[發(fā)明專利]一種基于太陽(yáng)-云-衛(wèi)星觀測(cè)幾何的云下地表溫度估算方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210204091.5
• 申請(qǐng)日: 2022-03-03
• 公開（公告）號(hào): CN114564767A
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 獨(dú)文惠;覃志豪;范錦龍;鮑寬樂;趙春亮;李仕峰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所
• 主分類號(hào): G06F30/10
• 分類號(hào): G06F30/10;G06F30/27;G06F111/10
• 代理公司: 成都宏田知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 51337
• 代理人: 菅秀君

本發(fā)明屬于遙感應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種考慮太陽(yáng)?云?衛(wèi)星觀測(cè)幾何的云下地表溫度估算方法，具體涉及了一種基于集成學(xué)習(xí)模型的FY?3D MERSI?II云下地表溫度估算算法，云下地表溫度的估算主要是針對(duì)FY?3D MERSI?II圖像的考慮由于太陽(yáng)?地表?衛(wèi)星的幾何觀測(cè)結(jié)構(gòu)，將云下像元分為云遮擋與云覆蓋像元，并針對(duì)兩部分像元不同的溫度成因機(jī)制利用集成學(xué)習(xí)模型進(jìn)行地表溫度估算。估算過程中，結(jié)合了MODTRAN輻射傳輸模型，綜合了太陽(yáng)輻射、大氣和地表和降水氣象條件等相關(guān)的多重地表溫度驅(qū)動(dòng)因子，建立了一套實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)算云下地表溫度的流程方法，實(shí)現(xiàn)了FY?3D MERSI?II圖像自動(dòng)全天候地表溫度圖像估算，提高FY?3D MERSI?II高分辨率地表溫度數(shù)據(jù)適用性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于遙感應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于太陽(yáng)-云-衛(wèi)星觀測(cè)幾何的云下地表溫度估算方法。

背景技術(shù)

地表溫度(LST)是地表-大氣相互作用在區(qū)域和全球尺度上能量交換結(jié)果的一種綜合表征，廣泛地應(yīng)用于地表能量平衡、旱災(zāi)監(jiān)測(cè)、農(nóng)田土壤水分管理、農(nóng)作物估產(chǎn)、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和氣候變化等領(lǐng)域中。遙感觀測(cè)具有空間連續(xù)、周期短且成本低的特點(diǎn)，因此是獲取區(qū)域以至全球尺度LST時(shí)空分布信息的有效技術(shù)手段。在實(shí)際發(fā)明與應(yīng)用中，由于測(cè)量的便捷性和成熟的晴空LST反演算法，地表溫度數(shù)據(jù)仍主要通過熱紅外(Thermal Infrared,TIR)遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取。目前基于熱紅外遙感的MODIS、GLASS、FY3C/VIRR(可見光紅外掃描輻射計(jì))等地表溫度產(chǎn)品，已廣泛應(yīng)用于變化檢測(cè)，干旱監(jiān)測(cè)和氣候變化發(fā)明。然而，TIRLST在有云情況下不可用，TIR信號(hào)不能穿透云層到達(dá)地表，熱紅外傳感器所觀測(cè)的云像元熱輻射主要來(lái)自云層頂部，而不是云層下地表的熱輻射。熱紅外遙感影像中云像元的溫度實(shí)際是云頂溫度，而不是云下的地表溫度。云覆蓋像元地表溫度信息的缺失在很大程度上破壞了區(qū)域地表溫度時(shí)空分布的完整性和連續(xù)性，嚴(yán)重阻礙和限制了地表溫度產(chǎn)品的應(yīng)用和發(fā)展。許多遙感應(yīng)用中，如氣候變化調(diào)查、蒸散量估算、城市熱島等，經(jīng)常遇到因無(wú)法估算云像元地表溫度而不能對(duì)發(fā)明區(qū)進(jìn)行全面有效監(jiān)測(cè)的難題。云覆蓋導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺失是當(dāng)前地表溫度數(shù)據(jù)應(yīng)用的重要障礙。全面掌握全天候LST空間格局分布和時(shí)間演變規(guī)律，對(duì)于地表資源環(huán)境監(jiān)測(cè)、地氣系統(tǒng)能量平衡和生態(tài)系統(tǒng)等相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域發(fā)明都具有非常重要的實(shí)際意義。

近年來(lái)，集成學(xué)習(xí)(Ensemble Learning)成為機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)展的新趨勢(shì)。通過將結(jié)合一系列的弱學(xué)習(xí)器(weak learner)組合成精度更高和泛化能力更強(qiáng)的新模型，可以改善原算法功能單一，易于出現(xiàn)過擬合的缺陷。隨機(jī)森林(RF)和梯度增強(qiáng)回歸樹(GBRT)和自回歸極端梯度上升算法(XGBoost)是近年來(lái)發(fā)展的新興集成學(xué)習(xí)模型，不僅對(duì)不同場(chǎng)景有較好的適用性，且具有出眾的準(zhǔn)確率。其中，GBRT和XGBoost使用boosting的集成決策樹算法，而隨機(jī)森林(RF)是使用bagging的集成決策樹算法。這三種集成算法已經(jīng)在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、地學(xué)、交通、能源、農(nóng)業(yè)工程和工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并取得了比較理想的分類或回歸效果。云下地表溫度估算問題屬于多元回歸問題，因此應(yīng)用這三種集成回歸算法進(jìn)行FY-3D MERSI-II云下地表溫度的模擬運(yùn)算發(fā)明。

風(fēng)云三號(hào)(FY-3)系列衛(wèi)星是我國(guó)第二代極軌氣象衛(wèi)星，F(xiàn)Y-3D(Fengyun-3D)是第四顆星，2017年11月15日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，其軌道類型為近極地太陽(yáng)同步軌道，共攜帶中分辨率光譜成像儀(MERSI-II)、微波成像儀(MWRI)、微波溫度計(jì)(MWHS-2)等10個(gè)觀測(cè)儀器。中分辨率光譜成像儀II(Medium Resolution Spectral Imager II,MERSI-II)是該衛(wèi)星的主要傳感器之一，其觀測(cè)能力有較大提升，可以媲美美國(guó)新發(fā)射的聯(lián)合極軌衛(wèi)星。為充分發(fā)揮我國(guó)氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)在國(guó)內(nèi)外基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源和技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提升國(guó)產(chǎn)氣象衛(wèi)星的綜合應(yīng)用價(jià)值和服務(wù)能力，國(guó)產(chǎn)氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)算法發(fā)明還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。