【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及模拟方法，尤其涉及一种可见光谱段全球大气顶辐射快速模拟方法。
技术介绍
1、随着经济的快速发展，人类活动对环境的影响日益严重，遥感在气候变化、环境监测、具有大规模、快速观测能力的数值模拟等地球科学相关领域中发挥着重要作用，地球大气系统中的辐射传输模式被广泛用于卫星和其他平台上的传感器的研发、优化、校准、监测和数据应用，在轨运行期间，遥感数据仿真技术已成功应用于卫星l1数据质量监测和问题诊断，以保持数据性能。
2、由于全球海洋具有相对稳定、均匀、覆盖面积大的优势，卫星观测模拟主要选择全球海洋尤其是晴空下进行数据质量监测和诊断，它通常涉及利用快速准确的辐射传输模型对全球传感器观测进行模拟，在微波和红外光谱区域得到了很好的应用，有助于提高数据质量。
3、在地球大气系统中大气辐射传输的各种计算模型和软件已经被建立，通过具体输入大气和地表参数，可以定量计算传感器接收到的光谱辐射、大气透过率等特征，在光学谱段，有两种辐射传输模型被广泛使用，分别是modtran和6sv，后者只聚焦于太阳光谱，利用精确模式在清洁海洋上进行全球模拟，推导出传感器在轨道上的极化特性，揭示数据在空间分布、扫描和极化依赖等方面的质量缺陷，可以更全面地评价卫星数据的质量。
4、随着快速辐射传输模式的出现，实现了基于全局仿真的可见光波段在轨数据质量监测，目前，应用最广泛的快速辐射传输模式有两种代表性模型，分别是20世纪90年代以来开发的rttov和2000年以后开发的crtm，目前流行的这两种模式在红外和微波领域已经比较成
5、利用精确模式模拟时，选取晴空目标，根据采集时的实际太阳角度和观测角度、光谱响应函数以及相应的地表和大气性质，用6sv计算光谱辐射，由于可见光区域快速辐射传输模拟的发展相对落后，基于全球观测模拟的辐射质量监测能力受到限制，这个6sv模型是准确的，但是考虑到吸收、散射等过程，计算很耗时，快速辐射传输模式相继出现。
6、快速模式拟合方案，常用的方法为最小二乘法，但由于对估计的残差性能差，异常数据会严重影响回归精度，且可见光谱段需考虑多次散射过程，快速辐射传输模型发展相对滞后，限制了基于全球观测模拟的辐射质量监测能力，为此我们提出一种可见光谱段全球大气顶辐射快速模拟方法。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是解决现有技术中的问题，提供一种可见光谱段全球大气顶辐射快速模拟方法。
2、本专利技术的技术方案是：
3、一种可见光谱段全球大气顶辐射快速模拟方法包括以下步骤：
4、步骤一，准备训练测试样本：
5、1)利用aqua/modis对快速海洋模拟方案进行测试和验证；
6、2)选取8个可见光波段，分别是波段1、波段3、波段4、波段8、波段9、波段10、波段11和波段12，这八个光波段按顺序分别对应波长分别为645nm、469nm、555nm、412nm、443nm、488nm、531nm和547nm；
7、3)使用aqua/modis的6sv在全球深海中模拟在大气清澈的情况下观测到的toa反射率；
8、步骤二，选择偏差关键影响因子：
9、利用xgboost算法计算特征重要度，并对影响仿真结果的关键因素进行排序，筛选出影响仿真结果的关键因素，特征重要度计算方法为：
10、
11、其中,vimj是特征j的信息增益,是所有特征的增益之和；
12、步骤三，建立快速辐射传输模式：
13、采用多项式回归法和xgboost法建立快速辐射传输模式，实现在散射效应较强的可见光波段实现快速toa反射率模拟；
14、多项式回归模型定义如下：
15、f＝wx
16、其中，w＝(w0，w1，...，wp),其中wi为i阶多项式系数，x为选取的关键影响因子，p为多项式的最高次；
17、xgboost回归模型的目标函数定义为：
18、
19、其中，i表示第i个样本，l表示损失函数，yi表示实际值，表示模型预测值，ft(xi)表示第t棵树，c是常数项，ω(ft)表示正则化项，其中t表示树的叶子节点数，w表示叶子节点权重，γ和λ表示超参数；
20、步骤四，评价指标：
21、评估快速模拟模型的性能，使用多个统计指标，多个所述统计指标包括决定系数(r2)、平均绝对误差(mae)、均方根误差(rmse)，以及6sv模拟(refsim)和快速模型预测反射率(refpre)之间的百分比差(pdif＝refpre/refsim-1)。
22、优选的，步骤一中训练测试样本输入参数的具体范围为:太阳天顶角10°～70°，传感器天顶角0°～60°，aod在550nm 0.006～0.3，风速0.006～7m/s，柱水汽含量0.3～5.4g/cm2，柱臭氧含量0.3～0.4cm-atm。
23、优选的，步骤一在模拟数据集中，70％用于快速模型训练，形成训练集，30％用于模型测试，形成测试集。
24、优选的，步骤四还需使用决定系数(r2)，平均绝对误差(mae)，均方根误差(rmse)等统计指标评估模型性能，并考虑偏差对影响因素的依赖性，以判断模型是否足够好。
25、一种可见光谱段全球大气顶辐射快速模拟方法的实施流程，包括：
26、流程一，基于偏差影响因素分析得到的偏差关键影响因子，作为模型的输入；
27、流程二，通过将偏差关键影响因子进行不同组合，构建不同模型进行训练及预测；
28、流程三，构建样本训练集和测试集；
29、流程四，采用多项式回归模型、xgboost模型构建训练模型，并对模型的参数进行初始化设置；
30、流程五，不断迭代，直到满足预测精度要求，结束训练；
31、流程六，通过调整参数，输出模型的预测值，并将原始模拟值与模型预测值对比分析，评价预测效果，得到最终偏差影响因子。
32、本专利技术采用上述结构，具有以下的优点：
33、1.改变了传统辐射传输模型耗时长、计算复杂度高的缺点，通过引入机器学习方法来实现对可见光波段散射效应的快速模拟，同时提升了计算效率；2.可以进行快速辐射传输模拟，并且有较好的模拟精度。
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1.一种可见光谱段全球大气顶辐射快速模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种可见光谱段全球大气顶辐射快速模拟方法，其特征在于：所述步骤一中训练测试样本输入参数的具体范围为:太阳天顶角10°～70°，传感器天顶角0°～60°，AOD在550nm 0.006～0.3，风速0.006～7m/s，柱水汽含量0.3～5.4g/cm2，柱臭氧含量0.3～0.4cm-atm。
3.根据权利要求1所述的一种可见光谱段全球大气顶辐射快速模拟方法，其特征在于：所述步骤一在模拟数据集中，70％用于快速模型训练，形成训练集，30％用于模型测试，形成测试集。
4.根据权利要求1所述的一种可见光谱段全球大气顶辐射快速模拟方法，其特征在于：所述步骤四还需使用决定系数(R2)，平均绝对误差(MAE)，均方根误差(RMSE)等统计指标评估模型性能，并考虑偏差对影响因素的依赖性，以判断模型是否足够好。
5.一种如权利要求1所述的可见光谱段全球大气顶辐射快速模拟方法的实施流程，其特征在于：包括：
【技术特征摘要】
1.一种可见光谱段全球大气顶辐射快速模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种可见光谱段全球大气顶辐射快速模拟方法，其特征在于：所述步骤一中训练测试样本输入参数的具体范围为:太阳天顶角10°～70°，传感器天顶角0°～60°，aod在550nm 0.006～0.3，风速0.006～7m/s，柱水汽含量0.3～5.4g/cm2，柱臭氧含量0.3～0.4cm-atm。
3.根据权利要求1所述的一种可见光谱段全球大气顶辐射快速...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙凌，马艳红，
申请(专利权)人：国家卫星气象中心国家空间天气监测预警中心，
类型：发明
国别省市：
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