[發(fā)明專利]一種基于空間優(yōu)化插值的衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)校正方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910291528.1
• 申請(qǐng)日: 2019-04-12
• 公開（公告）號(hào): CN110118982B
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張璐;辛卓航;劉志紅;葉磊;劉彤;梁團(tuán)豪;王曉妮;張弛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué);南京大學(xué);松遼水利委員會(huì)流域規(guī)劃與政策研究中心
• 主分類號(hào): G01S19/41
• 分類號(hào): G01S19/41;G01S19/42;G01W1/10;G01W1/14;G06N3/12
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

1.一種基于空間優(yōu)化插值的衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)校正方法，其特征在于包括以下步驟：

(1)獲取數(shù)據(jù)

獲取衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)，同時(shí)收集同一地區(qū)的地面降水觀測(cè)站的日降水量數(shù)據(jù)；

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理

修正衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)與地面日降水量觀測(cè)數(shù)據(jù)的觀測(cè)時(shí)差，并將其存儲(chǔ)為文檔形式以便調(diào)用；

(3)選取評(píng)價(jià)指標(biāo)

選取相關(guān)系數(shù)CC、均方根誤差RMSE、平均絕對(duì)誤差MAE、相對(duì)誤差BIAS作為衛(wèi)星降水產(chǎn)品精度的評(píng)價(jià)指標(biāo)；

(4)確定衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)的優(yōu)化插值范圍

首先，以地面降水觀測(cè)站點(diǎn)為中心，依次以衛(wèi)星降水柵格的1倍對(duì)角線長(zhǎng)度為半徑、2倍對(duì)角線長(zhǎng)度為半徑、……以此類推，確定搜索范圍進(jìn)行搜索；

其次，搜索范圍半徑為1倍對(duì)角線長(zhǎng)度時(shí)以該搜索范圍覆蓋面積最大的4個(gè)衛(wèi)星降水柵格作為插值范圍，搜索范圍半徑為2倍對(duì)角線長(zhǎng)度時(shí)以該搜索范圍覆蓋面積最大的16個(gè)衛(wèi)星降水柵格作為插值范圍，……以此類推；當(dāng)?shù)孛娼邓^測(cè)站點(diǎn)與衛(wèi)星降水柵格中心完全重疊時(shí)，衛(wèi)星降水柵格數(shù)在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)下加1；確定插值范圍后，采用反距離權(quán)重法進(jìn)行插值，得到各范圍衛(wèi)星降水的常規(guī)插值結(jié)果：

式中，R_IDW為衛(wèi)星降水經(jīng)反距離權(quán)重法插值得到的降水?dāng)?shù)據(jù)，R_i為參與插值的第i個(gè)衛(wèi)星降水柵格，α_i為第i個(gè)衛(wèi)星降水柵格的權(quán)重，h_i為第i個(gè)衛(wèi)星降水柵格中心點(diǎn)到地面實(shí)測(cè)點(diǎn)的距離，m為參與插值的柵格總數(shù)，p為任意正實(shí)數(shù)；最后，對(duì)比評(píng)價(jià)不同插值范圍的衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)經(jīng)反距離權(quán)重法插值所得降水?dāng)?shù)據(jù)與地面實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)的擬合程度，計(jì)算步驟(3)中的各項(xiàng)指標(biāo)；對(duì)于同一衛(wèi)星降水產(chǎn)品的任意兩種插值范圍，以參與插值的柵格數(shù)多者為大范圍，少者為小范圍，采用優(yōu)化插值范圍選擇流程進(jìn)行篩選，對(duì)大、小范圍的插值結(jié)果優(yōu)劣性和差異性依次進(jìn)行判斷，差異性判別的閾值可根據(jù)具體區(qū)域進(jìn)行調(diào)整；若大范圍評(píng)價(jià)結(jié)果優(yōu)于小范圍且差異顯著，則選擇大范圍作為優(yōu)化插值的范圍；否則選擇小范圍；

所述的優(yōu)化插值范圍選擇流程為：

小范圍插值結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)為CC_S、RMSE_S、MAE_S、BIAS_S，大范圍插值結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)為CC_L、RMSE_L、MAE_L、BIAS_L；

1)進(jìn)行優(yōu)劣性判定，判定條件為：CC_L＞CC_S、RMSE_L＜RMSE_S、MAE_L＜MAE_S、BIAS_L＜BIAS_S，是否至少滿足三項(xiàng)，若滿足，則繼續(xù)進(jìn)行差異性判定；若不滿足，則判定優(yōu)化插值范圍確定為小范圍；

2)差異性判定條件，判定條件為：CC_L-CC_S＞0.1、RMSE_S-RMSE_L＞0.5、MAE_S-MAE_L＞0.2、BIAS_S-BIAS_L＞5％，是否至少滿足三項(xiàng)，若滿足，則判定優(yōu)化插值范圍確定為大范圍；若不滿足，則判定優(yōu)化插值范圍確定為小范圍；

(5)降水強(qiáng)度分級(jí)

根據(jù)步驟(1)收集的地面觀測(cè)站點(diǎn)的日降水量，參考國(guó)家氣象局頒布的降水強(qiáng)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，將該地區(qū)的降水資料分為小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨；

(6)衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)分級(jí)優(yōu)化插值

對(duì)步驟(5)分級(jí)后的各級(jí)降水分別以步驟(4)確定的空間插值范圍進(jìn)行優(yōu)化插值：

式中，R_WO為優(yōu)化插值法得到的降水，R_i為參與插值的第i個(gè)衛(wèi)星降水柵格，β_i為優(yōu)化的第i個(gè)衛(wèi)星降水柵格的權(quán)重，m為參與插值的柵格總數(shù)；

與常規(guī)插值方法不同，此處不限定權(quán)重之和為1，但需保證插值結(jié)果的合理性，在公式(2)中以降水值非負(fù)為優(yōu)化插值的約束條件：

對(duì)比衛(wèi)星降水在不同權(quán)重組合下的插值結(jié)果與地面觀測(cè)值，計(jì)算步驟(3)中各項(xiàng)指標(biāo)，以CC最大、RMSE最小、MAE最小和BIAS最小作為優(yōu)化目標(biāo)；

優(yōu)化過程中，首先采用遺傳算法分別以CC最大、RMSE最小、MAE最小和BIAS最小為目標(biāo)進(jìn)行單目標(biāo)權(quán)重優(yōu)化，初步估計(jì)權(quán)重的優(yōu)范圍；其次，在初步估計(jì)的優(yōu)范圍內(nèi)，采取0.001～0.02的精細(xì)步長(zhǎng)進(jìn)行遍歷搜索；最后，利用搜索獲得的最優(yōu)權(quán)重進(jìn)行插值計(jì)算，得到滿足多優(yōu)化目標(biāo)的降水校正結(jié)果：

式中，R_WO,best為最優(yōu)權(quán)重下的降水校正值，R_i為參與插值的第i個(gè)衛(wèi)星降水柵格，β_i,best為第i個(gè)衛(wèi)星降水柵格的最優(yōu)權(quán)重，m為參與插值的柵格總數(shù)。