基於支持向量機識別的沙塵型氣溶膠反演方法
2023-06-17 09:35:46
專利名稱：基於支持向量機識別的沙塵型氣溶膠反演方法
技術領域：
本發明屬於衛星遙感技術領域，特別設計一種基於支持向量機識別的沙塵型氣溶膠反演方法。
背景技術：
我國每年遭受多起沙塵暴侵襲，在這一極端天氣的影響下，我國工農業生產、交通運輸和人類生命安全遭受到嚴重的損失和危害。近年來，沙塵影響範圍逐漸擴大，甚至已擴散至福州和臺灣等東南部地區。因此，開展大範圍沙塵觀測和反演方法的基礎研究具有重要的科學意義，將在沙塵預警、減災等國計民生的重大事件中發揮積極作用。雷射雷達是獲取氣溶膠垂直分布廓線的最佳手段，目前唯一在軌星載大氣雷射雷達是美國航空航天局NASA於2006年發射的CALIPS0。但由於CALIPSO是為雲和氣溶膠檢測而研製的，其國際通用數據處理方法沒有針對沙塵檢測進行優化，無法分辨濃厚沙塵層和雲層，可導致錯誤的結果。在我國西北地區，常年存在雲-沙共存的現象，特別是針對沙塵源區的濃厚沙塵層，NASA發布的CALIPSO塔克拉瑪幹沙漠地區的氣溶膠識別結果(Version2)，錯誤率達到43%。因此，前期利用CALIPSO探測沙塵的研究主要集中在常年雲量較少、雲-沙的混合程度較輕的非洲西北部沙塵源區(撒哈拉地區)。CALIPSO是獲取我國大面積沙塵的垂直分布廓線信息的最佳手段，其硬體上能探測沙塵信息，但其數據處理方法的缺陷使其不能應用於我國沙塵研究與預報。如NASA的Version〗方法沙塵分類錯誤率較高，Version3方法複雜、參數多、氣溶膠模式區域適應性差等。
發明內容
本發明的目的是提供基於支持向量機識別的沙塵型氣溶膠反演方法，採用該方法得到沙塵暴發生時沙塵源區的氣溶膠懸浮位置，最終反演獲得沙塵型氣溶膠的高度、厚度和消光作用。本發明的技術方案為一種基於支持向量機識別的沙塵型氣溶膠反演方法，包括以下步驟:首先，訓練分類器，包括以下4個子步驟，步驟1.1，輸入沙塵型氣溶膠層和雲層的樣本，所述雲層的樣本包括薄雲和厚雲的樣本；所述沙塵型氣溶膠層的樣本根據沙塵暴所在發生地取得，沙塵暴所在發生地由被動式衛星傳感器所獲遙感影像數據所確定；步驟1.2，下載與被動式衛星傳感器所獲遙感影像數據相對應的主動式衛星傳感器所獲雷射雷達廓線數據，獲得沙塵型氣溶膠層和雲層的懸浮高度信息和回波信號值；步驟1.3，根據步驟1.2所得沙塵型氣溶膠層和雲層的懸浮高度信息和回波信號值，求得沙塵型氣溶膠層樣本和雲層樣本的特徵向量；步驟1.4，根據步驟1.3所得沙塵型氣 溶膠層樣本和雲層樣本的特徵向量，訓練得到分類器；然後，根據分類器進行沙塵型氣溶膠反演；包括以下3個子步驟，
步驟2.1，根據氣象觀測數據獲取日常沙塵暴的發生時間和區域，當主動式衛星傳感器經過該區域時，下載對應日期的雷射雷達廓線數據；根據下載的雷射雷達廓線數據，計算獲得待分類層次所需的特徵向量；步驟2.2，基於步驟1.4所得分類器對步驟2.1所得待分類層次的特徵向量進行分類，並獲得沙塵型氣溶膠的雷射雷達比；步驟2.3，根據步驟2.2所得沙塵型氣溶膠的雷射雷達比，綜合考慮主動式衛星傳感器的探測特性，採用近端反演法，求得沙塵型氣溶膠粒子的消光係數，積分得到地表上空沙塵型氣溶膠層的光學厚度值。而且，所述的主動式衛星傳感器採用CALIPSO衛星上搭載的CALIOP傳感器；所述的被動式衛星傳感器採用Aqua衛星搭載的MODIS傳感器。本發明提出新型星載雷射雷達數據處理方法，即用支持向量機代替概率密度方程，提高沙塵和雲層的分類精度；可以有效扭轉目前只能被動使用NASA提供的低精度數據的局面。本發明的應用將可解決當前我國大面積沙塵垂直廓線數據缺失、數據可用性差等瓶頸問題，滿足我國乃至全球沙塵氣溶膠源區及其擴散傳輸區域的觀測要求。本發明提供的技術方案具有以下優點和積極效果:I)大大降低對樣本的數量需求，無須模擬各特徵向量的分布特點；2)提高沙塵型氣溶膠的分類精度，避免將其劃分為雲層，而忽略了其大氣作用效應；3)進而提高對沙塵的空間分布、擴散和散射特性的認知。
圖1為本發明實施例的流程圖。
具體實施例方式沙塵對大氣輻射的影響作用不容忽視，錯誤的沙塵識別將無法獲得沙塵的空間分布信息，以及沙塵的消光和大氣輻射效應。常見的錯誤主要是將沙塵源區濃度較高的沙塵層誤判為雲層。這主要是因為:星載雷射雷達提供的參數中除衰減後向散射係數外，雙波長比是用來描述粒子的尺度特性，退偏振比是用來描述粒子的形狀特性；而冰晶雲和大粒子沙塵氣溶膠同時具有大尺度和非球形的特性，因此，構成了該錯誤分類的存在。NASA官方採用的概率密度方程分類方法，在早期的版本中存在大量的錯誤；更新後，仍有少量錯誤存在，且樣本需求數量較大(需要得知各個特徵向量的分布情況)。錯誤的層次識別必將導致其光學特性的錯誤反演。實施例的主動式衛星傳感器採用CALIPSO衛星上搭載的CALIOP傳感器；所述的被動式衛星傳感器採用Aqua衛星搭載的MODIS傳感器；M0DIS與CALIOP具有協同觀測效果，MODIS得到的是二維平面的衛星遙感影響，覆蓋面廣；CAL10P即星載雷射雷達，到達地表的二維覆蓋面積小，但能得到三維大氣層的描述信息，如:雲和氣溶膠的空間分布情況，該星載雷射器分兩個波段532nm和1064nm，其中532nm波段具有垂直和水平的兩個偏振通道。具體實現時可採用計算機軟體技術實現自動運行流程。為克服以上問題，本發明結合被動探測設備Aqua衛星上搭載的MODIS探測器。首先基於其二維影像得到沙塵和雲層的水平分布信息，再利用主-被動探測設備時空一致性的特點，獲取星載雷射雷達CALIOP傳感器在該區域特徵明顯的樣本。由於支持向量的超平面只需要少量的支持向量即可確定得至IJ，因此樣本的需求數量也大大減小，在雲層和氣溶膠層生命周期短、驗證難度高的前提下最大可能的確保了樣本的正確性。這樣，為後期可靠的分類、識別奠定了堅實的前提保障。分類結果還可與對應的被動影像數據相比較，驗證的結果顯示本方法較NASA的官方處理方法有較大的改善效果。如圖1所示，實施例針對我國西北地區的沙塵源區進行沙塵型氣溶膠反演，流程如下:首先，對分類器進行訓練，以確保後續分類結果的正確性。即利用MODIS遙感影像數據，確定沙塵暴所在發生地和發生時間，選取樣本，並對分類器進行訓練，包括以下4個步驟，步驟1.1，輸入沙塵型氣溶膠層和雲層的樣本。其中雲層的樣本包括薄雲和厚雲的樣本。其中沙塵型氣溶膠層的樣本應參考被動式衛星所獲遙感影像數據取得。具體實施時，可利用被動式衛星傳感器與主動式衛星傳感器的時空準同步性，參考被動式衛星所獲遙感影像數據，獲得沙塵暴的發生信息，確定沙塵型氣溶膠的樣本選擇區域，另在非沙塵暴爆發期，確定厚雲層和薄雲層的樣本選擇區域。由於MODIS遙感影像光譜信息豐富、完成一次全球全覆蓋探測時間短，因此，其執行對地觀測和大氣校正已多年，能較為直觀的看到沙塵暴分布和擴散情況。為了確保MODIS影像數據的正確性，實施例通過NASA官方網站的earth observatory頁面的發布信息,獲取我國西北地區的沙塵暴影像，確定該沙塵源區的沙塵暴樣本選取方案，同時，在無沙塵期間，確定厚雲和薄雲的樣本選取方案。氣溶膠的特點主要反映在低空的弱反射信號；厚雲的特點主要是雲頂強回波信號，而下方信號陡然減弱；薄雲的特點是雲頂到雲低的回波信號都較強，同時能看到近地面的弱信號。由於這種判斷主要是基於人眼識別，所以樣本數量的需求越少、特徵越明顯，就越能確保分類的精度。步驟1.2，下載與被動式衛星傳感器所獲遙感影像數據相對應的主動式衛星傳感器所獲雷射雷達廓線數據，獲得沙塵型氣溶膠層和雲層的懸浮高度信息和回波信號值。在確定了樣本的選取方案以後，下載對應於MODIS的CALIOP雷射雷達廓線探測數據，再利用衛星數據讀取程序，將相應經緯度範圍內的廓線觀測數據進行讀取和保存，主要包括:已查找到的大氣層次的頂高、底高、1064nm和532nm通道的衰減後向散射係數，以及532nm不同偏振通道上的分量值。整個數據處理系統基於IDL和matlab開發完成。步驟1.3，根據步驟1.2所得沙塵型氣溶膠層和雲層的懸浮高度信息和回波信號值，求得沙塵型氣溶膠層樣本和雲層樣本的特徵向量。CALIOP作為星載雷射雷達，飛行高度高、速度快，相應的數據處理流程更精細，需要先查找大氣層次(如雲和氣溶膠)所在的懸浮高度，這裡實施例將直接引用NASA的層次查找結果，進而計算層次特徵向量。可以直接引用的特徵向量包括層次的頂高、底高，地表覆蓋物類型等，需要利用公式間接計算得到的支持向量包括層次積分的衰減後向散射係數(attenuated scattering coefficient)、退偏振比(volume depolarization ratio ；VDR)和雙波長信號比(total attenuated color ratio ;ACR),需要強調的是，星載雷射雷達CALIOP屬於脈衝式Mie散射雷射光雷達，有效數據在_2.0_40km大氣高度範圍內，且空間解析度會隨著高度而有所變化，最高空間解析度為30m，最低空間解析度為300m。層次積分即是對對應高度範圍內的信號進行疊加。實施例採用的特徵向量計算公式參考美國宇航局提供的公式如下:
權利要求
1.一種基於支持向量機識別的沙塵型氣溶膠反演方法，其特徵在於，包括以下步驟: 首先，訓練分類器，包括以下4個子步驟， 步驟1.1，輸入沙塵型氣溶膠層和雲層的樣本，所述雲層的樣本包括薄雲和厚雲的樣本；所述沙塵型氣溶膠層的樣本根據沙塵暴所在發生地取得，沙塵暴所在發生地由被動式衛星傳感器所獲遙感影像數據所確定； 步驟1.2，下載與被動式衛星傳感器所獲遙感影像數據相對應的主動式衛星傳感器所獲雷射雷達廓線數據，獲得沙塵型氣溶膠層和雲層的懸浮高度信息和回波信號值； 步驟1.3，根據步驟1.2所得沙塵型氣溶膠層和雲層的懸浮高度信息和回波信號值，求得沙塵型氣溶膠層樣本和雲層樣本的特徵向量； 步驟1.4，根據步驟1.3所得沙塵型氣溶膠層樣本和雲層樣本的特徵向量，訓練得到分類器； 然後，根據分類器進行沙塵型氣溶膠反演；包括以下3個子步驟， 步驟2.1，根據氣象觀測數據獲取日常沙塵暴的發生時間和區域，當主動式衛星傳感器經過該區域時，下載對應日期的雷射雷達廓線數據；根據下載的雷射雷達廓線數據，計算獲得待分類層次所需的特徵向量； 步驟2.2，基於步驟1.4所得分類器對步驟2.1所得待分類層次的特徵向量進行分類，並獲得沙塵型氣溶膠的雷射雷達比； 步驟2.3，根據步驟2.2所得沙塵型氣溶膠的雷射雷達比，綜合考慮主動式衛星傳感器的探測特性，採用近端反演法，求得沙塵型氣溶膠粒子的消光係數，積分得到地表上空沙塵型氣溶膠層的光學厚度值。
2.根據權利要求1所述的基於支持向量機識別的沙塵型氣溶膠反演方法，其特徵在於:所述的主動式衛星傳感器採用CALIPSO衛星上搭載的CALIOP傳感器；所述的被動式衛星傳感器採用Aqua衛星搭載的MODIS傳感器。
全文摘要
本發明公開一種基於支持向量機識別的沙塵型氣溶膠反演方法，選取特徵明顯的沙塵氣溶膠層、厚雲層和薄雲層作為分類樣本；用不同的樣本數量和特徵向量對分類器進行訓練，進而確定最優的分類器；對星載雷射雷達沙塵源區的數據進行分類，得到高精度的沙塵型氣溶膠識別結果；反演氣溶膠的層次高度、光學厚度。本發明利用支持向量機通過支持向量確定超平面的特點，能減少對樣本數量的需求，降低樣本不確定性對分類精度造成的幹擾；有效利用星載雷射雷達532nm的偏振探測數據和層次高度信息，區分非球形的冰晶雲和沙塵型氣溶膠粒子。本發明特別適合於處理我國西北地區沙塵多發季節的星載雷射雷達探測數據。
文檔編號G01S7/48GK103197305SQ20131009351
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月21日 優先權日2013年3月21日
發明者馬盈盈, 龔威, 李俊, 馬昕 申請人:武漢大學