CN111982299B - 一种星载微波辐射计数据质量动态评分方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种星载微波辐射计数据质量动态评分方法及系统，所述方法包括：实时采集星载微波辐射计每条扫描线每个通道每个观测象元上的所有遥测参数并标识质量标识码；根据各遥测参数的质量标识码和预先确定的其对目标参数影响的权重值，计算星载微波辐射计数据的质量评分。本发明基于随机森林方法计算得到星载微波辐射计直接观测获取的遥测参数对定标亮温质量的影响权重，以此实现对仪器观测数据质量的评分，便于用户直接使用；此外，本发明的方法能够获取各参数阈值的动态范围，实现仪器在不同工作状态兼顾仪器寿命衰减情况下的精细化动态质量控制阈值设置。
Description
技术领域
本发明涉及星载微波辐射计领域，具体涉及一种星载微波辐射计数据质量动态评分方法及系统。
背景技术
星载微波观测资料在气候监测，台风预警和全球大气温度和湿度垂直分布反演方面也一直发挥着重要作用。近十几年来，全球数值预报质量快速提高的最主要原因之一就是卫星资料同化对数值预报初始场的改进，其中星载微波探测资料的同化对数值预报精度提高的贡献显著。而星载微波观测资料的精度和稳定性是决定其能否被同化，同化效果好坏的关键之一。由此可见，星载微波辐射计资料的数据质量是制约其定量应用的重要因素。卫星平台环境变化以及星上到地面进行数据传输的过程都会直接影响观测资料精度和稳定性，从而影响资料的定量应用效果。
在星载微波辐射计资料定量应用之前，用户多采用极值剔除的方法对不合理数据进行质量控制，在同化系统中有偏差订正模块对星载辐射计数据进行质量控制和订正。然而这些方法只能对极端异常值进行质量控制，微小的数据质量偏差会被认为是仪器噪声而无法去除。更为主要的是，目前的质量控制方法都是利用统计学原理针对微波辐射计定标亮温进行质量控制，没有认识影响数据质量的物理机理。另一方面，目前方法所用质量控制的阈值都是统计一段时间内的正常值范围，没有根据仪器不同工作状态和生命周期的衰变进行动态调整。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术缺陷，从微波辐射计定标原理和扫描观测机理出发，针对各参数长时间序列特征开发质量控制方案，形成仪器直接观测数据层面上的综合质量码；利用机器学习的方法给出各遥测参数对数据定标质量的影响权重；以百分制对星载微波辐射计数据质量进行评分。本发明从微波辐射计源头数据出发，考虑遥测参数的时变特征，从物理机理上实现对仪器定标亮温的质量控制和动态评分，为数据定量应用提供精准的质量信息。
为实现上述目的，本发明提供了一种星载微波辐射计数据质量动态评分方法，所述方法包括：
实时采集星载微波辐射计每条扫描线每个通道每个观测象元上的所有遥测参数并标识质量标识码；
根据各遥测参数的质量标识码和预先确定的其对目标参数影响的权重值，计算星载微波辐射计数据的质量评分。
作为上述方法的一种改进，所述方法还包括：
在设定的生命周期内，对星载微波辐射计每条扫描线每个通道每个观测象元上的所有遥测参数进行质量控制，生成包含遥测参数和对应质量标识码的有效数据集；
在设定观测范围内，计算星载微波辐射计的观测数据和模拟结果的偏差标准差，生成定标精度目标数据集；
把定标精度目标数据集作为目标参数，遥测参数有效数据集为特征数据向量数据集，利用随机森林算法计算遥测参数有效数据集中每个参数对目标参数的贡献度，得到各遥测参数对目标参数影响的权重值。
作为上述方法的一种改进，所述在设定的生命周期内，对星载微波辐射计每条扫描线每个通道每个观测象元上的所有遥测参数进行质量控制，生成包含遥测参数和对应质量标识码的有效数据集；具体包括：
在设定的生命周期内对星载微波辐射计每条扫描线每个通道每个观测象元上的每个遥测参数，如果该遥测参数属于关键参数，则采用2σ法则剔除突跳的数据，即对30条扫描线上的关键参数求标准差σ，如果某条扫描线上该参数大于2倍σ时则认为其出现异常，将该参数的质量标识码为0，否则该参数的质量标识码为1；否则，当该遥测参数值大于其对应的阈值则将该参数的质量标识码为0，否则该参数的质量标识码为1；
在设定的生命周期内，剔除质量码标识为0的数据，保留质量码标识为1的遥测参数，由此生成遥测参数有效数据集。
作为上述方法的一种改进，所述关键参数包括：冷空观测计数值、内部热源黑体观测计数值、内部热源黑体温度和星载微波辐射计仪器温度。
作为上述方法的一种改进，每个遥测参数的阈值的确定过程为：
对星载微波辐射计所有遥测参数进行长时间序列时变性监测，提取各个遥测参数在长生命期内不同时间段的有效值范围，以此作为数据质量控制的动态阈值。
作为上述方法的一种改进，所述把定标精度目标数据集作为目标参数，遥测参数有效数据集为特征数据向量数据集，利用随机森林算法计算遥测参数有效数据集中每个参数对目标参数的贡献度，即得到各遥测参数对目标参数影响的权重值；具体包括：
构建一个随机森林RF，包括n棵决策树，每棵决策树对应一个目标参数和特征数据类型；
遥测参数有效数据集中有m个遥测参数：X1,X2X3,…,Xm，计算遥测参数Xj在第i棵决策树的重要性
计算每个遥测参数Xj的Gini指数评分
将所有遥测参数的Gini指数评分进行归一化，得到遥测参数有效数据集中每个遥测参数的重要性评分VIMj：
VIM1+VIM2+VIM3+…+VIMm＝1。
作为上述方法的一种改进，所述根据各遥测参数的质量标识码和权重计算星载微波辐射计数据的质量评分，具体为：
计算每条扫描线每个通道每个观测象元上的定标亮温质量的评分S：
其中，Tj为第j个遥测参数的质量码标识。
本发明还提供了一种星载微波辐射计数据质量动态评分系统，所述系统包括：
权重计算模块，用于在设定的生命周期内，对星载微波辐射计每条扫描线每个通道每个观测象元上的所有遥测参数进行质量控制，生成包含遥测参数和对应质量标识码的有效数据集；在设定观测范围内，计算星载微波辐射计的观测数据和模拟结果的偏差标准差，生成定标精度目标数据集；把定标精度目标数据集作为目标参数，遥测参数有效数据集为特征数据向量数据集，利用随机森林算法计算遥测参数有效数据集中每个参数对目标参数的贡献度，得到各遥测参数对目标参数影响的权重值；
遥测参数采集模块，用于实时采集星载微波辐射计每条扫描线每个通道每个观测象元上的所有遥测参数并标识质量标识码；
质量评分模块，用于根据各遥测参数的质量标识码和其对目标参数影响的权重值，计算星载微波辐射计数据的质量评分。
本发明的优势在于：
1、本发明基于随机森林方法计算得到星载微波辐射计直接观测获取的遥测参数对定标亮温质量的影响权重，以此实现对仪器观测数据质量的评分，便于用户直接使用；
2、本发明的方法能够获取各参数阈值的动态范围，实现仪器在不同工作状态兼顾仪器寿命衰减情况下的精细化动态质量控制阈值设置；
3、本发明以仪器定标原理和观测机制出发对遥测参数的重要性进行分级，实现了遥测参数对定标质量的物理约束；
4、为了保证星载微波辐射计观测数据的定量应用，考虑仪器在不同工作状态和生命期下遥测参数有效范围的变化，在数据定标阶段对资料质量进行控制和评分；本发明的方法把辐射观测结果和仪器工作状态结合，用随机森林方法获得遥测参数对仪器定标质量的贡献权重，实现了数据动态质量控制和评分，为数据定量应用提供了精细先验信息；这与以往只利用数学方法对星载微波资料进行质量控制和偏差订正不同，本发明从定标原理和扫描观测机理出发，兼顾仪器生命期内参数时变特征，从物理上解决数据源头的定标质量问题。
附图说明
图1为两点定标示意图；
图2为星载微波辐射计扫描周期示意图；
图3为本发明的星载微波辐射计数据质量动态评分方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
在对本发明的方法做详细说明前，为了便于理解，首先对星载微波微波辐射计定标原理和扫描观测机制做一简要描述。
星载微波辐射计定标原理参考图1，扫描观测机制参考图2。图1中横坐标是接收机输出电压的计数值，纵坐标表示辐射量，Cc和Cw分别表示仪器观测定标基准点冷源和热源的电压计数值，Rc和Rw分别表示冷源和热源的辐射量，Cs和Rs分别是观测目标的电压计数值和辐射量。在每个扫描周期内，利用仪器观测两个定标基准源的输出电压计数值和辐射量可以建立计数值—辐射量(C-R)转化关系，实现仪器两点实时定标。图中红线表示仪器非线性。由此，星载微波辐射计定标公式为：
R＝a0+a1C+a2C2
其中C为仪器对目标进行观测得到的计数值，Cc和Cw分别表示仪器观测宇宙冷空和内部热源黑体的电压计数值，Rc和Rw分别表示宇宙冷空和内部热源黑体的辐射量，u是星载微波辐射计非线性订正系数只由温度决定。
如图2所示，星载微波辐射计在每条扫描线上都能实现在轨实时定标，在其一个扫描周期内，仪器观测内部热源黑体、冷空和地球目标的起始位置及扫描周期示意图见图1。在每个扫描周期中，对内部热源黑体进行n次采样，然后加速运行到冷空观测的起始位置，开始对宇宙背景进行m次采样，接着再加速运行到对地观测起始位置，匀速获取k个地球目标观测，最后扫描镜加速运行到热源观测起始位置进行下一个扫描周期的观测。
如图3所示，本发明的实施例1提出了一种星载微波辐射计数据质量动态评分方法，包括：
步骤1)星载微波辐射计遥测参数长期监测分析
卫星向地面应用系统传输的原始数据包L0中包含的遥测数据和科学数据种类丰富。对于星载微波辐射计而言可以有上百个之多，这些遥测参数可以大致分为仪器定标计算所需参数，仪器部件温度参数，仪器扫描观测特性参数，平台供电参数等。利用仪器遥测参数监测系统对所有遥测参数进行长时间序列时变性监测，可以提取各个参数在长生命期内不同时间段的有效值范围，以此作为数据质量控制的动态阈值。
步骤2)多参数影响分析
根据仪器定标原理和扫描观测机理，各遥测参数对星载微波辐射计观测数据的定标精度影响大小不相同。从星载微波辐射计定标公式可以看出，直接参与定标计算的关键参数包括：冷空观测计数值、内部热源黑体观测计数值、内部热源黑体温度和星载微波辐射计仪器温度。
从仪器扫描观测机制可以看出，一个扫描周期即是一个定标周期，该周期也代表了仪器的采样位置是否准确，同理，观测角度参数(黑体观测角，冷空观测角，对地观测角)反应了仪器扫描机构的稳定性，这些参数都直接反应了仪器获取的扫描计数值是否正确。
仪器部件温度参数反应了仪器工作时各部件的温度情况。这些温度参数并没有直接参与定标计算，但是对仪器工作是否正常有一定指示作用。同理，其他表征卫星平台供电状况的遥测参数对仪器工作状态有直接影响，因此这两类参数也需要进行质量控制。
步骤3)遥测参数动态一体化质量控制方法和有效数据集生成
基于遥测参数长期监测分析结果，动态获取参数有效值范围作为阈值，对超过阈值的数据进行标识。根据步骤2)中对各参数重要性的初步分析，直接参与定标计算和影响仪器扫描采样准确性的关键参数进行进一步的质量控制。具体方法是：采用2σ法则剔除突跳的数据，即对30条扫描线上的关键参数求标准差σ，如果某条扫描线上该参数大于2倍σ时则认为其出现异常，对该参数进行标识。对于其他遥测参数，只进行阈值判识实现质控。对于仪器每条扫描线每个通道每个观测象元上的所有遥测参数进行质量控制，得到质量码标识，即通过质量检验则对应参数的质量标识码为0，异常为1，生成对应扫描线上各通道各观测象元上的综合质量码。在设定的生命周期内，剔除质量码标识为0的数据，保留质量码标识为1的遥测参数，由此生成遥测参数有效数据集。
4)星载微波辐射计数据质量评分体系构建
仪器遥测参数监测系统具有辐射传输模拟功能，可以对仪器观测亮温进行实时辐射传输模拟。以月为最小时间单位，计算观测和模拟结果的偏差标准差，统计范围为南北纬45°洋面晴空；生成定标精度目标数据集。
把定标精度目标数据集作为目标参数，遥测参数有效数据集为特征数据向量数据集，利用随机森林算法计算遥测参数有效数据集中每个参数对目标参数的贡献度，即得到各遥测参数对目标参数影响的权重值；具体包括：
构建一个随机森林RF，包括n棵决策树，每棵决策树对应一个目标参数及特征类型；
遥测参数有效数据集中有m个遥测参数：X1,X2X3,…,Xm，计算遥测参数Xj在第i棵决策树的重要性
计算每个遥测参数Xj的Gini指数评分
将所有遥测参数的Gini指数评分进行归一化，得到遥测参数有效数据集中每个遥测参数的重要性评分VIMj：
VIM1+VIM2+VIM3+…+VIMm＝1。
根据用户定量应用需要设置遥测参数有效值和定标精度目标数据集的统计时间段，实现星载微波辐射计动态评分。
根据权重计算每条扫描线每个通道每个观测象元上的定标亮温质量的评分S：
其中，Tj为第j个遥测参数的质量码标识。
实施例2
本发明的实施例2提出了一种星载微波辐射计动态评分系统，该系统包括：
权重计算模块，用于在设定的生命周期内，对星载微波辐射计每条扫描线每个通道每个观测象元上的所有遥测参数进行质量控制，生成包含遥测参数和对应质量标识码的有效数据集；在设定观测范围内，计算星载微波辐射计的观测数据和模拟结果的偏差标准差，生成定标精度目标数据集；把定标精度目标数据集作为目标参数，遥测参数有效数据集为特征数据向量数据集，利用随机森林算法计算遥测参数有效数据集中每个参数对目标参数的贡献度，得到各遥测参数对目标参数影响的权重值；
遥测参数采集模块，用于实时采集星载微波辐射计每条扫描线每个通道每个观测象元上的所有遥测参数并标识质量标识码；
质量评分模块，用于根据各遥测参数的质量标识码和其对目标参数影响的权重值，计算星载微波辐射计数据的质量评分。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种星载微波辐射计数据质量动态评分方法，所述方法包括：
实时采集星载微波辐射计每条扫描线每个通道每个观测象元上的所有遥测参数并标识质量码；
根据各遥测参数的质量码和预先确定的各遥测参数对目标参数影响的权重值，计算星载微波辐射计数据的质量评分。
2.根据权利要求1所述的星载微波辐射计数据质量动态评分方法，其特征在于，所述方法还包括：
在设定的生命周期内，对星载微波辐射计每条扫描线每个通道每个观测象元上的所有遥测参数进行质量控制，生成包含遥测参数和对应质量码的有效数据集；
在设定观测范围内，计算星载微波辐射计的观测数据和模拟结果的偏差标准差，生成定标精度目标数据集；
把定标精度目标数据集作为目标参数，遥测参数有效数据集为特征数据向量数据集，利用随机森林算法计算遥测参数有效数据集中每个参数对目标参数的贡献度，得到各遥测参数对目标参数影响的权重值。
3.根据权利要求2所述的星载微波辐射计数据质量动态评分方法，其特征在于，所述在设定的生命周期内，对星载微波辐射计每条扫描线每个通道每个观测象元上的所有遥测参数进行质量控制，生成包含遥测参数和对应质量码的有效数据集；具体包括：
在设定的生命周期内对星载微波辐射计每条扫描线每个通道每个观测象元上的每个遥测参数，如果该遥测参数属于关键参数，则采用2σ法则剔除突跳的数据，即对30条扫描线上的关键参数求标准差σ，如果某条扫描线上该参数大于2倍σ时则认为其出现异常，将该参数的质量码标识为0，否则该参数的质量码标识为1；否则，当该遥测参数值大于其对应的阈值则将该参数的质量码标识为0，否则该参数的质量码标识为1；
在设定的生命周期内，剔除质量码标识为0的数据，保留质量码标识为1的遥测参数，由此生成遥测参数有效数据集。
4.根据权利要求3所述的星载微波辐射计数据质量动态评分方法，其特征在于，所述关键参数包括：冷空观测计数值、内部热源黑体观测计数值、内部热源黑体温度和星载微波辐射计仪器温度。
5.根据权利要求3所述的星载微波辐射计数据质量动态评分方法，其特征在于，每个遥测参数的阈值的确定过程为：
对星载微波辐射计所有遥测参数进行长时间序列时变性监测，提取各个遥测参数在长生命期内不同时间段的有效值范围，以此作为数据质量控制的动态阈值。
6.根据权利要求2所述的星载微波辐射计数据质量动态评分方法，其特征在于，所述把定标精度目标数据集作为目标参数，遥测参数有效数据集为特征数据向量数据集，利用随机森林算法计算遥测参数有效数据集中每个参数对目标参数的贡献度，即得到各遥测参数对目标参数影响的权重值；具体包括：
构建一个随机森林RF，包括n棵决策树，每棵决策树对应一个目标参数和特征数据类型；
遥测参数有效数据集中有m个遥测参数：X1，X2，X3，...，Xm，计算遥测参数Xj在第i棵决策树的重要性
计算每个遥测参数Xj的Gini指数评分
将所有遥测参数的Gini指数评分进行归一化，得到遥测参数有效数据集中每个遥测参数的重要性评分VIMj：
VIM1+VIM2+VIM3+…+VIMm＝1。
7.根据权利要求6所述的星载微波辐射计数据质量动态评分方法，其特征在于，所述根据各遥测参数的质量码和预先确定的各遥测参数对目标参数影响的权重值，计算星载微波辐射计数据的质量评分，具体为：
计算每条扫描线每个通道每个观测象元上的定标亮温质量的评分S：
其中，Tj为第j个遥测参数的质量码。
8.一种星载微波辐射计数据质量动态评分系统，其特征在于，所述系统包括：
权重计算模块，用于在设定的生命周期内，对星载微波辐射计每条扫描线每个通道每个观测象元上的所有遥测参数进行质量控制，生成包含遥测参数和对应质量码的有效数据集；在设定观测范围内，计算星载微波辐射计的观测数据和模拟结果的偏差标准差，生成定标精度目标数据集；把定标精度目标数据集作为目标参数，遥测参数有效数据集为特征数据向量数据集，利用随机森林算法计算遥测参数有效数据集中每个参数对目标参数的贡献度，得到各遥测参数对目标参数影响的权重值；
遥测参数采集模块，用于实时采集星载微波辐射计每条扫描线每个通道每个观测象元上的所有遥测参数并标识质量码；
质量评分模块，用于根据各遥测参数的质量码和各遥测参数对目标参数影响的权重值，计算星载微波辐射计数据的质量评分。
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