[發(fā)明專利]一種基于像元尺度上不確定性的多源衛(wèi)星AOD融合方法

在審

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• 申請日: 2020-05-15
• 公開（公告）號: CN111737850A
• 公開（公告）日: 2020-10-02
• 發(fā)明（設計）人: 李正強;光潔;赫曉龍;溫亞南;樊程;許華
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 北京方韜法業(yè)專利代理事務所(普通合伙) 11303
• 代理人: 朱麗華

本發(fā)明公開了一種基于像元尺度上不確定性的多源衛(wèi)星AOD融合方法，屬于衛(wèi)星遙感應用技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括：對多源衛(wèi)星AATSR AOD產(chǎn)品的數(shù)據(jù)集進行預處理；再基于預處理后的多源衛(wèi)星AATSR AOD產(chǎn)品的不確定性數(shù)據(jù)集，利用熵值法構(gòu)建單位像元AATSR AOD融合權(quán)重計算模型，計算單位像元AATSR AOD的融合權(quán)重；再利用加權(quán)平均融合法進行融合運算，得到多源衛(wèi)星融合后的AOD數(shù)據(jù)集。本發(fā)明使用熵值法構(gòu)建了融合權(quán)重計算模型，相較于查找表法運算邏輯簡單，運算速度快，準確性高且穩(wěn)定性強，不僅能滿足高空間覆蓋率要求，還能保證融合產(chǎn)品的質(zhì)量，提高融合產(chǎn)品的應用價值，為大氣環(huán)境監(jiān)測提供重要的輸入數(shù)據(jù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及大氣衛(wèi)星遙感應用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于像元尺度上不確定性的多源衛(wèi)星AOD融合方法。

背景技術(shù)

氣溶膠光學厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)是指氣溶膠消光系數(shù)從地面到大氣頂部的垂直積分，描述的是氣溶膠對光的削減作用。它是氣溶膠最重要的參數(shù)之一，也是氣溶膠遙感研究最多的參數(shù)之一，在很多與氣溶膠相關(guān)的領(lǐng)域中，如氣溶膠輻射強迫，遙感影像的大氣校正等，AOD都是很重要的輸入?yún)?shù)。氣溶膠是大氣中的主要污染物，PM2.5顆粒物能夠攜帶和運輸有害物質(zhì)，嚴重威脅人類健康。

為了生產(chǎn)出與地面觀測數(shù)據(jù)一致性較高的AOD產(chǎn)品，國內(nèi)外的學者開發(fā)了很多針對性的融合算法，其中應用最廣泛的是簡單平均融合法和加權(quán)平均融合法。該簡單平均融合法使用的是簡單數(shù)學平均法，融合產(chǎn)品的像元AOD值用由參與融合的單位像元多源衛(wèi)星氣溶膠光學厚度值求和后，除以多源衛(wèi)星產(chǎn)品的個數(shù)所得的值表示。該簡單加權(quán)平均融合法是在簡單加權(quán)平均的基礎(chǔ)上，將考慮地表反射率或氣溶膠類型等影響衛(wèi)星反演氣溶膠質(zhì)量的因素，量化為權(quán)重因子后進行加權(quán)融合。但這些傳統(tǒng)的簡單平均融合算法雖然計算的過程簡單，但是融合結(jié)果的誤差較大，無法保證融合產(chǎn)品的精確性。

此外，Mei等(2007)首次基于最小二乘法完成了對MODIS和SeaWIFS數(shù)據(jù)的融合，并基于地基觀測數(shù)據(jù)對融合結(jié)果進行了驗證。Leptoukh等(2007)采用最大似然估計法基于MODIS和MISR氣溶膠光學厚度數(shù)據(jù)進行了融合,通過與單一傳感器反演的氣溶膠光學厚度對比，發(fā)現(xiàn)融合后的AOD產(chǎn)品覆蓋度明顯提高了。Chatterjee等(2010)將地學統(tǒng)計方法應用到了多源衛(wèi)星氣溶膠融合算法的開發(fā)中，并完成了基于MODIS AOD和MISR AOD的融合，然后使用AERONET地基觀測氣溶膠光學厚度數(shù)據(jù)對融合的AOD產(chǎn)品進行了驗證，發(fā)現(xiàn)融合產(chǎn)品更加接近地基測量數(shù)據(jù)。Tang等(2016)還提出了一種基于貝葉斯最大熵(Bayesian maximumentropy method,BME)的多源氣溶膠融合算法，將影響融合結(jié)果的不確定性因素通過貝葉斯最大熵法進行了量化。Xie等(2018)通過查找表法構(gòu)建不確定性數(shù)據(jù)集作為融合權(quán)重，并使用最大似然法融合多源衛(wèi)星AOD，該方法通過插值計算的融合權(quán)重穩(wěn)定性差，無法保證融合結(jié)果的準確性。

最小二乘融合法和最大似然融合法主要基于查找表法構(gòu)建融合權(quán)重，然后使用最大似然估計法或最小二乘擬合法融合氣溶膠光學厚度產(chǎn)品。查找表方法雖然可一定程度上提高計算速度，但是前期查找表的構(gòu)建過程中比較耗時，建立查找表依賴的參數(shù)不具有普遍適用性和移植性。在實際運行計算中，查找表的加載占據(jù)一定的內(nèi)存空間，也會使得運行處理效率較低。還有，查找表的運用過程中的插值計算比較復雜，且不同的插值方法會得到不同的計算結(jié)果，算法不具有穩(wěn)定性，所得融合權(quán)重不確定性較大，導致融合結(jié)果不具有應用價值。

從上可知，上述算法均沒有考慮到產(chǎn)品在像元尺度上的不確定性。而要充分利用不同AOD數(shù)據(jù)集的優(yōu)勢，生產(chǎn)更為完整、準確具有時空一致性的氣溶膠數(shù)據(jù)集，需要充分考慮原始氣溶膠數(shù)據(jù)集的像元尺度的系統(tǒng)誤差和不確定性。因此，本申請要創(chuàng)設一種基于像元尺度上不確定性的多源衛(wèi)星AOD融合方法，使其能夠結(jié)合產(chǎn)品在像元尺度上的不確定性，提高多源衛(wèi)星AOD產(chǎn)品的完整度、準確性和空間覆蓋率，使其與地基站點觀測數(shù)據(jù)一致性良好。

發(fā)明內(nèi)容