[發明專利]應用于碳衛星的太陽誘導葉綠素熒光反演算法

在審

• 申請號: 202110262901.8
• 申請日: 2021-03-11
• 公開（公告）號: CN113281274A
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發明（設計）人: 姚璐;劉毅;楊東旭
• 申請（專利權）人: 中國科學院大氣物理研究所
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31;G01N21/64
• 代理公司: 北京華際知識產權代理有限公司 11676
• 代理人: 葉宇

本發明公開了提供了應用于碳衛星的太陽誘導葉綠素熒光反演算法,可分別基于Fe和KI太陽夫瑯禾費線獲取相應波長處的SIF值，該方法可以基于簡單的物理模型，從光譜中反演出準確的SIF信號，避免了全物理算法中大量的輻射傳輸計算，降低了對硬件的要求，具有較高的計算效率；同時通過差分吸收光譜技術簡單模擬了大氣輻射傳輸過程，對于本就微弱的SIF信號而言，由于在算法中同步考慮了大氣分子吸收線翼區的影響，有效地改善了SIF的反演精度，本方法避免了前期大量訓練集的篩選工作，從而使得反演結果更具有穩定性而不受經驗參數設置和訓練集的影響，能夠僅僅通過改變輸入的觀測光譜和收斂控制參數即可進行反演計算。

技術領域

本發明涉及氣象圖譜處理技術領域，特別涉及應用于碳衛星的太陽誘導葉綠素熒光反演算法。

背景技術

隨著氣候變化的日益嚴峻和國際氣候談判的不斷深入，準確可靠的碳源/匯評估結果將直接關系到國家的能源使用權和減排方案的實施效率。地表植被在太陽光照條件下進行光合作用，在此過程中會釋放出波長較長的電磁輻射信號，即太陽誘導葉綠素熒光(后文簡稱為 SIF)。SIF的發射強度由葉片生理條件主導，與光合作用效率直接相關，是植物光合作用的理想“探針”，能夠及時準確地反映植物光合作用的真實工作狀態，對精確監測植被生長狀態和總初級生產力估算具有重要的現實意義，也是目前唯一能夠以觀測方式直接獲取、有效建立大氣圈和生態圈碳循環過程聯系的植被參數。

近年來，隨著衛星遙感技術在大氣成分和植被觀測中的快速發展和廣泛應用，從衛星光譜中分離出的SIF信號，為生態和碳循環研究提供了長期高效的全球觀測和數據支撐。然而，由于SIF信號極其微弱，約占入瞳太陽輻射量的1％～5％，如何從衛星觀測的地面反射太陽輻射光譜中準確分離出這一信號成了最關鍵問題。

經過近10年的衛星遙感SIF研究，國內外主要發展出了3類應用于SIF信號反演的技術手段：基于大氣輻射傳輸過程的全物理算法、簡化的物理模型算法以及數據驅動算法。基于大氣輻射傳輸過程的全物理算法將利用大氣輻射傳輸模型模擬地表SIF發射在大氣中的完整傳輸過程，在此過程中會考慮大氣的吸收、散射等效應；該方法的反演計算結果依賴于大氣輻射傳輸模式的準確程度，雖具有較高的準確性和精度，但會耗費大量的計算資源。簡化的物理模型算法基于太陽夫瑯禾費線不受地球大氣分子吸收影響的原理，根據比爾瑯勃定律和差分吸收光譜技術建立一個簡單的輻射傳輸模型，從光譜中提取出SIF對太陽夫瑯禾費線的填充效應，該方法具有結果精度高、移植性強、計算速度快的特點，但由于該方法忽略了地球大氣強烈吸收的影響，因此在擬合光譜波段上需要選擇無強烈大氣吸收的大氣窗口，同時需要太陽光譜及其透過率光譜作為輔助數據。數據驅動算法主要基于特征向量分解技術，該方法將衛星觀測光譜信號分為非熒光信號和SIF發射信號兩個部分，通過在全球范圍內建立非熒光目標的衛星觀測光譜訓練集，通過特征向量分解技術對訓練集光譜進行特征提取，并用提取到的少量特征的線性組合來表達觀測到的非熒光信號，從而可以從原始觀測光譜中提取出熒光信號，該方法不考慮輻射傳輸的物理過程，具有極高的計算效率，但是該算法前期需要選擇大量的訓練樣本，且計算結果會強烈依賴于算法中經驗參數的設置和訓練集的選取，對不同衛星的適用性較差。

以上算法在國內外衛星的SIF反演中分別表現出了各自較為明顯的優缺點，而針對中國碳衛星的SIF反演方法仍存在較多不足之處以待改進，如基本原理、波段選擇方案、大氣傳輸簡化方案等。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于中國碳衛星的太陽誘導葉綠素熒光反演方法，以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

應用于碳衛星的太陽誘導葉綠素熒光反演算法，基于碳衛星實現，包括以下步驟：

步驟1、獲取中國碳衛星星下點模式下觀測的O₂-A波段輻射光譜并進行光譜質量控制；

步驟2、獲取太陽透過率光譜及太陽入射輻照度光譜；