一种卷云条件下短波红外卫星遥感二氧化碳的方法技术

本发明专利技术公开了一种卷云条件下短波红外卫星遥感二氧化碳的方法，涉及大气组分检测领域，解决了卷云条件下不能精确检测大气中二氧化碳浓度的问题。本发明专利技术的方法包括：(1)对高光谱遥感资料进行降维和去噪的预处理；(2)建立短波红外高光谱遥感正演辐射传输模型；(a)计算卷云短波红外的辐射传输与散射特性；(b)建立短波红外晴空及卷云天气下的正演计算；(3)建立卷云条件下的CO2反演模型和计算方法。采用本发明专利技术的方法可实现在卷云条件下精确检测大气中二氧化碳浓度的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及大气组分检测领域，尤其涉及一种卷云条件下短波红外卫星遥感二氧化碳的方法。
技术介绍
大气CO2浓度的自然变化以及人为活动引起的变化，对研究大气CO2气候效应与全球气候变化具有非常重要的意义，高精度的测量CO2浓度对研究全球碳循环具有重要作用。现阶段，大气CO2浓度资料主要依赖于分布在世界不同地区的联合采样检测网进行的直接仪器观测。近年来，虽然取得了大量直接仪器观测的CO2浓度资料，但由于观测的成本较高，站点分布较少，空间分辨率仍较低，对大气CO2的源汇分布及其时空变化的理解还存在重大的不确定性。卫星遥感是一种重要的监测大气参数和组成变化的探测手段，卫星遥感探测大气CO2浓度可以弥补直接仪器观测资料有限的局限性，已经成为一个新的研究领域。目前，卫星遥感的CO2定量产品主要是晴空条件下的反演结果。而普遍存在的卷云在全球覆盖率大约为20％-30％，热带地区卷云覆盖率甚至高于70％。卷云由分布在大气高层的各种形状的冰晶粒子组成，一般位于大气对流层中上部到平流层底部。在卷云大气条件下，由于卷云对卫星观测的辐射量以及粒子有效半径等边界层云微物理特性的影响，给卫星遥感反演结果可能带来误差。因此，卷云条件下卫星
高精度探测大气CO2浓度是一亟待解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例提供了一种卷云条件下短波红外卫星遥感二氧化碳的方法，主要解决了在卷云条件下利用卫星高精度探测大气CO2浓度的问题。为达到上述目的，本专利技术主要提供了如下技术方案：一方面，本专利技术提供了一种卷云条件下短波红外卫星遥感二氧化碳的方法，所述方法包括以下步骤：(1)对高光谱遥感资料进行降维和去噪的预处理；(2)建立短波红外高光谱遥感正演辐射传输模型；(a)计算卷云短波红外的辐射传输与散射特性；(b)建立短波红外晴空及卷云天气下的正演计算；(3)建立卷云条件下的CO2反演模型和计算方法。作为优选，所述对高光谱遥感资料进行降维和去噪的预处理是采用核主成分分析方法(KPCA)。作为优选，所述计算卷云短波红外的辐射传输与散射特性具体是指计算冰晶粒子的散射特性，设定卷云粒子的谱分布，计算卷云的平均单次散射特性，包括实心与中空六棱柱、六角平板、子弹花、聚合物以及星形枝状非球形冰晶粒子在短波波段的平均消光效率因子、平均单次散射反照率及平均散射相函数。作为优选，所述建立短波红外晴空及卷云天气下的正演计算具体是指利用Mie理论、时域有限差分法和T-MATRIX方法计算各种尺度
谱的气溶胶散射系数；利用逐线积分法计算大气分子吸收，Rayleigh理论计算分子散射，分子光谱数据利用HITRAN2012数据库；将分子、卷云以及气溶胶的光学特性耦合大气辐射传输模式，建立气溶胶、卷云条件下的短波红外辐射传输正演模式。作为优选，所述建立卷云条件下的反演模型和计算方法具体是指反演计算中大气温、湿、压参数初始值选用NECP同化资料，地表发射率初始值选用MODIS日平均反射率产品；通过最优估计理论，构建一个卷云条件下的CO2物理反演算法，同时反演获得大气CO2柱浓度、地表反照率参数。现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术实施例通过对高光谱遥感资料进行降维和去噪的预处理、建立短波红外高光谱遥感正演辐射传输模型、计算卷云短波红外的辐射传输与散射特性、建立短波红外晴空及卷云天气下的正演计算及建立卷云条件下的CO2反演模型和计算方法获得卷云条件下大气CO2的浓度。附图说明图1是实施例的技术路线图；图2是实施例的散射相函数图；图3是实施例的GHM，COL和ASC冰晶粒子模型的展开系数有效直径为10μm图；图4是实施例的卷云和晴空大气条件下大气辐射传输正演计算图。具体实施方式为更进一步阐述本专利技术为达成预定专利技术目的所采取的技术手段及功效,以下以及较佳实施例，对依据本专利技术申请的具体实施方式、技术方案、特征及其功效，详细说明如后。下述说明中的多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。本专利技术实施例提供了一种卷云条件下短波红外卫星遥感二氧化碳的方法，包括以下步骤：1、高光谱遥感资料的预处理红外高光谱分辨率遥感能够大大地提高大气温室气体的遥感反演精度和垂直分辨率。但是，高光谱遥感探测的维数远远高于一般多通道传感器。如此高的维数给遥感反演带来了很大的困难，反演算法很难使用如此高维的全部探测信息；同时一些高光谱遥感器在一些光谱区具有高阶仪器噪音等。如何对观测资料进行降维和去噪等预处理，是高光谱遥感反演中首先需要解决的问题。在本专利技术实施例中是利用核主成分分析方法对高光谱遥感资料进行降维、去噪等预处理。2、短波红外高光谱遥感正演辐射传输模型的研究短波红外高光谱遥感受到气溶胶和云的吸收、散射等影响，从而增加了卫星CO2遥感反演的复杂性和困难性。在前向大气辐射传输模型中需要考虑卷云的辐射特性以及对大气CO2反演精度的影响。(1)卷云短波红外的辐射传输与散射特性研究计算的冰晶粒子的散射特性，设定卷云粒子的谱分布，计算卷云的平均单次散射特性，包括实心与中空六棱柱、六角平板、子弹花、
聚合物以及星形枝状非球形冰晶粒子在短波波段的平均消光效率因子、平均单次散射反照率、平均散射相函数等。(2)短波红外晴空及卷云天气下的正演研究利用Mie理论、时域有限差分法(FDTD)和T-MATRIX等方法计算各种尺度谱的气溶胶散射系数；利用逐线积分法(LBLRTM)计算大气分子吸收，Rayleigh理论计算分子散射，分子光谱数据利用HITRAN2012数据库；将分子、卷云以及气溶胶的光学特性耦合大气辐射传输模式(VLIDORT)，建立气溶胶、卷云条件下的短波红外辐射传输正演模式。3、卷云情况下的反演模型和计算方法的构建反演计算中大气温、湿、压参数初始值选用NECP同化资料，地表发射率初始值选用MODIS日平均反射率产品。通过最优估计理论，构建一个卷云条件下的CO2物理反演算法，同时反演获得大气CO2柱浓度、地表反照率参数。实施例采用大气辐射传输模式(VLIDORT)正演计算以及最优估计反演大气CO2的具体技术路线如图1所示；在卷云大气条件下短波红外遥感反演二氧化碳的计算中，需要输入冰晶粒子的散射相函数、消光效率因子、单次散射反照率等参数。冰晶粒子的光散射特性参数采用Yang等人建立的数据库，冰晶粒子分别为实心棱柱模型(Solid Column,COL)、实心棱柱聚合物模型(Aggregate Solid Column,ASC)和一般种类混合模型(General Habit Mixture,GHM)；表1给出了不同
波长时冰晶粒子的消光效率因子、单次散射反照率和不对称因子参数；表1.冰晶粒子的消光效率因子、单次散射反照率和不对称因子参数波长0.76μm1.61μm1.65μm2.06μm消光效率因子2.02102.02792.02882.0338单次散射反照率10.93320.94210.8204不对称因子0.80470.83950.83670.8902一般种类混合模型冰晶粒子的散射相函数如图2所示，粒子有效直径Deff为70μm，表面严重粗糙的冰晶粒子，波长分别为0.76μm，1.61μm，1.65μm和2.06μm；在辐射传输方程的数值求解中，通常将相函本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种卷云条件下短波红外卫星遥感二氧化碳的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)对高光谱遥感资料进行降维和去噪的预处理；(2)建立短波红外高光谱遥感正演辐射传输模型；(a)计算卷云短波红外的辐射传输与散射特性；(b)建立短波红外晴空及卷云天气下的正演计算；(3)建立卷云条件下的CO2反演模型和计算方法。

【技术特征摘要】
1.一种卷云条件下短波红外卫星遥感二氧化碳的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)对高光谱遥感资料进行降维和去噪的预处理；(2)建立短波红外高光谱遥感正演辐射传输模型；(a)计算卷云短波红外的辐射传输与散射特性；(b)建立短波红外晴空及卷云天气下的正演计算；(3)建立卷云条件下的CO2反演模型和计算方法。2.根据权利要求1所述的一种卷云条件下短波红外卫星遥感二氧化碳的方法，其特征在于，所述对高光谱遥感资料进行降维和去噪的预处理是采用核主成分分析方法。3.根据权利要求1所述的一种卷云条件下短波红外卫星遥感二氧化碳的方法，其特征在于，所述计算卷云短波红外的辐射传输与散射特性具体是指计算冰晶粒子的散射特性，设定卷云粒子的谱分布，计算卷云的平均单次散射特性，包括实心与中空六棱柱、六角平板、子弹花、聚合物以及星形枝状非球形冰晶粒子在短波波段的平均消光效率因子、平均单次散射反照率及平...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓小波，刘海磊，丁继烈，黄启宏，张升兰，常越，
申请(专利权)人：成都信息工程大学，
类型：发明
国别省市：四川;51