CN110132416B - 宽波段遥感器在轨光谱定标方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种宽波段遥感器在轨光谱定标方法及装置，所述方法包括：获取光谱观测矩阵、卫星观测数据和预设光谱响应向量；通过所述光谱观测矩阵和所述卫星观测数据得到光谱响应向量的目标函数，计算得到所述目标函数相对于所述预设光谱响应向量的梯度；根据所述目标函数，计算得到目标光谱响应向量，且所述目标光谱响应向量使所述梯度和/或目标函数达到预先设定的标准，实现了在轨对光谱响应的计算进而完成光谱定标，对所有通道式探测器数据质量的提高有重要意义。
Description
技术领域
本发明实施例涉及数据处理技术领域，尤其涉及一种宽波段遥感器在轨光谱定标方法及装置。
背景技术
卫星资料从星上下发的原始数据到提供给用户应用使用的卫星观测辐射产品，中间必须经过严格的解码、定位、定标等的数据预处理过程。卫星资料的定标精度是其定量化应用的基本保障。卫星资料的观测精度除了与卫星及仪器制造工艺水平有关，地面数据预处理过程中的定标问题是其中一个关键环节，直接影响卫星资料的定量应用能力。定标过程主要包括辐射定标和光谱定标。光谱定标是为了确定遥感器对辐射的光谱响应向量特征，是仪器各光学部件反射和透射特性以及探测器光谱响应向量特性的综合表现，通常以归一化的光谱响应向量函数(Spectral Response Function，SRF)的形式表示。光谱响应向量特性决定了遥感器能够探测到目标辐射的光谱位置及其宽度，直接影响观测到的地球目标辐射及星上定标装置的反射或发射辐射。大多定量应用都需要借助SRF确定通道的模拟辐射。因此，光谱定标精度不仅直接影响卫星观测精度，同时也影响卫星资料在数值预报模式、产品反演等方面的定量应用精度。
确定光谱响应向量函数的标准方法是利用单色仪和标准光源测量遥感器光学系统对每个单色光源的响应,但是这在卫星入轨后很难实现。一是由于对于大部分在轨遥感器没有用于光谱定标的单色光源装置。二是即使有星上的光谱定标装置，也可能会发生衰变从而影响绝对测量结果，而这种变化是无法在轨进行评估的。因此，卫星发射后通常采用发射前实验室测量结果来表征仪器在轨光谱响应向量状态。然而受各种因素的影响，仪器的在轨光谱响应向量特性可能会发生显著变化，发射前测量结果无法真实反映仪器的在轨特征。光谱响应向量函数的变化带来的是观测辐射的变化。卫星红外通道特别是气体吸收通道接收到的辐射能量对光谱响应向量十分敏感，光谱定标的不确定性对卫星辐射观测精度有重要影响。
发明内容
本发明实施例提供一种宽波段遥感器在轨光谱定标方法及装置，用以解决现有技术中无法在轨对光谱响应向量进行测量的缺陷。
第一方面，本发明实施例提供一种宽波段遥感器在轨光谱定标方法，包括：
获取光谱观测矩阵、卫星观测数据和预设光谱响应向量；
通过所述光谱观测矩阵和所述卫星观测数据得到光谱响应向量的目标函数，计算得到所述目标函数相对于所述预设光谱响应向量的梯度；
根据所述目标函数，计算得到目标光谱响应向量，且所述目标光谱响应向量使所述梯度和/或目标函数达到预先设定的标准。
第二方面，本发明实施例提供一种宽波段遥感器在轨光谱定标装置，包括：
获取模块，用于获取光谱观测矩阵、卫星观测数据和预设光谱响应向量；
计算模块，用于通过所述光谱观测矩阵和所述卫星观测数据得到光谱响应向量的目标函数，计算得到所述目标函数相对于所述预设光谱响应向量的梯度；
优化模块，用于根据所述目标函数，计算得到目标光谱响应向量，且所述目标光谱响应向量使所述梯度和/或目标函数达到预先设定的标准。
第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器通过总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如下方法：
获取光谱观测矩阵、卫星观测数据和预设光谱响应向量；
通过所述光谱观测矩阵和所述卫星观测数据得到光谱响应向量的目标函数，计算得到所述目标函数相对于所述预设光谱响应向量的梯度；
根据所述目标函数，计算得到目标光谱响应向量，且所述目标光谱响应向量使所述梯度和/或目标函数达到预先设定的标准。
第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机程序，包括程序代码，所述程序代码用于执行如下操作：
所述处理器用于调用所述存储器中的逻辑指令，以执行如下方法：
获取光谱观测矩阵、卫星观测数据和预设光谱响应向量；
通过所述光谱观测矩阵和所述卫星观测数据得到光谱响应向量的目标函数，计算得到所述目标函数相对于所述预设光谱响应向量的梯度；
根据所述目标函数，计算得到目标光谱响应向量，且所述目标光谱响应向量使所述梯度和/或目标函数达到预先设定的标准。
第五方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时用于存储如前所述的计算机程序的方法。
本发明实施例提供的宽波段遥感器在轨光谱定标方法及装置，通过利用高光谱观测模拟来替代辐射传输模拟，通过反演计算得到目标函数，进而通过不断的迭代，得到最优的目标光谱响应向量，实现了在轨对光谱响应的计算进而完成光谱定标，对所有通道式探测器数据质量的提高有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的宽波段遥感器在轨光谱定标方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的基于高光谱观测资料的光谱响应函数误差影响和漂移订正效果模拟试验示意图；
图3为本发明实施例提供的宽波段遥感器在轨光谱定标装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的计算机设备的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的宽波段遥感器在轨光谱定标方法的流程示意图，如图1所示，所述方法包括：
S101、获取光谱观测矩阵、卫星观测数据和预设光谱响应向量；
S102、通过所述光谱观测矩阵和所述卫星观测数据得到光谱响应向量的目标函数，计算得到所述目标函数相对于所述预设光谱响应向量的梯度；
S103、根据所述目标函数，计算得到目标光谱响应向量，且所述目标光谱响应向量使所述梯度和/或目标函数达到预先设定的标准。
具体地，卫星资料从星上下发的原始数据到提供给用户应用使用的卫星观测辐射产品的过程中，是将技术只转换成辐射值，中间过程中必须经过严格的解码、定位、定标等的数据预处理过程。在众多参考数据中，光谱响应特性是卫星资料应用中一个非常重要的参数，决定了遥感器能够探测到的特征辐射。研究表明，卫星发射后遥感器光谱响应可能发生显著变化，造成观测偏差可达2-3K，而定量应用误差可达30％，严重影响卫星数据质量及其定量应用效果。
由于缺乏星上光谱测量装置，红外通道光谱响应无法实现在轨测量，本发明实施例提供一种宽波段遥感器在轨光谱定标方法，如图1所示，所述方法包括：获取光谱观测矩阵、卫星观测数据和预设光谱响应向量，其中，在实际操作中，设置两个卫星来分别获取光谱观测矩阵和卫星观测数据，预设光谱响应向量是用户根据需要自行设定的；
通过所述光谱观测矩阵和所述卫星观测数据得到光谱响应向量的目标函数，计算得到所述目标函数相对于所述预设光谱响应向量的梯度；
具体地，将光谱响应向量和实际获取的卫星观测数据通过光谱观测矩阵建立关系，在实际计算中，首先建立光谱响应向量X和光谱通道光谱观测矩阵A进行卷积，具体公式如下所示：
F(X)＝X×A (1)
其中，F(X)表示根据不同的光谱响应向量计算得到的观测数据。
给定不同的光谱响应向量，计算得到多个不同的观测数据，并将计算得到的多个观测数据与实际获取到的卫星观测数据进行匹配，通过两者的关系，得到目标函数，并计算得到所述目标函数相对于所述预设光谱响应向量的梯度；
对得到的目标函数进行处理，计算得到目标光谱响应向量，且所述目标光谱响应向量使所述梯度和/或目标函数达到预先设定的标准。例如，可通过反演计算得到目标函数，对所述目标函数进行不断的迭代，计算得到所述目标光谱响应向量，在迭代的过程中，直到所述梯度和/或目标函数达到预先设定的标准，例如若所述梯度小于第一预设值，或/和所述目标函数值达到第二预设值，迭代停止，则得到最优的光谱响应向量。
本发明实施例提供的宽波段遥感器在轨光谱定标方法，通过利用高光谱观测模拟来替代辐射传输模拟，通过反演计算得到目标函数，进而通过不断的迭代，得到最优的目标光谱响应向量，实现了在轨对光谱响应的计算进而完成光谱定标，对所有通道式探测器数据质量的提高有重要意义。
本发明实施例从定量遥感的需求出发，基于一维变分原理，针对通道式遥感器研究其红外通道在轨光谱定标方法，发展基于高光谱同步观测资料的光谱响应函数的解析算法，实现对光谱漂移和形变误差的同时订正。本发明实施例可解决通道式遥感器无法实现在轨光谱定标的难题，有助于提高卫星数据质量以及定量产品精度，不仅具有较高科学研究意义，更具广泛业务推广价值。
可选地，所述根据所述目标函数，计算得到目标光谱响应向量具体为：采用牛顿迭代法，对所述目标函数进行求解，得到目标光谱响应向量。
在上述实施例的基础上，在得到所述目标函数后，采用迭代的方式对所述目标函数进行求解，本发明实施例优选地采用牛顿迭代进行方程求解，不断进行迭代，直到满足收敛判据，即
收敛判据为
可选地，所述目标函数利用光谱响应向量与所述光谱观测矩阵的卷积、定标公式通过反演计算得到。
在上述实施例的基础上，利用星上定标参数，引入定标公式，使得SRF反演和辐射定标更新同步进行：
其中TBB表示等效黑体亮温，Ce、Cs、CBB分别表示探测器对地球、冷空和黑体观测的响应计数值，S(TBB)为普朗克等效黑体辐射光谱。
结合上述的公式(1)和公式(2)，计算得到所述目标函数为：
其中：J(X)表示目标函数；
X表示光谱响应向量；
γ表示权重系数；
Xb表示预设光谱响应向量；
TBB表示等效黑体亮温；
A表示光谱观测矩阵；
Ce表示探测器对地球观测的响应计数值；
Cs表示探测器对冷空观测的响应计数值；
CBB表示探测器对黑体观测的响应计数值；
S(TBB)表示普朗克等效黑体辐射光谱。
本发明实施例从定量遥感的需求出发，基于一维变分原理，针对通道式遥感器研究其红外通道在轨光谱定标方法，发展基于高光谱同步观测资料的光谱响应函数的解析算法，实现对光谱漂移和形变误差的同时订正。本发明实施例可解决通道式遥感器无法实现在轨光谱定标的难题，有助于提高卫星数据质量以及定量产品精度，不仅具有较高科学研究意义，更具广泛业务推广价值。
图2为本发明实施例提供的基于高光谱观测资料的光谱响应函数误差影响和漂移订正效果模拟试验示意图，如图2所示，左图显示通道光谱响应函数分布，其中Origin表示实验室测量FY2F水汽通道SRF，Real为假设的发生漂移和形变的在轨真实SRF；基于任一晴空光谱计算使观测误差最小光谱漂移(平移)修正量，将其应用到其他光谱情况，右图显示了分别基于Origin SRF(Uncorrected)和漂移订正后的SRF(ShiftCorrected)卷积得到的观测辐射与真实情况的相对偏差分布。
另外，建立误差协方差矩阵分析和计算方法，获得误差协方差矩阵计算方案；
单单从公式(3)中看，是看不出误差协方差矩阵的。但是如果将公式(3)改为如下形式：
其中Sy为观测和模拟误差协方差矩阵，一般来说由观测仪器生产厂家给出，而实际上很多情况之下，观测仪器生产厂家可能会给出仪器观测精度，但不会给出资料同化研究者需要的误差协方差矩阵。因此在实际科研或业务过程中，需要科研人员或者业务工作人员，根据具体的同化结果，结合自己的经验进行逐步调整。所以在本发明实施例中，如果观测仪器生产厂家不能给出误差协方差矩阵，也只能先根据理想试验对比模拟的结果，估算误差协方差矩阵，然后根据实际模拟的结果逐渐调整误差协方差矩阵。
其中Sb为背景误差协方差矩阵，一般由模式开发者提供，根据具体的向前模式(观测算子)的不同而取不同的值，甚至根据不同的同化试验方法，也会取不同的值。
图3为本发明实施例提供的宽波段遥感器在轨光谱定标装置的结构示意图，如图3所示，所述装置包括：获取模块10、计算模块20和优化模块30，其中：
获取模块10用于获取光谱观测矩阵、卫星观测数据和预设光谱响应向量；
计算模块20用于通过所述光谱观测矩阵和所述卫星观测数据得到光谱响应向量的目标函数，计算得到所述目标函数相对于所述预设光谱响应向量的梯度；
优化模块30用于根据所述目标函数，计算得到目标光谱响应向量，且所述目标光谱响应向量使所述梯度和/或目标函数达到预先设定的标准。
本发明实施例提供宽波段遥感器在轨光谱定标装置，其中，获取模块10获取光谱观测矩阵、卫星观测数据和预设光谱响应向量；计算模块20通过所述光谱观测矩阵和所述卫星观测数据得到光谱响应向量的目标函数，计算得到所述目标函数相对于所述预设光谱响应向量的梯度；优化模块30根据所述目标函数，计算得到目标光谱响应向量，且所述目标光谱响应向量使所述梯度和/或目标函数达到预先设定的标准。
本发明实施例提供的宽波段遥感器在轨光谱定标方法及装置，通过利用高光谱观测模拟来替代辐射传输模拟，通过反演计算得到目标函数，进而通过不断的迭代，得到最优的目标光谱响应向量，实现了在轨对光谱响应的计算进而完成光谱定标，对所有通道式探测器数据质量的提高有重要意义。
可选地，所述根据所述目标函数，计算得到目标光谱响应向量具体为：采用牛顿迭代法，对所述目标函数进行求解，得到目标光谱响应向量。
在上述实施例的基础上，在得到所述目标函数后，采用牛顿迭代进行方程求解，不断进行迭代，直到满足收敛判据，即
收敛判据为
可选地，所述目标函数利用光谱响应向量与所述光谱观测矩阵的卷积、定标公式通过反演计算得到。
在上述实施例的基础上，利用星上定标参数，引入定标公式，使得SRF反演和辐射定标更新同步进行：
其中TBB表示等效黑体亮温，Ce、Cs、CBB分别表示探测器对地球、冷空和黑体观测的响应计数值，S(TBB)为普朗克等效黑体辐射光谱。
结合上述的公式(1)和公式(2)，计算得到所述目标函数为：
其中：J(X)表示目标函数；
X表示光谱响应向量；
γ表示权重系数；
Xb表示预设光谱响应向量；
TBB表示等效黑体亮温；
A表示光谱观测矩阵；
Ce表示探测器对地球观测的响应计数值；
Cs表示探测器对冷空观测的响应计数值；
CBB表示探测器对黑体观测的响应计数值；
S(TBB)表示普朗克等效黑体辐射光谱。
本发明实施例从定量遥感的需求出发，基于一维变分原理，针对通道式遥感器研究其红外通道在轨光谱定标方法，发展基于高光谱同步观测资料的光谱响应函数的解析算法，实现对光谱漂移和形变误差的同时订正。本发明实施例可解决通道式遥感器无法实现在轨光谱定标的难题，有助于提高卫星数据质量以及定量产品精度，不仅具有较高科学研究意义，更具广泛业务推广价值。
图4本发明实施例提供的计算机设备的结构框图，如图4所示，该服务器可以包括：处理器(processor)810、通信接口(Communications Interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行如下方法：获取光谱观测矩阵、卫星观测数据和预设光谱响应向量；通过所述光谱观测矩阵和所述卫星观测数据得到光谱响应向量的目标函数，计算得到所述目标函数相对于所述预设光谱响应向量的梯度；根据所述目标函数，计算得到目标光谱响应向量，且所述目标光谱响应向量使所述梯度和/或目标函数达到预先设定的标准。
此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本发明实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：获取光谱观测矩阵、卫星观测数据和预设光谱响应向量；通过所述光谱观测矩阵和所述卫星观测数据得到光谱响应向量的目标函数，计算得到所述目标函数相对于所述预设光谱响应向量的梯度；根据所述目标函数，计算得到目标光谱响应向量，且所述目标光谱响应向量使所述梯度和/或目标函数达到预先设定的标准。
本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：获取光谱观测矩阵、卫星观测数据和预设光谱响应向量；通过所述光谱观测矩阵和所述卫星观测数据得到光谱响应向量的目标函数，计算得到所述目标函数相对于所述预设光谱响应向量的梯度；根据所述目标函数，计算得到目标光谱响应向量，且所述目标光谱响应向量使所述梯度和/或目标函数达到预先设定的标准。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种宽波段遥感器在轨光谱定标方法，其特征在于，包括：
获取光谱观测矩阵、卫星观测数据和预设光谱响应向量；
通过所述光谱观测矩阵和所述卫星观测数据得到光谱响应向量的目标函数，计算得到所述目标函数相对于所述预设光谱响应向量的梯度；
根据所述目标函数，计算得到目标光谱响应向量，且所述目标光谱响应向量使所述梯度和/或目标函数达到预先设定的标准。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标函数，计算得到目标光谱响应向量具体为：
采用牛顿迭代法，对所述目标函数进行求解，得到目标光谱响应向量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标函数利用光谱响应向量与所述光谱观测矩阵的卷积、定标公式通过反演计算得到。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述目标函数为：
其中：J(X)表示目标函数；
X表示光谱响应向量；
γ表示权重系数；
Xb表示预设光谱响应向量；
TBB表示等效黑体亮温；
A表示光谱观测矩阵；
Ce表示探测器对地球观测的响应计数值；
Cs表示探测器对冷空观测的响应计数值；
CBB表示探测器对黑体观测的响应计数值；
S(TBB)表示普朗克等效黑体辐射光谱。
5.一种宽波段遥感器在轨光谱定标装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取光谱观测矩阵、卫星观测数据和预设光谱响应向量；
计算模块，用于通过所述光谱观测矩阵和所述卫星观测数据得到光谱响应向量的目标函数，计算得到所述目标函数相对于所述预设光谱响应向量的梯度；
优化模块，用于根据所述目标函数，计算得到目标光谱响应向量，且所述目标光谱响应向量使所述梯度和/或目标函数达到预先设定的标准。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述优化模块具体为：
采用牛顿迭代法，对所述目标函数进行求解，得到目标光谱响应向量。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述目标函数利用光谱响应向量与所述光谱观测矩阵的卷积、定标公式通过反演计算得到。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述目标函数为：
其中：J(X)表示目标函数；
X表示光谱响应向量；
γ表示权重系数；
Xb表示预设光谱响应向量；
TBB表示等效黑体亮温；
A表示光谱观测矩阵；
Ce表示探测器对地球观测的响应计数值；
Cs表示探测器对冷空观测的响应计数值；
CBB表示探测器对黑体观测的响应计数值；
S(TBB)表示普朗克等效黑体辐射光谱。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至4任一项所述数据处理方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述数据处理方法的步骤。
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| 风云三号红外高光谱探测仪的光谱定标;漆成莉等;《光学精密工程》;20190430;第27卷(第4期);全文 * |
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