本申請涉及遙感領(lǐng)域，尤其涉及水云云粒子譜分布反演的方法。

背景技術(shù)：

地球表面約有20％-30％被水云覆蓋，通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演得到的水云光學(xué)特性和微物理特性參數(shù)廣泛應(yīng)用于氣候變化、遙感監(jiān)測、天氣預(yù)報、模式開發(fā)等領(lǐng)域。水云云粒子譜分布包含兩個重要參數(shù)：云滴有效粒子半徑和有效方差。云粒子譜分布的反演多角度偏振方法可以同時獲得云粒子有效半徑和有效方差信息。GF系列衛(wèi)星搭載的大氣氣溶膠多角度偏振探測儀(DPC)能夠提供多角度的偏振觀測數(shù)據(jù)

傳統(tǒng)的多角度偏振方法反演水云粒子譜分布，使用散射角在135°～165°范圍內(nèi)的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)偏振反射相函數(shù)(或偏振反射率)隨散射角變化的曲線分布，反演云滴有效粒子半徑和有效方差。但是對于有效半徑較大的水云云粒子，在135°～165°范圍內(nèi)有效半徑和有效方差變化對偏振反射相函數(shù)(或偏振反射率)的影響較小，因此反演精度受到影響、反演計算效率降低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種確定大顆粒水云云粒子譜分布的方法，解決有效半徑較大的水云云粒子反演精度差、計算效率低的問題。

本申請實施例提供的一種確定大顆粒水云云粒子譜分布的方法，包括以下步驟：

根據(jù)Mie散射理論計算偏振反射率隨散射角、云粒子有效半徑、云粒子有效方差變化的數(shù)據(jù)，組成查找表；所述查找表包含云粒子有效半徑離散值和云粒子有效方差離散值條件下，偏振反射率隨散射角變化的理論向量；

從衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)中獲取水云的多角度偏振觀測信息，計算各個像元的散射角，在每一個反演單元內(nèi)，根據(jù)多角度偏振觀測信息計算散射角在130°～150°范圍內(nèi)任意像元的偏振反射率值，構(gòu)成偏振反射率隨散射角變化的觀測向量；

針對不同的云粒子有效半徑離散值和云粒子有效方差離散值，對所述理論向量進行曲線擬合，得到多個理論曲線；對所述觀測向量進行曲線擬合，得到觀測曲線；比較所述多個理論曲線和所述觀測曲線的相似度，得到與所述觀測曲線最相似的理論曲線。

優(yōu)選地，所述確定大顆粒水云云粒子譜分布的方法中，所述偏振反射率隨散射角變化的理論向量，散射角范圍為130°至150°。進一步優(yōu)選地，所述散射角的間隔為0.5°。

優(yōu)選地，所述確定大顆粒水云云粒子譜分布的方法中，所述查找表中的云粒子有效半徑離散值的范圍從10μm到25μm。進一步優(yōu)選地，所述查找表中的云粒子有效方差離散值為0.01，0.02，0.05和0.1。

優(yōu)選地，本申請任意一項實施例中確定大顆粒水云云粒子譜分布的方法，所述相似度為相關(guān)系數(shù)；或者，所述相似度為均方根誤差。

任意一項實施例所述確定大顆粒水云云粒子譜分布的方法，所述曲線擬合的方法是多項式擬合。

本申請實施例采用的上述至少一個技術(shù)方案能夠達到以下有益效果：由于使用主虹曲線進行反演，計算效率高，該方法在不需要其他輔助數(shù)據(jù)前提下，能夠快速穩(wěn)定的實現(xiàn)較大顆粒云粒子譜分布的反演；由于主虹曲線對應(yīng)大顆粒偏振反射率曲線相對水云粒子譜變化明顯，因此計算精度高；使用本發(fā)明的方法，能夠顯著減小反演單元面積，反演的空間分辨率提高。本發(fā)明的方法實現(xiàn)數(shù)值天氣預(yù)報、人工降雨、云與氣溶膠對氣候效應(yīng)影響研究等方面應(yīng)用的進步。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本申請的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當限定。在附圖中：

圖1為在130°～150°范圍內(nèi)水云粒子偏振反射率隨散射角、水云粒子有效半徑、水云粒子有效方差變化的規(guī)律；

圖2為水云粒子譜反演時的空間觀測坐標和反演單元示意圖，其中，圖2a為水云粒子譜反演時的空間觀測坐標系示意圖，圖2b為空間反演單元示意圖；

圖3為偏振反射率隨散射角、云粒子有效半徑、云粒子有效方差變化的數(shù)據(jù)查找表結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為偏振反射率理論向量、觀測向量、理論曲線、觀測曲線關(guān)系的示意圖；

圖5為本發(fā)明方法確定大顆粒水云云粒子譜分布的方法流程圖。

具體實施方式

為使本申請的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本申請具體實施例及相應(yīng)的附圖對本申請技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒旧暾堉械膶嵤├?，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本申請保護的范圍。

以下結(jié)合附圖，詳細說明本申請各實施例提供的技術(shù)方案。

圖1為在130°～150°范圍內(nèi)水云粒子偏振反射率隨散射角、水云粒子有效半徑、水云粒子有效方差變化的規(guī)律示意圖。圖中為有效半徑r_eff1、有效方差v_eff1的主虹曲線和有效半徑r_eff2、有效方差v_eff2的主虹曲線。根據(jù)散射角與散射強度建立的散射曲線，在散射角為130°～150°的主虹區(qū)，會出現(xiàn)明顯的極化反射峰，而極化反射峰對應(yīng)散射角的角度會隨著云粒子有效半徑變化而變化，并表現(xiàn)為大粒子半徑10～25μm范圍時變化最為敏感，因而可以利用主虹區(qū)的散射峰值所在的散射角判讀較大云粒子顆粒半徑，同時在主虹區(qū)當有效粒子半徑確定，反射波峰、波谷峰的振幅會隨著有效方差的變化而變化，表現(xiàn)為有效方差越小振幅越大。

圖2為水云粒子譜反演時的空間觀測坐標和反演單元示意圖。對水云粒子進行觀測時，要建立空間觀測坐標系，包含云平面、太陽方向、衛(wèi)星觀測方向(云粒子散射方向)、散射角等。圖2a為水云粒子譜反演時的空間觀測坐標系示意圖；包含衛(wèi)星觀測天頂角θ’，衛(wèi)星方位角太陽天頂角θ，太陽方位角偏振散射角Θ。其中偏振散射角是太陽光入射方向和散射方向之間的夾角。利用當期衛(wèi)星數(shù)據(jù)中的衛(wèi)星方位角和太陽方位角計算象元每個角度觀測的相對方位角；利用當期衛(wèi)星數(shù)據(jù)中的衛(wèi)星天頂角，太陽天頂角數(shù)據(jù)，和以上步驟中得到的相對方位角數(shù)據(jù)，計算象元每個角度觀測的散射角Θ。

圖2b為空間反演單元示意圖。在反演單元內(nèi)，包含多個觀測象元，假設(shè)在一個反演單元內(nèi)的水云粒子分布相同，即各個像元中水云粒子有效半徑相同、有效方差相同；采集反演單元內(nèi)每個像元的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，包含衛(wèi)星觀測天頂角θ’，衛(wèi)星方位角太陽天頂角θ，太陽方位角多角度偏振反射率云、云識別和云相態(tài)數(shù)據(jù)組建樣本集，對樣本集中觀測的散射角進行提取，獲取每個象元落在130°～150°散射角范圍內(nèi)的觀測值。

作為例子，圖2b中還表示出云平面上4×4像元的反演單元面積、8×8像元的反演單元面積。假定反演單元面積中水云粒子有效半徑相同、有效方差相同，通過比較觀測的偏振反射率曲線和理論的偏振反射率曲線，確定反演單元面積內(nèi)水云粒子有效半徑、有效方差。如果每個像元的大小為6km×7km，8×8像元的反演單元面積大小則為48km×56km。4×4像元的反演單元面積大小則為24km×28km。在云平面內(nèi)觀測范圍中，包含大量反演單元，在多個反演單元上獲得的水云粒子參數(shù)值的集合，即云平面內(nèi)觀測范圍中水云粒子分布狀況。傳統(tǒng)的反演方法，反演單元面積取25×25像元；

使用本發(fā)明的方法，能夠顯著減小反演單元面積，反演的空間分辨率提高。作為本申請任意一項實施例所述確定大顆粒水云云粒子譜分布的方法，由于采用主虹曲線進行判斷，效率提高，反演單元面積能夠明顯減小。優(yōu)選地，所述反演單元的面積為14×14像元。

圖3為偏振反射率隨散射角、云粒子有效半徑、云粒子有效方差變化的數(shù)據(jù)查找表結(jié)構(gòu)示意圖。例如，在結(jié)構(gòu)同中的橫向，所述云粒子有效半徑離散值從10μm到25μm，間隔為0.5μm；所述云粒子有效方差離散值為0.01，0.02，0.05和0.1。在結(jié)構(gòu)圖中的縱向，表示散射角離散值，從130°～150°間隔為0.5°。結(jié)構(gòu)圖中每一個最小方格，代表一個元素，包含一個偏振反射率值。

圖4為偏振反射率理論向量、觀測向量、理論曲線、觀測曲線關(guān)系的示意圖。圖中，x_i＝R_M(Θ_i)為確定的云粒子有效半徑r_eff＝r_eff0、云粒子有效方差v_eff＝v_eff0條件下，偏振反射率隨離散的散射角Θ_i變化的理論值；y_j＝R_O(Θ_j)為在觀測的云粒子有效半徑、云粒子有效方差條件下，偏振反射率隨離散的散射角Θ_j變化的理論值(其中，i，j為自然數(shù))。

X＝{x_i}為偏振反射率理論向量；Y＝{y_j}為偏振反射率觀測向量；

MPRs為X的離散值x_i進行曲線擬合后得到的理論值曲線；

OPRs為Y的離散值y_j進行曲線擬合后得到的觀測值曲線；

當MPRs和OPRs最相近時，認為所述觀測的云粒子有效半徑≈r_eff0、所述觀測的云粒子有效方差≈v_eff0。

所述MPRs和OPRs相近的程度，用衡量相近程度的參數(shù)(簡稱相似度)來表示。

具體地，例如以相關(guān)系數(shù)作為相似度，有T₁＝correlate(OPRs,MPRs)，其中T₁為相關(guān)系數(shù)；相關(guān)系數(shù)約大(趨近于1)表示兩條曲線越相近。

或者，例如以均方根誤差作為相似度，有其中T₂為均方根誤差；均方根誤差越小(趨近于0)表示兩條曲線越相近。SA表示散射角，N表示MPRs和OPRs在計算T₂時的點數(shù)，每個點對應(yīng)一個散射角。

圖5為本發(fā)明方法確定大顆粒水云云粒子譜分布的方法流程圖。

步驟11、根據(jù)Mie散射理論計算偏振反射率隨散射角、云粒子有效半徑、云粒子有效方差變化的數(shù)據(jù)，組成查找表；所述查找表包含云粒子有效半徑離散值和云粒子有效方差離散值條件下，偏振反射率隨散射角變化的理論向量；

優(yōu)選地，所述確定大顆粒水云云粒子譜分布的方法中，所述偏振反射率隨散射角變化的理論向量，散射角范圍為130°至150°。進一步優(yōu)選地，所述散射角的間隔為0.5°。

優(yōu)選地，所述確定大顆粒水云云粒子譜分布的方法中，所述查找表中的云粒子有效半徑離散值的范圍從10μm到25μm。進一步優(yōu)選地，所述查找表中的云粒子有效方差離散值為0.01，0.02，0.05和0.1。

查找表的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

步驟12、從衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)中獲取水云的多角度偏振觀測信息，計算各個像元的散射角，將衛(wèi)星影像按照n×n像元(n為自然數(shù)，一般n≤25；優(yōu)選地，n＝14)劃分成多個方塊，每個方塊作為一個反演單元。在每一個反演單元內(nèi)，計算散射角在130°～150°范圍內(nèi)任意像元的偏振反射率值，構(gòu)成偏振反射率隨散射角變化的觀測向量；

具體地，針對待研究區(qū)域，下載衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)其中包含衛(wèi)星觀測天頂角，衛(wèi)星方位角，太陽天頂角，太陽方位角，多角度偏振反射率云、云識別和云相態(tài)數(shù)據(jù)組建樣本集，對樣本集中觀測的散射角進行提取，獲取每個象元落在130°至150°散射角的觀測值，進一步包含以下步驟：

步驟121、根據(jù)云識別結(jié)果逐個象元判斷是否為云象元，對于云象元進一步判斷是否為水云象元，對滿足篩選條件的水云象元行以下判斷：

步驟122、利用當期衛(wèi)星數(shù)據(jù)中的衛(wèi)星方位角和太陽方位角計算象元每個角度觀測的相對方位角；

步驟123、利用當期衛(wèi)星數(shù)據(jù)中的衛(wèi)星天頂角，太陽天頂角數(shù)據(jù)，和以上步驟中得到的相對方位角數(shù)據(jù)，計算象元觀測數(shù)據(jù)的散射角；

步驟124、對每個象元的觀測值進行角度篩選，選取落在主虹區(qū)130°至150°散射角的觀測值；

步驟125、利用觀測角度信息和多角度偏振觀測信息，計算每個觀測值的歸一化多角度偏振反射率。以上步驟中所使用的產(chǎn)品為衛(wèi)星觀測的觀測天頂角，衛(wèi)星方位角，太陽天頂角，太陽方位角，多角度偏振反射率云、云識別和云相態(tài)等數(shù)據(jù)。例如POLDER傳感器，它搭載在法國PARASOL衛(wèi)星上，其一級產(chǎn)品針對每個象元包括不同波段的輻亮度、經(jīng)緯度、不同觀測角度的觀測幾何信息，云識別、云相態(tài)數(shù)據(jù)，分辨率為6km，格式為文本格式。法國的地表反射率偏振和方向傳感器(POLDER)包括以下波段：443nm，490nm，565nm，670nm，763nm，765nm，865nm，910nm，1020nm。其中490nm，670nm和860nm為偏振通道，其余為非偏振通道。除了偏振觀測以外，POLDER具有多角度觀測的優(yōu)勢，同一象元至多可以獲得16個角度的觀測值。POLDER一級產(chǎn)品中存放基本觀測數(shù)據(jù)，如所有非偏振波段的反射率、偏振波段的偏振輻射強度等，一級產(chǎn)品數(shù)據(jù)的分辨率為6km。二級產(chǎn)品按照類型分為陸地產(chǎn)品、海洋產(chǎn)品和輻射收支產(chǎn)品三種。二級產(chǎn)品是在一級產(chǎn)品的基礎(chǔ)上生產(chǎn)而來，其分辨率為18km。本發(fā)明中使用的云參數(shù)產(chǎn)品屬于POLDER二級輻射收支產(chǎn)品，數(shù)據(jù)自帶象元的經(jīng)緯度值、云參數(shù)的校正系數(shù)等，數(shù)據(jù)格式為文本格式。

步驟13、針對不同的云粒子有效半徑離散值和云粒子有效方差離散值，對所述理論向量進行曲線擬合，得到多個理論曲線；

步驟14、對所述觀測向量進行曲線擬合，得到觀測曲線；

優(yōu)選地，步驟13～14任意一項實施例所述曲線擬合的方法是多項式擬合。

步驟15、比較所述多個理論曲線和所述觀測曲線的相似度，得到與所述觀測曲線最相似的理論曲線。

優(yōu)選地，本申請任意一項實施例中，所述相似度為相關(guān)系數(shù)；或者，所述相似度為均方根誤差。例如，反演結(jié)果的確定條件是最小的T₂值和超過一定閾值的T₁值。

取與所述觀測曲線最相似的理論曲線所對應(yīng)的粒子有效半徑離散值和有效方差離散值，作為反演結(jié)果。

對每一個反演單元，重復(fù)步驟11～15。

本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本發(fā)明的實施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計算機程序產(chǎn)品。因此，本發(fā)明可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本發(fā)明可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲器、CD-ROM、光學(xué)存儲器等)上實施的計算機程序產(chǎn)品的形式。

本發(fā)明是參照根據(jù)本發(fā)明實施例的方法、設(shè)備(系統(tǒng))、和計算機程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來描述的。應(yīng)理解可由計算機程序指令實現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合?？商峁┻@些計算機程序指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器以產(chǎn)生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。

這些計算機程序指令也可存儲在能引導(dǎo)計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。

這些計算機程序指令也可裝載到計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備上，使得在計算機或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計算機實現(xiàn)的處理，從而在計算機或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行的指令提供用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。

在一個典型的配置中，計算設(shè)備包括一個或多個處理器(CPΜ)、輸入/輸出接口、網(wǎng)絡(luò)接口和內(nèi)存。

內(nèi)存可能包括計算機可讀介質(zhì)中的非永久性存儲器，隨機存取存儲器(RAM)和/或非易失性內(nèi)存等形式，如只讀存儲器(ROM)或閃存(flash RAM)。內(nèi)存是計算機可讀介質(zhì)的示例。

計算機可讀介質(zhì)包括永久性和非永久性、可移動和非可移動媒體可以由任何方法或技術(shù)來實現(xiàn)信息存儲。信息可以是計算機可讀指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序的模塊或其他數(shù)據(jù)。計算機的存儲介質(zhì)的粒子包括，但不限于相變內(nèi)存(PRAM)、靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)、動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)、其他類型的隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)、快閃記憶體或其他內(nèi)存技術(shù)、只讀光盤只讀存儲器(CD-ROM)、數(shù)字多功能光盤(DVD)或其他光學(xué)存儲、磁盒式磁帶，磁帶磁磁盤存儲或其他磁性存儲設(shè)備或任何其他非傳輸介質(zhì)，可用于存儲可以被計算設(shè)備訪問的信息。按照本文中的界定，計算機可讀介質(zhì)不包括暫存電腦可讀媒體(transitory media)，如調(diào)制的數(shù)據(jù)信號和載波。

還需要說明的是，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、商品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、商品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、商品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅為本申請的實施例而已，并不用于限制本申請。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原理之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本申請的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。