[發(fā)明專利]一種提高短波紅外衛(wèi)星二氧化碳反演速度的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410168723.2
• 申請日: 2014-04-24
• 公開（公告）號: CN103955607B
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄒銘敏;陳良富;陶金花;張瑩;范萌;蘇林
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 北京東方匯眾知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11296
• 代理人: 張淑賢,朱元萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及衛(wèi)星大氣遙感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及短波近紅外波段二氧化碳衛(wèi)星遙感最優(yōu)化反演方法。

背景技術(shù)

IPCC認為，近一個世紀以來大氣二氧化碳濃度的迅速上升導致了全球氣候變暖，二氧化碳的濃度及其空間分布是全球氣候變化評估中的主要不確定因素之一。由于二氧化碳的主要源匯集中在近地層大氣，所以大氣底層二氧化碳濃度的分布成為研究熱點。傳統(tǒng)地基觀測網(wǎng)點分布稀疏，其觀測數(shù)據(jù)不能滿足應(yīng)用需求，衛(wèi)星遙感技術(shù)則可以彌補地基點觀測數(shù)據(jù)有限的缺陷。美國于20世紀七十年代最先設(shè)計了由于大氣遙感探測的衛(wèi)星傳感器HIRS，早期主要用于探測大氣中二氧化碳和水汽，反演大氣的溫度廓線。早期的傳感器主要利用大氣的熱輻射信息，衛(wèi)星傳感器記錄的熱輻射數(shù)據(jù)對近地層大氣狀態(tài)參數(shù)不敏感，包含的近地層大氣狀態(tài)信息量很少。紫外-可見光-短波近紅外遙感方式則可以彌補熱紅外遙感的這一缺陷，該波段范圍內(nèi)衛(wèi)星傳感器接收的是經(jīng)過地表反射的太陽輻射，包含了近地層大氣狀態(tài)參數(shù)信息。當前已有的溫室氣體短波近紅外衛(wèi)星遙感監(jiān)測，包括有ENVISAT上搭載的SCIAMACHY觀測數(shù)據(jù)，日本的GOSAT搭載的TANSO-FTS傳感器觀測數(shù)據(jù)。具有極高光譜分辨率的二氧化碳近紅外遙感衛(wèi)星可以提供上千通道的觀測數(shù)據(jù)，包含了二氧化碳的廓線信息，如何有效精確地眾多觀測數(shù)據(jù)中計算提取二氧化碳的濃度信息？這是二氧化碳衛(wèi)星遙感反演工作研究的核心。

大氣輻射傳輸模型屬于第一類非線性Fredholm方程，所以基于輻射傳輸模型的二氧化碳反演問題是不適定的，這使得通常的數(shù)值求解方法失效。大氣廓線的物理反演方法，理論上可以統(tǒng)一到最優(yōu)化理論的框架之下，最優(yōu)化迭代公式作為痕量氣體反演研究中統(tǒng)一的表述方式，通過構(gòu)建目標函數(shù)和選擇尋優(yōu)策略的思路，使用二氧化碳先驗廓線數(shù)據(jù)、權(quán)重函數(shù)、先驗協(xié)方差矩陣、觀測誤差協(xié)方差矩陣、衛(wèi)星二氧化碳通道的實際觀測值等，以迭代的形式逐步反演得到真解。近紅外二氧化碳衛(wèi)星遙感中，利用最優(yōu)化估計方法反演二氧化碳時，受先驗初始值以及先驗協(xié)方差矩陣的影響，往往會出現(xiàn)由于初始猜值廓線離真實值太遠而迭代步長較小導致迭代無法收斂。此時，通過向最優(yōu)化迭代公式中增加一個步長因子，并依據(jù)定義的代價函數(shù)值的變化趨勢，實時更新步長因子的值，可以快速實現(xiàn)二氧化碳濃度反演迭代收斂提供技術(shù)支持。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種短波紅外衛(wèi)星二氧化碳反演中迭代步長因子尋優(yōu)方法，要解決的技術(shù)問題是：提供一種向最優(yōu)化反演中增加迭代步長因子并實時更新迭代因子取值的方法，作為實現(xiàn)短波近紅外波段衛(wèi)星遙感二氧化碳快速反演問題的技術(shù)手段。

本發(fā)明短波紅外衛(wèi)星數(shù)據(jù)二氧化碳反演中迭代步長因子尋優(yōu)方法的步驟包括：

S1、利用來自大氣模式模擬的二氧化碳先驗廓線數(shù)據(jù)，計算地理網(wǎng)格化的二氧化碳先驗協(xié)方差矩陣；

S2、將所述二氧化碳先驗廓線數(shù)據(jù)輸入到輻射傳輸模型中，計算得到大氣整層透過率初始值，基于逐層強制干擾的方法用正向模型計算每層廓線二氧化碳濃度的權(quán)重函數(shù)，得到權(quán)重函數(shù)矩陣；

S3、第一次迭代時，從所述二氧化碳先驗廓線數(shù)據(jù)中挑選二氧化碳先驗值輸入正向模型，設(shè)定迭代步長因子的初始值，若非第一次迭代，則用上次迭代中的步長因子值，讀入衛(wèi)星二氧化碳通道實際觀測值，利用最優(yōu)化迭代模型迭代計算二氧化碳濃度值，并將所述二氧化碳濃度值輸入所述正向模型，計算衛(wèi)星觀測模擬值；

S4、利用步驟S3所述衛(wèi)星觀測模擬值，計算代價函數(shù)值；若所述代價函數(shù)值在誤差閾值以內(nèi)，則反演結(jié)束，步驟S3所述二氧化碳濃度值即為反演結(jié)果；否則繼續(xù)迭代；第一次迭代時，比較用所述衛(wèi)星觀測模擬值計算得到的代價函數(shù)值和用所述二氧化碳先驗值計算得到的代價函數(shù)值；若非第一次迭代，則比較本次和上次迭代后計算得到的代價函數(shù)值；若本次迭代后計算的代價函數(shù)值相對減小，則反演結(jié)束；繼續(xù)迭代時，減小步長因子值，返回步驟S3。

在本發(fā)明的方法中步驟S2所述逐層強制干擾的方法是：向二氧化碳廓線的第一層濃度數(shù)據(jù)數(shù)增加一定比例的變量，然后將其輸入到所述輻射傳輸模型，再次正向計算大氣整層透過率更新值，結(jié)合所述大氣整層透過率更新值和所述大氣整層透過率初始值，得到第一層二氧化碳濃度的權(quán)重函數(shù)；依次向二氧化碳廓線中其他層的濃度增加變量，計算得到廓線中每層二氧化碳濃度的權(quán)重函數(shù)。

在本發(fā)明的方法中步驟S3所述最優(yōu)化迭代模型為：