CN103926591B - 一种基于卫星2.0微米通道数据的卷云识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于卫星2.0微米通道的卷云识别方法，包括步骤：根据卫星数据，利用正向模型模拟不同观测几何条件下，无散射因子、有卷云以及有气溶胶时2.0微米通道和氧气A带通道的卫星观测谱线模拟值；分析2.0微米通道和氧气A带通道卫星观测谱线模拟值的统计特征，包括谱均值和谱方差；读入卫星氧气A带通道和2.0微米通道数据，生成卫星实测谱线值；计算两个通道卫星实测谱线值的统计特征，对照两通道卫星谱线模拟值的统计规律，识别卫星观测视场内是否存在卷云：首先通过氧气A带通道卫星谱线实测值的谱均值判定是否有散射影子影响；在有散射因子影响时，运用2.0微米通道卫星谱线实测值的谱方差确定卷云、或气溶胶。本发明为解决短波近红外卫星CO2遥感反演过程中卷云散射影响的问题，提供了快速有效的效的技术方法。

Description

一种基于卫星2.0微米通道数据的卷云识别方法
技术领域
本发明涉及卫星大气遥感技术领域，尤其涉及卫星遥感数据反演中的卷云识别方法。
背景技术
IPCC认为，近一个世纪以来大气二氧化碳浓度的迅速上升导致了全球气候变暖，二氧化碳的浓度及其空间分布是全球气候变化评估中的主要不确定因素之一。由于二氧化碳的主要源汇集中在近地层大气，所以大气底层二氧化碳浓度的分布成为研究热点。传统地基观测网点分布稀疏，其观测数据不能满足应用需求，卫星遥感技术则可以弥补地基点观测数据有限的缺陷。美国于20世纪七十年代最先设计了由于大气遥感探测的卫星传感器HIRS，早期主要用于探测大气中二氧化碳和水汽，反演大气的温度廓线。早期的传感器主要利用大气的热辐射信息，卫星传感器记录的热辐射数据对近地层大气状态参数不敏感，包含的近地层大气状态信息量很少。对于温室气体卫星遥感来说，短波近红外遥感方式则可以弥补热红外遥感的这一缺陷，该波段范围内卫星传感器接收的是经过地表反射的太阳辐射，包含了近地层大气状态参数信息。当前唯一在轨运行观测的温室气体短波近红外卫星监测主要来自日本GOSAT卫星上搭载的TANSO-FTS传感器。TANSO-FTS具有极高光谱分辨率，可以提供上千通道的观测数据，这其中包含了精细的二氧化碳吸收信号。
然而，短波近红外通道观测数据容易受到云的影响，云散射会给反演结果带来巨大误差。低层可视的云象元一般通过可见光通道的云掩码数据进行去除，但是该方式不能有效地识别高空卷云的存在。GOSAT卫星TANSO-FTS传感器设计了二氧化碳的2.0微米以及辅助的氧气A带同步观测通道，气溶胶及卷云散射对这两个辅助通道观测影响明显，且散射特征随通道变化而变化。需要利用卫星观测数据识别卷云的存在，消除短波近红外卫星二氧化碳遥感反演过程中卷云散射影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何利用卫星2.0微米波段观测数据和氧气A带辅助同步观测数据识别卷云。
本发明提出的一种基于卫星2.0微米通道数据的卷云识别方法，步骤包括：
步骤S1、利用正向模型模拟计算不同观测几何条件下，观测视场内无散射因子、有散射因子(有卷云或有气溶胶)时2.0微米通道和氧气A带通道的卫星观测谱线模拟值；
步骤S2、分析所述2.0微米通道和氧气A带通道卫星观测谱线模拟值的统计特征，具体包括：
分析氧气A带通道观测谱线模拟值，统计无散射因子情况下，所述氧气A带通道观测谱线模拟值的谱均值随观测几何的变化规律，确定观测视场内无散射因子时的谱均值M0范围M0±Δ；
分析2.0微米通道观测谱线模拟值，分别统计有卷云、有气溶胶两种情况下，所述2.0微米通道观测谱线模拟值的谱方差σ1、σ2随观测几何的变化规律，有卷云谱方差范围为σ1±δ1，有气溶胶谱方差范围为σ2±δ2；
步骤S3、读入卫星氧气A带通道和2.0微米通道数据，生成卫星实测谱线值；
步骤S4、计算卫星氧气A带通道和2.0微米通道卫星实测谱线值的统计特征，对照两通道所述卫星观测谱线模拟值的统计规律，识别卫星观测视场内是否存在卷云或气溶胶，具体包括：
分别统计所述氧气A带通道卫星实测谱线值的谱均值MA和所述2.0微米通道卫星实测谱线值的谱方差σB；
利用氧气A带通道卫星实测谱线值的谱均值MA，对照所述氧气A带通道观测谱线模拟值的谱均值范围，判断是否受到散射因子的影响，如果M0-Δ<MA<M0+Δ,则判断为未受到散射因子影响；否则判断为受到散射因子的影响；
卫星实测谱线值受到散射因子影响的，对照所述2.0微米通道观测谱线模拟值的谱方差σ1、σ2，所述2.0微米通道卫星实测谱线值的谱方差σB在有卷云谱方差范围σ1±δ1内时，则判定观测视场中存在卷云；所述2.0微米通道卫星实测谱线值的谱方差σB在有气溶胶谱方差范围σ2±δ2内时，则判定观测视场中存在气溶胶。
本发明依据卫星2.0微米通道受卷云影响后观测谱线结构特征的变化规律，利用辅助的卫星氧气A通道谱线数据特点，简单快速识别卫星观测中卷云象元，为解决短波近红外卫星二氧化碳遥感反演过程中卷云散射影响的问题，提供了快速有效的技术方法。
附图说明
图1是依照本发明实施方案的一种基于卫星2.0微米通道数据的卷云识别方法流程图
图2是无散射、有卷云和气溶胶影响下的氧气A带通道观测谱线模拟值的统计规律
图3是有卷云和气溶胶影响下的2.0微米通道观测谱线模拟值的统计规律
图4是卫星氧气A通道和2.0微米通道卫星实测谱线值示意图
具体实施方案
下面结合附图及实施例详细说明如下。
如图1所示，依照本发明一种基于卫星2.0微米通道数据的卷云识别方法步骤包括：
步骤S1、根据GOSAT卫星数据，利用正向模型模拟不同观测几何条件下，观测视场内无散射因子、有散射因子(包括有卷云以及有气溶胶时)2.0微米通道和氧气A带通道的卫星观测谱线模拟值；
步骤S1进一步包括：
S1.1、根据GOSAT卫星数据特征，正向模拟不同观测几何条件下2.0微米通道，在无散射因子、有卷云以及有气溶胶时的卫星观测谱线模拟值；
S1.2、根据GOSAT卫星数据特征，正向模拟不同观测几何条件下氧气A带通道，在无散射因子、有卷云以及有气溶胶时的卫星观测谱线模拟值；
S1.3、建立两个通道卫星观测谱线在无散射因子影响时以及受不同类型卷云、气溶胶影响时的查找表数据；
S2、统计查找表中2.0微米通道和氧气A带通道卫星谱线模拟值的统计特征，分析视场内无散射因子、有卷云、有气溶胶三种情形时两个通道卫星观测谱线模拟值的统计特征；
步骤S2进一步包括：
S2.1、如图2所示，分析氧气A带通道观测谱线模拟值，统计无散射因子、有卷云、有气溶胶情况下，所述氧气A带通道观测谱线模拟值的谱均值随观测几何的变化规律，确定观测视场内无散射因子时的谱均值M0变化范围M0±Δ；
S2.2、如图3所示，分析2.0微米通道观测谱线模拟值，分别统计有卷云、有气溶胶两种情况下，所述2.0微米通道观测谱线模拟值的谱方差σ1、σ2随观测几何的变化规律，有卷云谱方差范围为σ1±δ1，有气溶胶谱方差范围为σ2±δ2；
S3、读入GOSAT卫星氧气A带通道和2.0微米通道数据，生成卫星实测谱线值；
步骤S3进一步包括：
S3.1、读入GOSAT卫星2.0微米和氧气A带通道数据，由于GOSAT卫星的TANSO-FTS传感器是偏振传感器，其观测数据包括P、S两个方向的偏振分量，需要分别将两通道的偏振数据转换为标量数据，偏振数据转换成标量数据的方式为：I＝(P+S)/2，式中，I为偏振数据转为标量后的值，P、S分别表示GOSAT卫星传感器两个偏振方向上的观测值。
S3.2、利用GOSAT卫星两个通道的辐射定标系数，将标量的DN值转换为辐亮度值；
步骤S4、计算两个通道GOSAT卫星实测谱线值的统计特征，对照步骤S2中两通道卫星谱线模拟值的统计规律，识别GOSAT卫星观测视场内卷云存在与否。
步骤S4进一步包括：
S4.1、如图4所示，分别统计S3.2中计算得到氧气A带通道和2.0微米通道卫星实测谱线值的谱均值MA和谱方差σB；
S4.2、大气中氧气浓度稳定且已知，其相应的吸收特征也相对稳定，对照S2.1中的分析结果，即无散射因子、有卷云以及有气溶胶三种情况下氧气A带卫星观测谱线模拟值，统计GOSAT卫星氧气A带通道卫星实测谱线值的谱均值MA，比较其与S2.1中确定的3种情况下谱均值距离，若离无散射因子的谱均值最近(如M0-Δ<MA<M0+Δ)，则卫星实测谱线值未受散射因子的影响；否则，则进入S4.3；
S4.3、对照气溶胶和卷云影响下2.0微米通道卫星观测谱线模拟值的谱方差分布，当S4.1中计算得到的2.0微米通道卫星实测谱线值谱方差σB在有卷云谱方差范围σ1±δ1内时，则判定观测视场中存在卷云；所述2.0微米通道卫星实测谱线值的谱方差σB在有气溶胶谱方差范围σ2±δ2内时，则判定观测视场中存在气溶胶。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (4)

1.一种基于卫星2.0微米通道数据的卷云识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用正向模型模拟计算不同观测几何条件下，观测视场内无散射因子、有卷云或有气溶胶时2.0微米通道和氧气A带通道的卫星观测谱线模拟值；
分析氧气A带通道观测谱线模拟值，统计无散射因子情况下，所述氧气A带通道观测谱线模拟值的谱均值随观测几何的变化规律，确定观测视场内无散射因子时的谱均值范围；
分析2.0微米通道观测谱线模拟值，统计有卷云情况下，所述2.0微米通道观测谱线模拟值的谱方差随观测几何的变化规律，确定有卷云谱方差范围；
读入卫星氧气A带通道和2.0微米通道数据，生成卫星实测谱线值；
统计所述氧气A带通道卫星实测谱线值的谱均值和所述2.0微米通道卫星实测谱线值的谱方差；
利用氧气A带通道卫星实测谱线值的谱均值，对照所述氧气A带通道观测谱线模拟值的谱均值范围，判断是否受到散射因子的影响；
卫星实测谱线值受到散射因子影响时，对照所述2.0微米通道观测谱线模拟值的谱方差，所述2.0微米通道卫星实测谱线值的谱方差在有卷云谱方差范围内时，则判定观测视场中存在卷云。
2.如权利要求1所述基于卫星2.0微米通道数据的卷云识别方法，其特征在于，还包括以下步骤：
分析2.0微米通道观测谱线模拟值，统计有气溶胶情况下，所述2.0微米通道观测谱线模拟值的谱方差随观测几何的变化规律，确定有气溶胶谱方差范围；
当卫星实测谱线值受到散射因子影响时，对照所述2.0微米通道观测谱线模拟值的谱方差，所述2.0微米通道卫星实测谱线值的谱方差在有气溶胶谱方差范内时，则判定观测视场中存在气溶胶。
3.如权利要求1或2所述基于卫星2.0微米通道数据的卷云识别方法，其特征在于，所述卫星氧气A带通道和2.0微米通道数据来自GOSAT卫星的TANSO-FTS传感器。
4.如权利要求3所述基于卫星2.0微米通道数据的卷云识别方法，其特征在于，所述生成卫星实测谱线值的方法是：
分别将GOSAT卫星氧气A带通道和2.0微米通道的偏振数据转换为标量数据；
利用GOSAT卫星两个通道的辐射定标系数，将标量的DN值转换为辐亮度值。
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