[發(fā)明專利]多源衛(wèi)星氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)的融合方法及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011462665.6
• 申請日: 2020-12-11
• 公開（公告）號: CN112819026B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 梁倩;吳劍斌;陳煥盛;肖林鴻;秦東明;王文丁;樊旭
• 申請（專利權(quán)）人: 中科三清科技有限公司
• 主分類號: G06K9/62
• 分類號: G06K9/62
• 代理公司: 北京北匯律師事務(wù)所 11711
• 代理人: 李英杰

本發(fā)明公開了一種多源衛(wèi)星氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)的融合方法及裝置。該方法包括：獲取靜止衛(wèi)星第一預(yù)設(shè)時間段的數(shù)據(jù)集，獲取極軌衛(wèi)星第二預(yù)設(shè)時間段的數(shù)據(jù)集；對所獲取的數(shù)據(jù)集中靜止衛(wèi)星的氣溶膠光學(xué)厚度和極軌衛(wèi)星的氣溶膠光學(xué)厚度進行預(yù)處理，得到同一時間段各地理區(qū)塊中靜止衛(wèi)星和極軌衛(wèi)星的氣溶膠光學(xué)厚度；建立數(shù)據(jù)融合模型，并利用數(shù)據(jù)融合模型，對預(yù)處理后的同一時間段各個地理區(qū)塊中的靜止衛(wèi)星的氣溶膠光學(xué)厚度和極軌衛(wèi)星的氣溶膠光學(xué)厚度進行數(shù)據(jù)融合。這種方法及裝置選取了極軌衛(wèi)星和靜止衛(wèi)星進行數(shù)據(jù)融合，使用掃描軌道不同且探測器波段不同的兩顆衛(wèi)星，可更加全面地捕捉環(huán)境信息，有效彌補了單一數(shù)據(jù)時間、空間分辨率不足的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及大氣衛(wèi)星遙感技術(shù)領(lǐng)域，更為具體來說，本發(fā)明涉及一種多源衛(wèi)星氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)的融合方法及裝置。

背景技術(shù)

氣溶膠是指懸浮在大氣中的固體(如塵埃、煙粒等)和液體(如由水和冰組成的云霧滴、冰晶等)微粒與大氣載體共同組成的多相體系。氣溶膠作為地氣系統(tǒng)的重要組成部分, 其對包括環(huán)境質(zhì)量、氣候變化和人類健康等在內(nèi)的諸多方面都有重大而深遠的影響。已有研究表明高濃度氣溶膠在靜穩(wěn)天氣條件下不斷積聚凝結(jié)增長是產(chǎn)生大范圍持續(xù)性霧霾天氣的主要因素。

氣溶膠最基本的光學(xué)特性可以用氣溶膠光學(xué)厚度(AOD, Aerosol OpticalDepth)來衡量，其定義為氣溶膠消光系數(shù)沿輻射傳輸路徑在垂直方向上的積分, 為無量綱量。氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）表征氣溶膠對光的衰減作用，體現(xiàn)大氣混濁度或大氣中氣溶膠總含量。無云情況下，AOD的大小與空氣中顆粒物情況有關(guān)。目前，AOD主要通過地基觀測和衛(wèi)星遙感這兩種方式獲取。常規(guī)的地基AOD數(shù)據(jù)精度高，但受限于站點分布的不均, 無法很好地反映較大范圍AOD的空間分布特征。衛(wèi)星AOD產(chǎn)品種類較多，可彌補地基數(shù)據(jù)空間覆蓋度較差的問題。近年來，AOD衛(wèi)星產(chǎn)品已經(jīng)成為支撐大氣環(huán)境與空氣質(zhì)量研究的重要數(shù)據(jù)源。

按照衛(wèi)星的運動軌道，氣象衛(wèi)星主要可分為極軌衛(wèi)星和靜止衛(wèi)星。極軌氣象衛(wèi)星（polar orbit meteorological satellite）也叫太陽同步軌道氣象衛(wèi)星，圍繞地球南北兩極運行，其優(yōu)點是覆蓋全球，觀測領(lǐng)域廣闊。靜止氣象衛(wèi)星是在赤道上空地球同步軌道上工作的氣象衛(wèi)星，與地球自轉(zhuǎn)同步運行，相對地球靜止，可以對同一目標地區(qū)進行15－30分鐘高頻次的觀測，可以捕捉到快速變化的天氣系統(tǒng)，主要用于天氣分析特別是中尺度強對流天氣的預(yù)警和預(yù)報。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)已經(jīng)在大氣環(huán)境鄰域得到廣泛應(yīng)用，基于各類衛(wèi)星的不同傳感器，各機構(gòu)設(shè)計了不同AOD反演算法，并發(fā)布一系列AOD產(chǎn)品。但衛(wèi)星觀測時間、儀器的精度、反演算法等缺陷，嚴重影響了單一AOD產(chǎn)品的使用價值，比如極軌衛(wèi)星雖然覆蓋度較好，但是對于某特定地區(qū)的觀測時間分辨率較低，基于極軌衛(wèi)星的AOD反演產(chǎn)品，難以支撐污染快變過程的分析，靜止衛(wèi)星覆蓋區(qū)域相對固定，但由于受云影響，數(shù)據(jù)覆蓋度相對較低，在中國南方的數(shù)據(jù)覆蓋度只有40%-50%，而且難以滿足大范圍的分析需求。基于多種衛(wèi)星不同算法反演的衛(wèi)星產(chǎn)品，開發(fā)融合集成算法，能夠減少單一算法帶來的不確定性。同時，融合算法能夠有效利用靜止衛(wèi)星與極軌衛(wèi)星各自的優(yōu)勢，提高AOD的數(shù)據(jù)質(zhì)量和其時空分覆蓋度。

下面，對衛(wèi)星AOD遙感反演原理進行簡要說明。在大氣水平均一的假設(shè)條件下，衛(wèi)星傳感器接收到的大氣頂部的輻射信號，既是氣溶膠光學(xué)厚度的函數(shù)，又是下墊面地表反射率的函數(shù)，衛(wèi)星表觀反射率可以表示為（Vermote，1997）：

式中，表示大氣層頂反射率，表示大氣層輻射等效反射率，表示地表反射率，表示大氣下界的半球反射率，表示大氣透過率，為太陽天頂角，為觀測天頂角，為相對方位角。

除地表反射率外，公式右邊的每一項都是氣溶膠類型和氣溶膠光學(xué)厚度的函數(shù)。氣溶膠衛(wèi)星遙感反演實際上是利用衛(wèi)星傳感器探測信號進行地氣解耦的過程，當?shù)乇矸瓷渎瘦^小時，衛(wèi)星觀測的輻射值主要是大氣的貢獻，氣溶膠散射作用使衛(wèi)星接收的輻射值增大，地表反射率確定以后，就可以根據(jù)輻射傳輸方程計算出氣溶膠的光學(xué)厚度。