一種針對(duì)airs超光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)的甲烷廓線(xiàn)正交反演方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種針對(duì)AIRS超光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)的甲烷廓線(xiàn)正交反演方法，具體為：利用AIRS超光譜衛(wèi)星的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品獲得不同區(qū)域、不同季節(jié)條件下的大氣成分廓線(xiàn)數(shù)據(jù)；建立一組包含大量觀(guān)測(cè)結(jié)果的能代表不同區(qū)域、不同季節(jié)條件下的大氣成分廓線(xiàn)數(shù)據(jù)集；利用輻射傳輸方程對(duì)每一條廓線(xiàn)都模擬出目標(biāo)通道上的大氣層頂出射輻射亮度值，并加上儀器的觀(guān)測(cè)噪聲以獲得模擬的衛(wèi)星傳感器觀(guān)測(cè)輻射亮度值；根據(jù)模擬輻射亮度值對(duì)溫度以及大氣成分的敏感性分析選擇反演通道；對(duì)訓(xùn)練樣本集進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)展開(kāi)，計(jì)算經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)回歸系數(shù)；獲取AIRS超光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)的晴空訂正輻亮度標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，利用求得的回歸系數(shù)進(jìn)行反演。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種針對(duì)AIRS超光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)的甲烷廓線(xiàn)正交反演方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及衛(wèi)星遙感領(lǐng)域大氣成分反演【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種針對(duì)AIRS超光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)甲烷廓線(xiàn)反演方法，尤其涉及一種基于經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)回歸方法的AIRS超光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)甲烷廓線(xiàn)快速反演方法。
【背景技術(shù)】
[0002]甲烷是一種重要的溫室氣體，其單位質(zhì)量的溫室效應(yīng)要比CO2大20倍。到目前為止，溫室效應(yīng)增強(qiáng)中甲烷所起的 作用約占20%，僅次于C02。人類(lèi)排放的甲烷的輻射強(qiáng)迫是
0.48W/m2，大概是C02(1.66W/m2)的三分之一。甲烷在大氣對(duì)流層和平流程的化學(xué)過(guò)程中也起到了重要作用，例如甲烷與對(duì)流層中的OH自由基形成甲醛(CH2O), —氧化碳(CO)和臭氧(O 3),從而影響大氣的氧化能力和對(duì)流層的臭氧濃度。大氣中甲烷濃度自工業(yè)革命以來(lái)增加了 2.5倍，尤其是近年從永久凍土釋放的甲烷逐漸增多，國(guó)際上對(duì)大氣CH4含量的變化尤其關(guān)注，紛紛采用各種辦法測(cè)量CH4的含量變化。但是由于CH4的排放存在很大的時(shí)空差異，觀(guān)測(cè)又十分的有限，因此全球CH4排放的定量化依舊存在很大的不確定性。利用遙感監(jiān)測(cè)大氣成分具有快速、經(jīng)濟(jì)、可重復(fù)地獲取宏觀(guān)尺度上大氣痕量氣體信息優(yōu)勢(shì)。
[0003]目前的甲烷廓線(xiàn)反演技術(shù)主要有經(jīng)驗(yàn)算法和物理反演算法兩大類(lèi)。經(jīng)驗(yàn)算法多采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行反演，由于云對(duì)熱紅外出射輻射的影響非常復(fù)雜，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只能用于晴空條件下的反演。物理反演算法是在最優(yōu)化估計(jì)的基礎(chǔ)上展開(kāi)的，不直接比較計(jì)算輻射與觀(guān)測(cè)輻射之間的差別，而是在背景場(chǎng)和觀(guān)測(cè)場(chǎng)之間取得一種折衷，用先驗(yàn)條件把解約束在一定范圍內(nèi)，然后用牛頓迭代逐步逼近真解的最大似然估計(jì)。大氣反演問(wèn)題最優(yōu)估計(jì)方法的一般求解公式為:
[0004]X=Xa+ (KtSJ1K+ Y Sa-1) ^1KtS6-1 Δ Y,
[0005]式中，Xa為初始廓線(xiàn)，K為觀(guān)測(cè)輻亮度對(duì)大氣參數(shù)變化的一階導(dǎo)數(shù)，也就是雅各比矩陣(Jacobian)，Sa為初始廓線(xiàn)誤差的協(xié)方差矩陣，Se為觀(guān)測(cè)、模型誤差的協(xié)方差矩陣，Λ Y為觀(guān)測(cè)輻亮度與計(jì)算輻亮度的差值。在物理反演算法中，有兩個(gè)非常難處理的問(wèn)題:首先，初始廓線(xiàn)Xa不能過(guò)度偏離真實(shí)情況，否則不能得到收斂的結(jié)果；其次先驗(yàn)誤差協(xié)方差矩陣Sa需要在統(tǒng)計(jì)意義上最能代表待反演參數(shù)的真實(shí)狀態(tài)，否則難以約束最終的解在合理的范圍內(nèi)。而且對(duì)于物理反演算法，每次迭代都需要對(duì)甲烷求解雅各比矩陣K，計(jì)算量非常大。
[0006]為了減少先驗(yàn)誤差協(xié)方差矩陣Sa估算不準(zhǔn)所引入的甲烷反演誤差，在最優(yōu)化算法的基礎(chǔ)上發(fā)展了奇異值分解算法，將Y S^1項(xiàng)忽略，并且將KtSJ1K項(xiàng)進(jìn)行奇異值分解SVD(Singular value decomposition),對(duì)于對(duì)角陣中小于一定閾值的特征值進(jìn)行重新賦值，使得KtSJ1K的逆矩陣更加穩(wěn)定。此算法雖然使得反演的結(jié)果最大限度地減少對(duì)于初始背景場(chǎng)和初始背景誤差的依賴(lài)，但是在A(yíng)IRS對(duì)大氣甲烷變化不敏感的對(duì)流層底層和平流層以上進(jìn)行了嚴(yán)格的約束，反演結(jié)果依賴(lài)于初始廓線(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種可以穩(wěn)定地、快速方便地針對(duì)AIRS超光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)的甲烷廓線(xiàn)正交反演方法。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種針對(duì)AIRS超光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)的甲烷廓線(xiàn)正交反演方法，具體為:
[0009]I)利用AIRS超光譜衛(wèi)星的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品獲得不同區(qū)域、不同季節(jié)條件下的大氣成分廓線(xiàn)數(shù)據(jù)；
[0010]2)建立一組包含大量觀(guān)測(cè)結(jié)果的能代表不同區(qū)域、不同季節(jié)條件下的大氣成分廓線(xiàn)數(shù)據(jù)集；
[0011]3)利用輻射傳輸方程對(duì)每一條廓線(xiàn)都模擬出目標(biāo)通道上的大氣層頂出射輻射亮度值，并加上儀器的觀(guān)測(cè)噪聲以獲得模擬的衛(wèi)星傳感器觀(guān)測(cè)輻射亮度值；
[0012]4)根據(jù)模擬輻射亮度值對(duì)溫度以及大氣成分的敏感性分析選擇反演通道；
[0013]5)對(duì)訓(xùn)練樣本集進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)展開(kāi)，計(jì)算經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)回歸系數(shù)；
[0014]6)獲取AIRS超光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)的晴空訂正輻亮度標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，利用求得的回歸系數(shù)進(jìn)行反演。
[0015]進(jìn)一步，所述步驟2)具體為:
[0016]A)收集一組代表不同區(qū)域、不同季節(jié)的大氣廓線(xiàn)，每一條大氣廓線(xiàn)均包含大氣狀態(tài)參量及地表狀態(tài)參量；每一條大氣廓線(xiàn)包含了大氣狀態(tài)參量以及地表狀態(tài)參量，例如大氣狀態(tài)參量:溫度、水汽含量、CO2, 03、CO、N2O, CH4廓線(xiàn)；，例如地表狀態(tài)參量:地表溫度、地表水汽含量、 地表壓強(qiáng)、地表海拔高度、地表比發(fā)射率；
[0017]B)所有的大氣成分廓線(xiàn)樣本都按照AIRS的標(biāo)準(zhǔn)垂直氣壓層處理為101層，并統(tǒng)一單位:
【權(quán)利要求】
1.一種針對(duì)AIRS超光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)的甲烷廓線(xiàn)正交反演方法，其特征在于，該方法具體為: 1)利用AIRS超光譜衛(wèi)星的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品獲得不同區(qū)域、不同季節(jié)條件下的大氣成分廓線(xiàn)數(shù)據(jù)； 2)建立一組包含大量觀(guān)測(cè)結(jié)果的能代表不同區(qū)域、不同季節(jié)條件下的大氣成分廓線(xiàn)數(shù)據(jù)集； 3)利用輻射傳輸方程對(duì)每一條廓線(xiàn)都模擬出目標(biāo)通道上的大氣層頂出射輻射亮度值，并加上儀器的觀(guān)測(cè)噪聲以獲得模擬的衛(wèi)星傳感器觀(guān)測(cè)輻射亮度值； 4)根據(jù)模擬輻射亮度值對(duì)溫度以及大氣成分的敏感性分析選擇反演通道； 5)對(duì)訓(xùn)練樣本集進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)展開(kāi)，計(jì)算經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)回歸系數(shù)； 6)獲取AIRS超光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)的晴空訂正輻亮度標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，利用求得的回歸系數(shù)進(jìn)行反演。
2.如權(quán)利要求1所述的針對(duì)AIRS超光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)的甲烷廓線(xiàn)正交反演方法，其特征在于，所述步驟2)具體為: A)收集一組代表不同區(qū)域、不同季節(jié)的大氣廓線(xiàn)，每一條大氣廓線(xiàn)均包含大氣狀態(tài)參量及地表狀態(tài)參量；每一條大氣廓線(xiàn)包含了大氣狀態(tài)參量以及地表狀態(tài)參量，大氣狀態(tài)參量包括:溫度、水汽含量、CO2, O3> CO、N2O, CH4廓線(xiàn)；，地表狀態(tài)參量包括:地表溫度、地表水汽含量、地表壓強(qiáng)、地表海拔高度、地表比發(fā)射率； B)所有的大氣成分廓線(xiàn)樣本都按照AIRS的標(biāo)準(zhǔn)垂直氣壓層處理為101層，并統(tǒng)一單位:
3.如權(quán)利要求1所述的針對(duì)AIRS超光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)的甲烷廓線(xiàn)正交反演方法，其特征在于，所述步驟3)具體為: C)利用RTT0V11.1計(jì)算所有通道上的大氣層頂出射輻射亮度值，記為Rtl ； D)對(duì)于每一個(gè)通道上的模擬出射輻射亮度值加上以?xún)x器觀(guān)測(cè)噪聲為上限的隨機(jī)噪聲，作為模擬的衛(wèi)星傳感器觀(guān)測(cè)輻射亮度值R。
4.如權(quán)利要求1所述的針對(duì)AIRS超光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)的甲烷廓線(xiàn)正交反演方法，其特征在于，所述步驟4)具體為: E)對(duì)于大氣廓線(xiàn)數(shù)據(jù)集中的每一條廓線(xiàn)，將CH4濃度增加10%，重新利用RTT0V11.1計(jì)算所有通道上的大氣頂出射輻射亮度值，記為Rqi4,計(jì)算對(duì)應(yīng)的大氣頂出射輻射亮度值差值的平均值
5.如權(quán)利要求1所述的針對(duì)AIRS超光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)的甲烷廓線(xiàn)正交反演方法，其特征在于，所述步驟5)具體為: G)分別計(jì)算甲烷廓線(xiàn)樣本集和模擬出射輻射亮度的協(xié)方差矩陣， Ccov = AC(AC)Vn (2)， Rcov = AR(AR)Vn (3)， 其中C_[1X1]是一氧化碳廓線(xiàn)樣本集的協(xié)方差矩陣，Λ(:[1Χη]是廓線(xiàn)與廓線(xiàn)樣本集均值的偏差矩陣；類(lèi)似地，Rcov[mXm]為模擬AIRS觀(guān)測(cè)輻亮度的協(xié)方差矩陣，AR[mXn]為模擬觀(guān)測(cè)輻射值與樣本集均值的偏差矩陣；上標(biāo)T表示矩陣轉(zhuǎn)置； H)將Ccot和Rcot分別進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交化展開(kāi): Ccov= gamma Λ gammaτ (4)，
Rc0V = gamma r A r gamma rT (5)， 其中g(shù)amma [1X1]為廓線(xiàn)樣本集的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)集，每個(gè)EOF按照其在總方差中占的比重按列來(lái)排列，值最大的排在最前，Λ是由協(xié)方差矩陣的特征值組成的I維對(duì)角矩陣；同樣，rr[mXm]為模擬觀(guān)測(cè)輻亮度樣本集的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)集，為協(xié)方差矩陣的特征值組成的m維對(duì)角矩陣； I)對(duì)于大氣廓線(xiàn)樣本集和模擬出射輻射亮度，分別選擇前50和40個(gè)特征向量，進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交展開(kāi): AC = T1^50XA (6)， AR=rrl_40XB (7)； J)分別計(jì)算Λ C和Λ R的EOF得分A和B: A=T1^50tX AC (8)，
6.如權(quán)利要求1所述的針對(duì)AIRS超光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)的甲烷廓線(xiàn)正交反演方法，其特征在于，所述步驟6)具體為: M)逐象元讀入AIRS晴空訂正輻亮度產(chǎn)品，讀取每個(gè)象元每個(gè)波段的質(zhì)量標(biāo)簽radiances_QC和福射亮度值radiances,然后進(jìn)行晴空訂正質(zhì)量判斷；根據(jù)步驟F)選出的通道，檢查每一個(gè)通道的晴空訂正質(zhì)量；如果反演通道有一半以上的晴空訂正質(zhì)量為差(radiances_QC=2),則不進(jìn)行反演；如果進(jìn)行反演，但是部分反演通道的晴空訂正質(zhì)量為差，則將該通道晴空訂正輻亮度設(shè)為樣本均值f; N)逐象元讀入太陽(yáng)天頂角和觀(guān)測(cè)天頂角，在步驟L)中找到對(duì)應(yīng)的系數(shù)矩陣； O)逐象元利用步驟M)讀入的晴空訂正輻亮度和步驟N)讀入的系數(shù)矩陣，按照以下關(guān)系獲得對(duì)應(yīng)的大氣成分垂直濃度廓線(xiàn):
【文檔編號(hào)】G01S17/88GK103744069SQ201310752286
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】張瑩, 陳良富, 蘇林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所