一种基于双层云的云特性定量反演方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于双层云的云特性定量反演方法及系统，涉及短波红外波段云遥感技术领域，用于对目标区域内对应有云对象的采样点位置进行云特性反演，获得定量分离的双层云云特性反演数据信息，基于光谱数据和激光雷达数据，对包含有云对象的采样点位置进行云特性分析，筛选出目标对象双层云，进一步获得定量分离的双层云云特性反演数据信息。通过本发明专利技术的技术方案，可以实现上层冰云和下层水云、云光学厚度和有效粒子半径一共四个物理量的同时定量反演，同时为双层云辐射效应的研究提供更准确的云特性基础。更准确的云特性基础。更准确的云特性基础。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双层云的云特性定量反演方法及系统


[0001]本专利技术涉及短波红外波段云遥感
，具体而言涉及一种基于双层云的云特性定量反演方法及系统。

技术介绍

[0002]基于星载光谱成像仪的云特性反演基本原理就是，利用不同波段对云特性的敏感性差异来定量获取其光学及微物理特性。目前广泛使用的两种云特性反演方法是：太阳反射通道反演法和红外窗区通道反演法。考虑到被动成像仪在垂直结构上的探测限制，两种方法均假设观测像素点内仅存在单层、单一相态且空间分布均匀的云层，当像素点内存在垂直方向上多个云层的重叠时，单层假设将给云光学和微物理特性反演结果带来显著偏差。实际大气中多层云的全球发生概率高达25％以上，在全球辐射收支和气候变化中发挥至关重要的作用，因此精确表征多层云的云特性十分必要。目前基于光谱成像仪的多层云研究重点关注云识别，云特性反演还处于探索阶段，相应反演方法也相对缺乏，为更好地了解全球多层云的光学和微物理特性，亟需相关反演方法的研发。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种基于双层云的云特性定量反演方法及系统，以解决现有技术中的问题。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0005]一种基于双层云的云特性定量反演方法，用于对目标区域内对应有云对象的采样点位置进行云特性反演，获得定量分离的双层云云特性反演数据信息，通过以下步骤A至步骤E对包含有云对象的采样点位置进行云特性分析，获得定量分离的双层云云特性反演数据信息：
[0006]步骤A、分别针对各个采样点位置，收集采样点位置的激光雷达数据、以及光谱数据，基于激光雷达数据以及光谱数据，获得采样点位置有云对象的分别对应预设各目标数据类型的数据信息，预设各目标数据类型的数据信息包括经纬度数据、观测几何数据、反射率数据、以及云层数检测数据，随后进入步骤B；
[0007]步骤B、分别针对各个采样点位置，利用云层数检测数据确定采样点位置中所包含的云类别，云类别包括单层云、双层云、以及多层云，选取双层云类别并对其进行云相态判定，筛选出满足上层云为冰相，下层云为水相的各个目标双层云，进一步得到各个目标双层云所对应采样点位置的光谱数据，随后进入步骤C；
[0008]步骤C、分别针对各个包含目标双层云的采样点位置，以该采样点位置的激光雷达经纬度数据为依据，对该采样点位置的各光谱数据分别进行像素级耦合，基于临近点原则，以采样点位置的经纬度数据为参照值，筛选出距离该采样点位置距离最近的相邻采样点，进而获得该相邻采样点位置所对应的各个光谱数据，作为该采样点的像素级耦合数据，随后进入步骤D；
[0009]步骤D、分别针对各个双层云所对应的采样点位置，基于双层云所在区域对应的数据信息，以该采样点位置所对应的各个像素级耦合数据为输入，以该采样点位置所包含双层云的预设云特性数据为初始化输入量，利用离散纵标辐射传输模式对大气辐射传输方程求解，获得各个双层云对应的模拟反射率、以及该双层云对应采样点位置的代价函数，即获得各个采样点位置分别所对应的模拟反射率、以及相应的代价函数，随后进入步骤E；
[0010]步骤E、分别针对各个采样点位置，以采样点位置中的反射率数据、以及该采样点位置所包含双层云的光谱数据为基础，对双层云的模拟反射率进行更新，当模拟反射率与反射率数据的差异收敛至预设范围时，提取差异最小的模拟反射率值和云特性值，作为双层云云特性反演数据。
[0011]进一步地，前述的光谱数据包括MODIS光谱数据、以及VIIRS光谱数据，MODIS光谱数据包括采样点位置的经纬度数据、观测几何数据、以及2.13微米短波红外通道反射率数据，VIIRS光谱数据包括采样点位置的经纬度数据、观测几何数据、以及0.87、1.61、2.25微米短波红外通道反射率数据；
[0012]激光雷达数据包括采样点位置的经纬度数据和云垂直廓线数据。
[0013]进一步地，前述步骤B中利用云层数检测数据判断云类别，以激光雷达数据得到的目标区域内云层数检测数据为依据，云层数为一层的归类为单层云，云层数为两层的归类为双层云，云层数大于二的归类为多层云，筛选其中的双层云采样点；其次，以目标区域内的云垂直廓线数据为依据，进一步对包含双层云的采样点位置进行筛选，获得上层云为冰相，下层云为水相的各个目标双层云，进一步提取各个目标双层云所对应采样点位置的光谱数据。
[0014]进一步地，前述步骤C中对各激光雷达像素点进行光谱数据像素级耦合具体包括以下步骤：
[0015]步骤C1、针对包含各个目标双层云的采样点位置，将该采样点位置的激光雷达经纬度数据作为参照值，遍历相同目标区域内各个采样点位置的光谱数据；
[0016]步骤C2、分别针对各个采样点位置的光谱数据，判断光谱数据中包含的经纬度数据与参照值之间的直线距离d，根据公式：
[0017]d2＝(lat
‑
lat0)2+(lon
‑
lon0)2[0018]其中，lat为采样点位置对应光谱数据的经度，lat0为采样点位置对应激光雷达数据的经度，lon为采样点位置对应光谱数据的纬度，lon0为采样点位置对应激光雷达数据的纬度；
[0019]步骤C3、基于参照值所对应的采样点位置作为参照采样点位置，筛选出与该参照采样点位置之间直线距离最小的目标采样点位置，获得该目标采样点位置的光谱数据，作为耦合后的目标采样点位置；
[0020]步骤C4、重复步骤C1～C3，直至完成目标区域内所有激光雷达采样点位置的光谱数据的耦合工作。
[0021]进一步地，前述步骤D中，离散纵标辐射传输模式的输入量为上层冰云的光学厚度、有效粒径和下层水云的光学厚度、有效粒径；输出量即为0.87、1.61、2.13和2.25微米四个短波红外通道的模拟反射率，通过设定预设输入量初始值，利用离散纵标辐射传输模式计算得到初始值对应的模拟反射率，并结合步骤A至步骤C中筛选出的目标双层云，基于目
标双层云的光谱数据获得该采样点位置的观测反射率，计算代价函数J＝(R0‑
Robs)2，其中，R0为模拟反射率，Robs为的对应光谱成像仪采样点观测反射率。
[0022]本专利技术的第二方面提出一种基于双层云的云特性定量反演系统，包括：
[0023]一个或多个处理器；
[0024]存储器，存储可被操作的指令，所述指令在通过所述一个或多个处理器执行时使得所述一个或多个处理器执行操作，所述操作包括执行任意所述基于双层云的云特性定量反演方法。
[0025]本专利技术的第三方面提出一种存储软件的计算机可读取介质，所述软件包括能通过一个或多个计算机执行的指令，所述指令在被所述一个或多个计算机执行时执行任意所述基于双层云的云特性定量反演方法。
[0026]本专利技术所述一种基于双层云的云特性定量反演方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0027]本专利技术是国内外首次提出的基于星载被动光谱成像仪短波红外通道观测的双层云云特本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双层云的云特性定量反演方法，用于对目标区域内对应有云对象的采样点位置进行云特性反演，获得定量分离的双层云云特性反演数据信息，其特征在于，通过以下步骤A至步骤E对包含有云对象的采样点位置进行云特性分析，获得定量分离的双层云云特性反演数据信息：步骤A、分别针对各个采样点位置，收集采样点位置的激光雷达数据、以及光谱数据，基于激光雷达数据以及光谱数据，获得采样点位置有云对象的分别对应预设各目标数据类型的数据信息，预设各目标数据类型的数据信息包括经纬度数据、观测几何数据、反射率数据、以及云层数检测数据，随后进入步骤B；步骤B、分别针对各个采样点位置，利用云层数检测数据确定采样点位置中所包含的云层类别，云层类别包括单层云、双层云、以及多层云，选取双层云的像素点并对其进行云相态判定，筛选出满足上层云为冰相，下层云为水相的各个目标双层云，进一步得到各个目标双层云所对应采样点位置的光谱数据，随后进入步骤C；步骤C、分别针对各个包含目标双层云的采样点位置，以该采样点位置的激光雷达经纬度数据为依据，对该采样点位置的各光谱数据分别进行像素级耦合，基于临近点原则，以采样点位置的经纬度数据为参照值，筛选出距离该采样点位置距离最近的相邻采样点，进而获得该相邻采样点位置所对应的各个光谱数据，作为该采样点的像素级耦合数据，随后进入步骤D；步骤D、分别针对各个双层云所对应的采样点位置，基于双层云所在区域对应的数据信息，以该采样点位置所对应的各个像素级耦合数据为输入，以该采样点位置所包含双层云的预设云特性数据为初始化输入量，利用离散纵标辐射传输模式对大气辐射传输方程求解，获得各个双层云对应的模拟反射率、以及该双层云对应采样点位置的代价函数，即获得各个采样点位置分别所对应的模拟反射率、以及相应的代价函数，随后进入步骤E；步骤E、分别针对各个采样点位置，以采样点位置中的反射率数据、以及该采样点位置所包含双层云的光谱数据为基础，对双层云的模拟反射率进行更新，当模拟反射率与反射率数据的差异收敛至预设范围时，提取差异最小的模拟反射率值和云特性值，作为双层云云特性反演数据。2.根据权利要求1所述的一种基于双层云的云特性定量反演方法，其特征在于，光谱数据包括MODIS光谱数据、以及VIIRS光谱数据，MODIS光谱数据包括采样点位置的经纬度数据、观测几何数据、以及2.13微米短波红外通道反射率数据，VIIRS光谱数据包括采样点位置的经纬度数据、观测几何数据、以及0.87、1.61、2.25微米短波红外通道反射率数据；激光雷达数据包括采样点位置的经纬度数据和云垂直廓线数据。3.根据权利要求2所述的一种基于双层云的云特性定量反演方法，其特征在于，所述步骤B中利用云层数检测数据判断云类别，以激光雷达数据得到的目标区域内云...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘超，滕诗文，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：