫星微光成像仪的发展会极大地促进卫星资料定量应用水平的飞跃式发展，例如气象上可以实现台风的无缝隙可见光监测，还可以观测夜间灯光及人类活动的动态特征从而为社会经济发展和政府决策提供最可靠的实时资料等。当然，星载探测器的灵敏度与观测距离的平方成反比，所以未来发展灵敏更高的静止轨道(36000km轨道高度)微光探测器将是一项需要突破的关键核心技术。

　　                                                          摘自：《地球科学进展》2023年第5期