基于衛(wèi)星紅外遙感的大氣二氧化碳濃度快速計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及地球科學(xué)計算領(lǐng)域，特別是涉及一種快速計算大氣二氧化碳濃度方法及可視化系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]二氧化碳(CO2)是一種重要的溫室氣體，雖然占大氣總量不足0.05%，但是它能夠吸收地表發(fā)散出的紅外輻射，因此二氧化碳濃度的增加會導(dǎo)致地球表面溫度的升高。自工業(yè)革命以來，由于人類活動的影響(如毀林、農(nóng)業(yè)活動和化石燃料的燃燒等)造成全球溫室氣體排放量和濃度的持續(xù)增加，大氣中二氧化碳濃度從280ppm增加到了 379ppm。二氧化碳和其他溫室氣體還影響大氣臭氧層和水汽，從而進(jìn)一步加劇地球輻射，因此二氧化碳被列入《京都議定書》中重要控制排放的氣體之一。中國作為世界上人口最多的發(fā)展中國家，面臨著溫室氣體減排的巨大壓力。目前世界300多個涉及溫室氣體減排的國際公約中，中國已經(jīng)加入了包括《京都議定書》在內(nèi)的50多個公約，而氣候變化外交談判和履行合約的前提就是要準(zhǔn)確掌握我國的溫室氣體分布的格局、濃度及其來源。因此需要有針對中國區(qū)域溫室氣體，尤其是二氧化碳濃度分布監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而為加快我國溫室氣體節(jié)能減排工作提供重要的科學(xué)依據(jù)。
[0003]當(dāng)前國際主流監(jiān)測二氧化碳遙感衛(wèi)星包括裝載在歐洲環(huán)境衛(wèi)星上的 SCIAMACHY(Scanning Imaging Absorpt1n Spectrometer for AtmosphericChartography)、世界上第一顆用于測量二氧化碳和甲烷兩種主要的溫室氣體的濃度的航天器:溫室氣體觀測衛(wèi)星GOSAT(Greenhouse gases Observing SATellite)以及美國國家航空航天局于2002年發(fā)射的AQUA太陽同步軌道衛(wèi)星上裝載高光譜分辨率大氣紅外探測器AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)。
[0004]目前我國尚缺少自主的二氧化碳遙感衛(wèi)星及其產(chǎn)品，當(dāng)前的算法是基于國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)研發(fā)的?？梢钥闯觯谶@種背景下，持續(xù)提高我國二氧化碳的遙感反演算法，研發(fā)我國自主的二氧化碳濃度反演產(chǎn)品，對于提高我國的二氧化碳遙感監(jiān)測能力具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種基于衛(wèi)星紅外遙感的大氣二氧化碳濃度快速計算方法，用于解決我國溫室氣體格局監(jiān)測分析數(shù)據(jù)不足、數(shù)據(jù)精度受限的問題。
[0006]本發(fā)明進(jìn)一步解決了多種衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)集分析問題。
[0007]本發(fā)明進(jìn)一步解決了我國溫室氣體格局監(jiān)測分析數(shù)據(jù)不足、數(shù)據(jù)精度受限的問題，形成我國二氧化碳濃度格局進(jìn)行分析、驗(yàn)證、可視化的問題。
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的基于衛(wèi)星紅外遙感的大氣二氧化碳濃度快速計算方法，包括建立近氣二氧化碳濃度遙感估算模型的步驟和大氣二氧化碳濃度遙感估算的步驟，并將其運(yùn)行與二氧化碳濃度遙感反演及系統(tǒng)應(yīng)用中，用于對我國二氧化碳濃度格局進(jìn)行分析、驗(yàn)證、可視化。
[0009]建立二氧化碳非參數(shù)統(tǒng)計模型的步驟進(jìn)一步包括:
[0010]—數(shù)據(jù)壓縮子步驟，用于對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，實(shí)施數(shù)據(jù)壓縮，提取主要的光譜信號結(jié)構(gòu)特征；
[0011]—數(shù)據(jù)匹配子步驟，根據(jù)地面監(jiān)測站點(diǎn)空間坐標(biāo)進(jìn)行地面監(jiān)測值與相應(yīng)遙感觀測信息的匹配，從而便于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬；
[0012]—計算模型構(gòu)建子步驟，用于根據(jù)匹配出的遙感信息和地面監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)建二氧化碳濃度遙感估算模型建立多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；
[0013]——質(zhì)量控制子步驟，用于利用測量信號的質(zhì)量標(biāo)記以及標(biāo)準(zhǔn)大氣狀況下輻射傳輸模型模擬出的輻亮度最值(最大最小)對衛(wèi)星輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，減小輸入樣本的誤差。
[0014]二氧化碳濃度遙感計算的步驟進(jìn)一步包括:
[0015]——估算請求子步驟，用于對估算輸入數(shù)據(jù)的預(yù)處理；
[0016]——估算子步驟，用于根據(jù)該估算請求進(jìn)行估算，并輸出估算結(jié)果。
[0017]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了二氧化碳濃度遙感反演及系統(tǒng)應(yīng)用，用于分析、驗(yàn)證我國二氧化碳濃度格局并可視化輸出，包括:
[0018]—模型構(gòu)建子系統(tǒng)，用于根據(jù)匹配的時間序列的遙感信息、二氧化碳濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)建二氧化碳濃度計算模型；
[0019]——二氧化碳濃度計算子系統(tǒng)，用于根據(jù)模型構(gòu)建子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的二氧化碳濃度計算模型，基于輸入數(shù)據(jù)計算二氧化碳濃度；
[0020]——計算結(jié)果可視化子系統(tǒng)，用于返回近二氧化碳濃度計算結(jié)果及其可視化。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益技術(shù)效果在于:
[0022](I)根據(jù)AIRS各觀測通道的光譜響應(yīng)函數(shù)，利用大氣分子光譜吸收資料數(shù)據(jù)庫HITRAN2008和Line by Line輻射傳輸模型來增強(qiáng)其對溫室氣體、特別是對二氧化碳、甲烷等痕量氣體的響應(yīng)性能。
[0023](2)本方法的輻射傳輸模擬采用逐線積分輻射模式LBLRTM。所謂逐線積分方法就是逐條計入大氣氣體吸收譜線貢獻(xiàn)的一種精確的透過率計算方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以直接對波數(shù)進(jìn)行積分，可以有效地處理大氣非均勻路徑和不同氣體的重疊吸收帶，并可以同時處理吸收與散射問題。
[0024](3)通過創(chuàng)建大量樣本的訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫來滿足人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，同時還反映了大氣輻射傳輸?shù)膬?nèi)在物理機(jī)制。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明的基于衛(wèi)星紅外遙感的大氣二氧化碳濃度快速計算方法建立計算模型的構(gòu)建流程圖；
[0026]圖2為本發(fā)明的基于衛(wèi)星紅外遙感的大氣二氧化碳濃度快速計算過程的實(shí)施流程圖；
[0027]圖3為本發(fā)明的二氧化碳濃度遙感反演系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0028]圖4為本發(fā)明的二氧化碳濃度遙感反演及系統(tǒng)的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步更詳細(xì)的描述。
[0030]本發(fā)明公開了一種的基于衛(wèi)星紅外遙感的大氣二氧化碳濃度快速計算方法和二氧化碳濃度遙感反演系統(tǒng)。根據(jù)AIRS (Atmospheric Infrared Sounder)各觀測通道的光譜響應(yīng)函數(shù)，利用大氣分子光譜吸收資料數(shù)據(jù)庫HITRAN2008和Line by Line輻射傳輸模型來增強(qiáng)其對溫室氣體、特別是對二氧化碳、甲烷等痕量氣體的響應(yīng)性能。
[0031]圖1為本發(fā)明的基于衛(wèi)星紅外遙感的大氣二氧化碳濃度快速計算方法建立計算模型的實(shí)施例流程圖，參考圖1，本發(fā)明基于衛(wèi)星紅外遙感的大氣二氧化碳濃度快速計算方法中，建立計算模型的過程進(jìn)一步包括以下步驟:
[0032]步驟S101，對觀測通道數(shù)據(jù)進(jìn)行去云處理、空間鑲嵌，對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行50萬次巨量隨機(jī)采樣，形成采樣數(shù)據(jù)集。
[0033]步驟S102,采用奇異值分解的SVD (Singular Value Decomposit1n)方法對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，實(shí)施數(shù)據(jù)壓縮，提取主要的光譜信號結(jié)構(gòu)特征；生成的協(xié)方差矩陣能夠直接與衛(wèi)星光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行矩陣運(yùn)算，極大提高了模型的運(yùn)算效率。
[0034]奇異值分解SVD(Singular Value Decomposit1n)是線性代數(shù)中一種重要的矩陣分解，是矩陣分析中正規(guī)矩陣酉對角化的推廣，常用于解最小平方誤差法和數(shù)據(jù)壓縮，步驟S102利用奇異值分解SVD方法對遙感觀測信息進(jìn)行分解，提取其主要的光譜信號結(jié)構(gòu)特征。
[0035]步驟S103，將提取出的AIRS光譜奇異特征值和奇異向量、觀測時“衛(wèi)星-太陽”幾何角度以及地面高程作為模式識別的輸入因子，地面高程經(jīng)過海平面氣壓歸一化，從而便于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬。目標(biāo)數(shù)據(jù)為TOCGG(World Data Centre for GreenhouseGases)、TCCON(Total Carbon Column Observing Network)和 AGAGE(Advanced GlobalAtmospheric Gases Experiment)站點(diǎn)(2005-2010年)的7種溫室氣體觀測數(shù)據(jù),站點(diǎn)數(shù)據(jù)的選取標(biāo)準(zhǔn)非常嚴(yán)格，要求能夠提供連續(xù)的相對長時間的觀測數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后分為三組:訓(xùn)練數(shù)據(jù)集(30% )、驗(yàn)證數(shù)據(jù)集(30% )和測試數(shù)據(jù)集(40% )，分類方法為自動隨機(jī)。
[0036]步驟S104，建立多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。采用刪除法和最小誤差閾值確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層內(nèi)恰當(dāng)?shù)膶訑?shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)，使用LM算法優(yōu)化前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使模型具有局部收斂和全局優(yōu)化的能力。采用貝葉斯正則化法，調(diào)整誤差性能參數(shù)以消除訓(xùn)練過程中的過擬合現(xiàn)象，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)模型的泛化能力。
[0037]步驟S105，利用AIRS測量信號的質(zhì)量標(biāo)記以及標(biāo)準(zhǔn)大氣狀況下輻射傳輸模型模擬出的輻亮度最值(最大最小)對衛(wèi)星輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，減小輸入樣本的誤差。
[0038]步驟S106，對算法進(jìn)行敏感性分析，根據(jù)隨機(jī)采樣點(diǎn)的數(shù)量、主要成分的百分解釋比等不同對計算結(jié)果所產(chǎn)生的影響，確定其最優(yōu)的參數(shù)輸入設(shè)置，從而構(gòu)建出高效的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。
[0039]圖2示出了本發(fā)明的基于衛(wèi)星紅外遙感的大氣二氧化碳濃度快速計算過程的實(shí)施流程圖。參考圖2，本發(fā)明計算方法中大氣二氧化碳濃度遙感計算過程具體包括以下步驟:
[0040]參考圖2，本發(fā)明計算方法中基于衛(wèi)星紅外遙感的大氣二氧化碳濃度快速計算過程具體包括以下步驟:
[0041]步驟S201，根據(jù)