一种修正卫星超光谱数据所存在的波长漂移的配准方法技术

本发明专利技术公开了一种修正卫星超光谱数据所存在的波长漂移的配准方法，该方法主要解决如何对存在波长漂移的卫星超光谱数据进行波长配准。其基于与卫星光谱数据的基线特征一致的模拟参考数据，首先通过特定光谱分辨率的三角函数定位卫星光谱与模拟光谱的参考峰位置，进行初配准；然后通过波长修正因子的准确反演，结合波长配准模型进行精配准。本发明专利技术无需人工干预或者构建查找表，即可自动、准确、稳定、快捷地获取卫星超光谱数据的波长漂移，修正卫星观测的波长误差，提高超光谱数据在大气气体成分高精度探测等领域的应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及卫星光谱数据预处理
，具体是一种修正卫星超光谱数据所存在的波长漂移的配准方法。
技术介绍
卫星发射及在轨运行中，由于环境突变、仪器性能老化等的影响，导致超光谱数据不可避免地存在波长漂移现象。波长漂移会导致实测信息和模拟信息不匹配，严重阻碍超光谱数据在大气气体成分高精度探测等领域的应用，准确获取卫星超光谱数据的波长漂移并进行有效地校正，是保证卫星遥感数据正确应用的前提条件。现有的光谱配准方法，主要是针对低分辨率光谱数据设计，宽光谱区间内往往只有一至两条特征峰。观测光谱存在波长漂移时，通过试凑法、查找表法或简单反演法，即可获得波长漂移量。试凑法即人工获取光谱中的特征峰位置，通过调整(平移或拉伸)整段光谱的波长值，实现观测光谱与模拟光谱残差的最小化；查找表法是构建观测光谱与模拟光谱的残差随不同波长漂移量而变化的规律表，通过搜索该表中残差的最小值，获得观测光谱的波长漂移量；观测光谱与模拟光谱残差随不同波长漂移量呈线性变化关系时，可采用简单的线性反演计算方法，比如最小二乘法等。然而，对于超光谱而言，光谱吸收峰个数多且相互之间存在相似性，使得观测光谱与模拟光谱的残差分布非常复杂，在波长平移因子或拉伸因子的维度上，均存在众多极值点。对于这类强非线性问题，不仅需要设计针对性的非线性反演算法，波长漂移参数初始值的准确性也是准确反演和稳定收敛的关键。同时，对于卫星数据的应用而言，自动、快捷地获取波长漂移量，实现观测光谱的波长精确配准，是非常有必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种修正卫星超光谱数据所存在的波长漂移的配准方法，以解决现有卫星超光谱数据存在无法避免的波长漂移而导致目标气体探测准确度降低的问题。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种修正卫星超光谱数据所存在的波长漂移的配准方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)根据卫星观测点的地理位置和观测时间，获取美国国家环境预报中心NCEP再分析资料的地表和大气模式数据、中分辨率成像光谱仪MODIS的地表反射率和气溶胶产品；结合观测几何条件和太阳几何条件，以及中分辨率成像光谱仪MODIS的光谱范围和线型函数，利用大气辐射传输模型SCIATRAN，计算获得卫星观测的模拟结果；(2)获取卫星观测的超高分辨率光谱数据作为基准，采用差分吸收光谱DOAS技术，结合最小二乘法，对步骤(1)获得的卫星观测的模拟结果进行预处理，消除由多种复杂因素引起的模拟数据基线强度和斜率/曲率的偏差，如辐射定标误差、地表反射率和气溶胶数据误差等，从而获得与卫星观测的光谱基线特征一致的模拟参考光谱；(3)构建特定光谱分辨率的卷积函数，以分别对步骤(2)获得的卫星观测的光谱以及模拟参考光谱进行卷积计算，通过寻找卷积谱最小值的位置，定位出卫星观测的光谱和模拟参考光谱的特征峰的波长位置，据此获得卫星观测的光谱相对于模拟参考光谱的平移程度，对卫星观测的光谱的波长进行平移初配准；(4)根据步骤(3)初配准后卫星观测的光谱波长，以及光谱点的序列号，采用多次项拟合方法，建立光谱点序列号与波长之间的关系，获得波长定标系数，并定义波长修正因子，构建波长配准模型；(5)根据步骤(4)获得的波长定标系数和波长修正因子，以及步骤(2)获得的卫星观测的光谱、模拟参考光谱，采用非线性迭代算法反演计算得到波长修正因子的结果，通过波长配准模型对波长定标系数中的一次项系数和常数项系数进行修正，计算得到精配准后的波长。所述的一种修正卫星超光谱数据所存在的波长漂移的配准方法，其特征在于：所述的步骤(2)中卫星超光谱数据，是指光谱分辨率λ/Δλ≥1000、波长范围位于0.24-40um内、包含多条独立特征线(气体吸收线、太阳弗朗禾费线)及无特征线干扰的连续谱、卫星平台通过星下点或临边方式观测大气获得的辐亮度光谱，可用于大气气体含量探测。所述的一种修正卫星超光谱数据所存在的波长漂移的配准方法，其特征在于：所述的步骤(2)中卫星观测的光谱基线特征，主要包括基线强度和斜率/曲率，获取方法如下：首先对辐亮度光谱I(υ)进行对数转换，转换后的对数谱lnI(υ)由快变成分F(υ)和慢变成分S(υ)组成，如公式(1)所示：lnI(υ)＝F(υ)+S(υ)＝F(υ)+a2υ2+a1υ+a0(1)，公式(1)中，S(υ)随波长变化呈二次项关系，二次项系数a2,a1和a0可由最小二乘拟合方法获得，根据对数谱中的S(υ)，可以获得辐亮度光谱的基线B(υ)如公式(2)所示：B(υ)＝exp(S(υ))＝exp(a2υ2+a1υ+a0)(2)，所述的一种修正卫星超光谱数据所存在的波长漂移的配准方法，其特征在于：所述的步骤(4)中的波长修正因子，是指对波长定标系数中的一次项和常数项系数所提供的修正因子。所述的一种修正卫星超光谱数据所存在的波长漂移的配准方法，其特征在于：所述的步骤(5)中的反演算法，是指基于观测谱Y与模拟参考谱F的光谱残差χ2，如公式(3)所示：公式(3)中X是波长修正因子α和β的矩阵，j是光谱点序列号，CF是波长定标系数a0，a1，a2，a3和a4的矩阵，用Levenberg-Marquardt非线性迭代逐步逼近真解，使得光谱残差χ2趋于最小值，迭代公式如公式(4)所示：公式(4)中i是迭代次数，Xi+1是第i+1次反演得到的波长修正因子值，Xi为前一次迭代得到的反演结果，i＝0时X0代表初始值，是χ2对X的一阶导数矩阵，也就是雅克比矩阵，γ是Levenberg-Marquardt因子，每次迭代后均需要更新，更新策略如下：如果χ2增大，则将γ增大2倍，不更新Xi+1，重新第i次的反演计算；如果χ2减小，则将γ减小2倍，更新Xi+1并继续下一步的反演计算。本专利技术是一种卫星超光谱数据的波长精配准方法，是基于与卫星光谱数据的基线特征一致的模拟参考数据，首先通过特定光谱分辨率的三角函数定位卫星光谱与模拟光谱的参考峰位置，进行初配准；然后通过波长修正因子的准确反演，结合波长配准模型进行精配准。与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：本专利技术涉及的卫星超光谱数据的波长精配准方法，解决了卫星超光谱数据存在的波长漂移问题。根据观测点对应的大气、地表和仪器状态实时计算模拟光谱并进行预处理，消除基线和吸收峰特征的差异，减少波长修正因子反演时干扰因素的影响；通过光谱特征峰位置的定位，初步修正卫星光谱相对于模拟谱的波长漂移，提高反演参数初始值的准确度，有利于非线性问题的准确反演；基于光谱残差，采用Levenberg-Marquardt非线性迭代算法，有利于提高波长修正因子反演时的准确度和收敛速度。本专利技术无需人工干预或者构建查找表，即可自动、准确、稳定、快捷地获取卫星超光谱数据的波长漂移，修正卫星观测的波长误差，提高超光谱数据在大气气体成分高精度探测等领域的应用价值。附图说明图1为本专利技术流程框图。图2为TANSO-FTS观测的模拟结果。图3为预处理后的模拟参考光谱。图4为特征峰定位效果图，其中：图4(a)为可将光谱分辨率调整为2.7cm-1的卷积函数，图4(b)为TANSO-FTS观测谱的卷积谱及参考峰定位结果，图4(c)为模拟参考光谱的卷积谱及参考峰定位结果，图4(d)为初配准前后观测谱与模拟参考光谱的差异图。图5为波长精配准前后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种修正卫星超光谱数据所存在的波长漂移的配准方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)根据卫星观测点的地理位置和观测时间，获取美国国家环境预报中心NCEP再分析资料的地表和大气模式数据、中分辨率成像光谱仪MODIS的地表反射率和气溶胶产品；结合观测几何条件和太阳几何条件，以及中分辨率成像光谱仪MODIS的光谱范围和线型函数，利用大气辐射传输模型SCIATRAN，计算获得卫星观测的模拟结果；(2)获取卫星观测的超高分辨率光谱数据作为基准，采用差分吸收光谱DOAS技术，结合最小二乘法，对步骤(1)获得的卫星观测的模拟结果进行预处理，消除由多种复杂因素引起的模拟数据基线强度和斜率/曲率的偏差，从而获得与卫星观测的光谱基线特征一致的模拟参考光谱；(3)构建特定光谱分辨率的卷积函数，以分别对步骤(2)获得的卫星观测的光谱以及模拟参考光谱进行卷积计算，通过寻找卷积谱最小值的位置，定位出卫星观测的光谱和模拟参考光谱的特征峰的波长位置，据此获得卫星观测的光谱相对于模拟参考光谱的平移程度，对卫星观测的光谱的波长进行平移初配准；(4)根据步骤(3)初配准后卫星观测的光谱波长，以及光谱点的序列号，采用多次项拟合方法，建立光谱点序列号与波长之间的关系，获得波长定标系数，并定义波长修正因子，构建波长配准模型；(5)根据步骤(4)获得的波长定标系数和波长修正因子，以及步骤(2)获得的卫星观测的光谱、模拟参考光谱，采用非线性迭代算法反演计算得到波长修正因子的结果，通过波长配准模型对波长定标系数中的一次项系数和常数项系数进行修正，计算得到精配准后的波长。...

【技术特征摘要】
1.一种修正卫星超光谱数据所存在的波长漂移的配准方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)根据卫星观测点的地理位置和观测时间，获取美国国家环境预报中心NCEP再分析资料的地表和大气模式数据、中分辨率成像光谱仪MODIS的地表反射率和气溶胶产品；结合观测几何条件和太阳几何条件，以及中分辨率成像光谱仪MODIS的光谱范围和线型函数，利用大气辐射传输模型SCIATRAN，计算获得卫星观测的模拟结果；(2)获取卫星观测的超高分辨率光谱数据作为基准，采用差分吸收光谱DOAS技术，结合最小二乘法，对步骤(1)获得的卫星观测的模拟结果进行预处理，消除由多种复杂因素引起的模拟数据基线强度和斜率/曲率的偏差，从而获得与卫星观测的光谱基线特征一致的模拟参考光谱；(3)构建特定光谱分辨率的卷积函数，以分别对步骤(2)获得的卫星观测的光谱以及模拟参考光谱进行卷积计算，通过寻找卷积谱最小值的位置，定位出卫星观测的光谱和模拟参考光谱的特征峰的波长位置，据此获得卫星观测的光谱相对于模拟参考光谱的平移程度，对卫星观测的光谱的波长进行平移初配准；(4)根据步骤(3)初配准后卫星观测的光谱波长，以及光谱点的序列号，采用多次项拟合方法，建立光谱点序列号与波长之间的关系，获得波长定标系数，并定义波长修正因子，构建波长配准模型；(5)根据步骤(4)获得的波长定标系数和波长修正因子，以及步骤(2)获得的卫星观测的光谱、模拟参考光谱，采用非线性迭代算法反演计算得到波长修正因子的结果，通过波长配准模型对波长定标系数中的一次项系数和常数项系数进行修正，计算得到精配准后的波长。2.根据权利要求1所述的一种修正卫星超光谱数据所存在的波长漂移的配准方法，其特征在于：所述的步骤(2)中卫星超光谱数据，是指光谱分辨率λ/Δλ≥1000、波长范围位于0.24-40um内、包含多条独立特征线及无特征线干扰的连续谱、卫星平台通过星下点或临边方式观测大气获得的辐亮...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶函函，王先华，吴军，蒋芸，李志伟，施海亮，熊伟，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34