一種mcc 表面海流反演方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種MCC表面海流反演方法，所述方法包括對(duì)MODIS衛(wèi)星進(jìn)行預(yù)處理；利用綜合優(yōu)化云檢測(cè)算法，進(jìn)行云覆蓋檢測(cè)；對(duì)于晴空區(qū)，分別選取海表溫度和550nm反射率數(shù)據(jù)為示蹤物，采用MMC反演得到表面海流場(chǎng)；對(duì)于缺測(cè)的海表流數(shù)據(jù)，利用DINEOF方法進(jìn)行插值補(bǔ)缺；進(jìn)行變分同化優(yōu)化調(diào)整獲得短時(shí)平均表面流。本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明提出的云檢測(cè)方法，提高了海面低云、碎云以及部分被云覆蓋像元的識(shí)別準(zhǔn)確率，為下一步計(jì)算表面海流更精確的去除了干擾，保證了后續(xù)結(jié)果的精度。本發(fā)明在插值基礎(chǔ)上，提出的一種表面海流場(chǎng)全局優(yōu)化調(diào)整方法，大大增加了反演結(jié)果的覆蓋范圍，同時(shí)也使得反演精度得到明顯提高，增強(qiáng)了該方法的使用范圍。
【專利說(shuō)明】
一種MGG表面海流反演方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于衛(wèi)星遙感應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種MCC表面海流反演方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 海流對(duì)海洋中多種物理、化學(xué)、生物和地質(zhì)過(guò)程，以及海洋上空的氣候和天氣的形 成及變化，都有影響和制約作用，故了解和掌握海流規(guī)律，對(duì)漁業(yè)、航運(yùn)和排污等都有重要 意義。例如:海流使低煒度熱量向高煒度傳輸，暖流上空有熱量和水汽向上輸送，使得層結(jié) 不穩(wěn)定、空氣濕度增大而易產(chǎn)生降水，寒流產(chǎn)生逆溫，層結(jié)穩(wěn)定，水汽不易向上輸送，蒸發(fā)又 弱，下層相對(duì)濕度有時(shí)雖然很大，但只能成霧，不能成雨；寒暖流交匯的海區(qū)，海水受到擾 動(dòng)，可以將下層營(yíng)養(yǎng)鹽類帶到表層，有利于魚類大量繁殖，為魚類提供誘餌;兩種海流還可 以形成"水障"，阻礙魚類活動(dòng)，使得魚群集中，往往形成較大的漁場(chǎng);海流還可以使污染物 因迅速擴(kuò)散而加快其稀釋和凈化的速度，也相應(yīng)地使污染范圍擴(kuò)大。
[0003] 海流在軍事上也有重要的意義。對(duì)于海軍作戰(zhàn)，海流是考慮作戰(zhàn)的重要因素之一， 恰當(dāng)?shù)乩煤Ａ?，?duì)作戰(zhàn)會(huì)起到降低戰(zhàn)爭(zhēng)消耗，增加勝利因素的一個(gè)籌碼，反之，會(huì)對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng) 起到不利影響，甚至?xí)?dǎo)致失敗。在第二次世界大戰(zhàn)中有這方面的成功的戰(zhàn)例。在戰(zhàn)爭(zhēng)中， 各沿海國(guó)都把海洋水文資料作為軍事情報(bào)進(jìn)行收集、整理，了解海洋水文狀況對(duì)于海軍進(jìn) 行防御、進(jìn)攻起著重要作用。艦艇順?biāo)叫?，有利于提高航行速度，?jié)約時(shí)間和燃料;下降流 利于潛艇的下潛，上升流利于潛艇的出擊;貿(mào)易航線因船只多，容易暴露軍事目標(biāo);風(fēng)浪大 的航線(特別是南北半球的西風(fēng)漂流)利于偷襲等等。
[0004] 目前利用的常規(guī)手段對(duì)大面積的海域的表面海流實(shí)施高頻率實(shí)時(shí)觀測(cè)幾乎是不 可能的，例如，江蘇沿海類似908大范圍的海洋調(diào)查相隔30年一次，局部地區(qū)5-10年一次，重 點(diǎn)港口 2-3年一次。其他非常規(guī)手段由于種種原因難以廣泛使用，例如：SAR覆蓋范圍小，重 復(fù)觀測(cè)周期長(zhǎng);岸基雷達(dá)成本高，范圍有限；高度計(jì)資料僅適用于大范圍的地轉(zhuǎn)流，且同樣 存在重復(fù)觀測(cè)周期長(zhǎng)的問(wèn)題。而被動(dòng)的衛(wèi)星遙感影像資料具有重復(fù)觀測(cè)周期短、覆蓋范圍 大、資料容易獲取等優(yōu)點(diǎn)，因此，利用衛(wèi)星影像資料進(jìn)行表面海流遙感反演，具有非常重要 理論和實(shí)踐意義。
[0005] 目前，最大相關(guān)系數(shù)方法(MCC方法）是利用衛(wèi)星影像資料進(jìn)行表面海流遙感反演 的主要手段。
[0006] 最初MCC法是用在AVHRR圖像的亮溫上來(lái)獲得表面海流。后來(lái)，一些學(xué)者用SST(海 表溫度）或SST的水平梯度來(lái)代替亮溫作為示蹤物得到流速。Garcia and Robinson和 Tokmakian將MCC方法用到CZCS的可見(jiàn)光圖像上，而不是紅外、近紅外圖像來(lái)反演海表面流 場(chǎng)。Isern-Fontanet利用微波反演的SST跟蹤海流。Crocker分別利用AVHRR反演的海表溫度 和modis、SeaWiFS反演得到的海色圖像得到海表面流場(chǎng)。Bowen做了 一項(xiàng)很復(fù)雜的MCC方法 反演研究，他們選取澳大利亞?wèn)|部海域七年的AVHRR數(shù)據(jù)，用MCC法估算海表面流的精度達(dá) 到了0.08到0.2m/s 〇Tokmakian選取California附近海域，用ADCP測(cè)量的結(jié)果與MCC得到的 結(jié)果進(jìn)行的比較，均方差在0.14-0.25m/s。
[0007] 但這些方法都存在以下問(wèn)題：
[0008] 無(wú)論是以SST，還是水色要素濃度為示蹤物，都只能得到晴空區(qū)結(jié)果；
[0009] 由于方法本身的局限性，即使晴空區(qū)也會(huì)出現(xiàn)無(wú)法反演的現(xiàn)象；
[0010] 因?yàn)檫@些嚴(yán)格的條件，限制了MCC技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種MCC表面海流反演方法。本 發(fā)明針對(duì)如何解決MCC方法獲得的表面海流在云覆蓋區(qū)或由于方法本身造成缺測(cè)的問(wèn)題提 出了 一種優(yōu)化方法，從而提高反演覆蓋度及精度。
[0012] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0013] -種MCC表面海流反演方法，其改進(jìn)之處在于:所述方法包括
[0014] 對(duì)MODIS衛(wèi)星進(jìn)行預(yù)處理；
[0015]利用綜合優(yōu)化云檢測(cè)算法，進(jìn)行云覆蓋檢測(cè)；
[0016]對(duì)于晴空區(qū)，分別選取海表溫度和550nm反射率數(shù)據(jù)為示蹤物，采用MMC反演得到 表面海流場(chǎng)；
[0017] 對(duì)于缺測(cè)的海表流數(shù)據(jù)，利用DINEOF方法進(jìn)行插值補(bǔ)缺；
[0018] 進(jìn)行變分同化優(yōu)化調(diào)整獲得短時(shí)平均表面流。
[0019] 進(jìn)一步地，所述對(duì)MODIS衛(wèi)星進(jìn)行預(yù)處理包括
[0020] (1.1)進(jìn)行輻射值計(jì)算:將衛(wèi)星觀測(cè)到所儲(chǔ)存的計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換為可用的物理值；
[0021 ]其中，輻亮度L和反射率數(shù)據(jù)定標(biāo)公式如下：
[0022] RB,T,FS = ref lectance_scalesB(SIb,t,Fs~ref Iectance_off setsB)；
[0023] 式中，心,1,^為反射通道的反射率值，31^^是數(shù)據(jù)集中16位計(jì)數(shù)值， 代；1^16(^&1106_80&1688和16；1^16(^&1106_〇€€86七88是對(duì)應(yīng)波段的縮放比和截距參數(shù)；
[0024] LB，T，F(xiàn)S = radiance_scalesB(SlB,T，F(xiàn)S_radiance_offsetsB);
[0025] 式中，Lb,t,fs為福射通道的福亮度值，SIb,t,fs是數(shù)據(jù)集中16位計(jì)數(shù)值，radiance_ scalesB和radiance_offsetsB是對(duì)應(yīng)波段的縮放比和截距參數(shù)；
[0026]由普朗克公式：
[0027]
[0028]
[0029]
[0030] 興τη = ο · ozo 入丄u j · sy^j首明兄吊雙，c = z · yy i y 入丄u m · s yy具；ι?兀^|，k = 1.38 X HT23J · IT1為玻爾茲曼常數(shù)，λ代表波段中心波長(zhǎng)；
[0031] (1.2)進(jìn)行條帶噪聲去除：定位噪聲帶行數(shù)據(jù)，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波平滑處理，對(duì)噪 聲帶采取空間域的超限鄰域平均-選擇式掩膜平滑的方法來(lái)減弱噪聲帶的影響；
[0032] (1.3)進(jìn)行邊緣數(shù)據(jù)重疊的糾正:采用Kriging插值方法和分形插值算法對(duì)MODIS 資料進(jìn)行幾何糾正；
[0033] (1.4)進(jìn)行太陽(yáng)天頂角糾正:將不同時(shí)刻太陽(yáng)天頂角下的探測(cè)數(shù)據(jù)換算成相當(dāng)于 太陽(yáng)處于天頂時(shí)的探測(cè)值；
[0034]其訂正公式為：
[0035] Rc = Rb.T.F.s/cos(0)；
[0036] 式中，Rc為訂正后的反射率，Rb.t.f.s為定標(biāo)后的反射率，Θ為太陽(yáng)天頂角；
[0037] (1.5)進(jìn)行臨邊效應(yīng)的訂正:將各探測(cè)值換算成相當(dāng)于衛(wèi)星在天頂探測(cè)時(shí)的測(cè)值；
[0038] 其訂正方法為：
[0039] T = Tb+AT;
[0040] 其中，T:訂正后的溫度;Tb : Planck亮度溫度；
[0041]
[0042] 10-5，G
[0043]
[0044]
[0045]
[0046] 其中，Re:地球半徑;H:衛(wèi)星高度;σ:探測(cè)點(diǎn)的衛(wèi)星探測(cè)角；
[0047] (1.6)進(jìn)行圖像的投影:采用的投影方式為等經(jīng)煒度投影。
[0048]進(jìn)一步地，所述利用綜合優(yōu)化云檢測(cè)算法，進(jìn)行云覆蓋檢測(cè)包括
[0049] (2.1)進(jìn)行時(shí)間識(shí)別：白天云檢測(cè)所限定的太陽(yáng)高度角要小于85°，大于85°視為夜 間；
[0050] (2.2)進(jìn)行海陸識(shí)別：區(qū)分出海洋、陸地與內(nèi)陸湖泊，通過(guò)獲取M0D03里的海陸標(biāo)識(shí) 數(shù)據(jù)集Land/SeaMask實(shí)現(xiàn)海陸識(shí)別；
[0051] (2.3)進(jìn)行雪識(shí)別：采用歸一化雪蓋指數(shù)測(cè)量雪對(duì)可見(jiàn)光和短波紅外波段的反射 特性和反射差的相對(duì)大小；
[0052] (2.4)判別洋面太陽(yáng)耀斑區(qū)；
[0053]當(dāng)太陽(yáng)反射角度01位于0°~36°時(shí)，作太陽(yáng)耀斑區(qū)處理;太陽(yáng)反射角按下式確定：
[0054] cosO1 - sinΛ?η ^iCosφ-r cosOcosO0 _
[0055] 其中，Θ為太陽(yáng)天頂角，θ〇為視角，口為方位角；
[0056] (2.5)針對(duì)不同的下墊面，進(jìn)行單一像元的分組檢測(cè)，將檢測(cè)項(xiàng)目分為高云、中云、 低云三組檢測(cè)。
[0057]進(jìn)一步地，所述利用最大相關(guān)系數(shù)方法反演得到表面海流場(chǎng)包括 [0058]在特征量跟蹤法中用于估計(jì)海流的第一幅圖設(shè)為模板窗口，第二幅圖設(shè)為搜索窗 口，利用最大相關(guān)系數(shù)法來(lái)跟蹤一幅圖到下一幅圖的海表特征的位移，在搜索窗口中找出 與模板窗口大小相同且相關(guān)性的子窗口，對(duì)模板窗口進(jìn)行重復(fù)的操作，得到完整的表面海 流區(qū)域；
[0059] 其中，示蹤物選?。阂院１砻鏈囟群腿~綠素濃度來(lái)作為估計(jì)海流的示蹤物，所述示 蹤物包括熒光素、葉綠素、懸浮泥沙、表面溫度及鹽度。
[0060] 進(jìn)一步地，所述對(duì)于缺測(cè)的海表流數(shù)據(jù)，利用DINEOF方法進(jìn)行插值補(bǔ)缺包括通過(guò) 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)來(lái)推測(cè)出缺值點(diǎn)的數(shù)據(jù)，其基本原理包括：
[0061] (5.1)構(gòu)造觀測(cè)數(shù)據(jù)矩陣；
[0062] (Xo)mxn原始觀測(cè)矩陣為mXn的數(shù)據(jù)矩陣，m為數(shù)據(jù)的空間維數(shù)，η為數(shù)據(jù)時(shí)間上的 維數(shù)，缺值點(diǎn)用〇表示；（X Q ) m X η矩陣的每一行表示當(dāng)前時(shí)刻流場(chǎng)在某一方向上的流矢量，流 矢量個(gè)數(shù)為m;每一列代表有η個(gè)連續(xù)相鄰時(shí)次的流場(chǎng)結(jié)果用于流場(chǎng)重構(gòu)；
[0063] (5.2)對(duì)Xo 進(jìn)行 SVD 分解；
[0064] 選擇EOF的最優(yōu)數(shù)η，Xo的SVD分解可表示如下Xo = UD VT，U的維數(shù)為m X r，表示X0的 空間分解量，V的維數(shù)為rXn，表示Xo的時(shí)間分解量，D為對(duì)角特征值矩陣，維數(shù)為rXr，在得 至IjU，D，V的值后，可按照Xo的重構(gòu)算法(Xa) ij = (UnDnVnt) ij，二&+X來(lái)得到；
[0065] (5 · 3)缺值點(diǎn)數(shù)值由新的值代替；
[0066] Xa = UDVT，（Xa)ij = (UNDNVNT)ij直到收斂為止；
[0067] (5.4)E0F的最優(yōu)選擇數(shù)η的確定；
[0068] 通過(guò)交叉驗(yàn)證方法選擇η，采用MC客觀分析的交叉驗(yàn)證方法以決定最優(yōu)EOF階數(shù)。
[0069]進(jìn)一步地，所述進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整包括
[0070] 采用變分同化方法并結(jié)合正則化思想對(duì)表面海流場(chǎng)全局優(yōu)化：
[0071] 設(shè)特征量跟蹤法得到的表面流場(chǎng)為(ub，vb)，經(jīng)過(guò)變分同化的質(zhì)量控制得到流場(chǎng) (u,v);
[0072] 尋找表面流場(chǎng)的分析值(u，v)使得(u，v)滿足散度場(chǎng)：
[0073]
[0074] (1)時(shí)邛
[0075]
[0076]
[0077]
[0078]
[0079]
[0080]
[0081]
[0082]
[0083]
[0084] (7)
[0085]
[0086] (8:)
[0087]
[0088] (9)
[0089]
[0090] CIO)
[0091] 解出λ，即可得到(U，v);
[0092 ]利用松馳法得到λ，從而得到分析值u、v;
[0093] 令以叉，7)=01)(叉，7)-0(叉，7)，將(9)式離散得：
[0094] λ?+ι，」+λ?-1，」+λ?，j+ι+λ?，」-ι_4λ?，」= fi，」(11)
[0095] 其中，每一格點(diǎn)上給定λ的初始猜值<\它不滿足方程（10)，經(jīng)過(guò)m次疊代后，余量
，重新求出（i，j)點(diǎn)CTli值，使得余量等于或接近 于〇,從而得到的最后疊代值;將得到的A(x，y)代入(7)式，就可得到表面海流的分析值 (u,v)〇
[0096] 本發(fā)明的有益效果為：
[0097] (1)提出的云檢測(cè)方法，提高了海面低云、碎云以及部分被云覆蓋像元的識(shí)別準(zhǔn)確 率，為下一步計(jì)算表面海流更精確的去除了干擾，保證了后續(xù)結(jié)果的精度。
[0098] (2)在插值基礎(chǔ)上，提出的一種表面海流場(chǎng)全局優(yōu)化調(diào)整方法，大大增加了反演結(jié) 果的覆蓋范圍，同時(shí)也使得反演精度得到明顯提高，增強(qiáng)了該方法的使用范圍。
[0099] 本發(fā)明主要從工程的角度，依據(jù)長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及技巧，提出了一種適合業(yè)務(wù)運(yùn) 行的表面海流反演算法。
【附圖說(shuō)明】
[0100] 圖1是本發(fā)明提供的一種MCC表面海流反演方法流程示意圖；
[0101] 圖2是本發(fā)明提供的一種MCC表面海流反演方法中云檢測(cè)流程示意圖；
[0102] 圖3是本發(fā)明提供的一種MCC表面海流反演方法中最大相關(guān)系數(shù)法計(jì)算海流實(shí)施 例示意圖；
[0103] 圖4是本發(fā)明提供的一種MCC表面海流反演方法中松馳迭代示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0104] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0105] 以下描述和附圖充分地示出本發(fā)明的具體實(shí)施方案，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠 實(shí)踐它們。其他實(shí)施方案可以包括結(jié)構(gòu)的、邏輯的、電氣的、過(guò)程的以及其他的改變。實(shí)施例 僅代表可能的變化。除非明確要求，否則單獨(dú)的組件和功能是可選的，并且操作的順序可以 變化。一些實(shí)施方案的部分和特征可以被包括在或替換其他實(shí)施方案的部分和特征。本發(fā) 明的實(shí)施方案的范圍包括權(quán)利要求書的整個(gè)范圍，以及權(quán)利要求書的所有可獲得的等同 物。在本文中，本發(fā)明的這些實(shí)施方案可以被單獨(dú)地或總地用術(shù)語(yǔ)"發(fā)明"來(lái)表示，這僅僅是 為了方便，并且如果事實(shí)上公開(kāi)了超過(guò)一個(gè)的發(fā)明，不是要自動(dòng)地限制該應(yīng)用的范圍為任 何單個(gè)發(fā)明或發(fā)明構(gòu)思。
[0106]如圖1所示，本發(fā)明提供了一種MCC表面海流反演方法。
[0107] 本發(fā)明首先對(duì)E0S/M0DIS衛(wèi)星進(jìn)行投影變換、幾何校正、輻射變換，利用綜合優(yōu)化 云檢測(cè)算法，進(jìn)行云覆蓋檢測(cè)。對(duì)于晴空區(qū)，分別選取海表溫度和550nm反射率數(shù)據(jù)為示蹤 物，利用最大相關(guān)系數(shù)方法反演得到表面海流場(chǎng)。對(duì)于缺測(cè)的海表流數(shù)據(jù)，利用DINEOF方法 進(jìn)行插值補(bǔ)缺，利用變分同化方法并結(jié)合正則化思想的表面海流場(chǎng)全局優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化 調(diào)整，調(diào)整后的數(shù)據(jù)在覆蓋度及反演精度上都有較大提高。具體步驟包括：
[0108] 第一步:對(duì)MODIS衛(wèi)星進(jìn)行預(yù)處理；
[0109] (1)輻射計(jì)算
[0110] MODIS數(shù)據(jù)在使用前，必須經(jīng)過(guò)輻射值計(jì)算，將衛(wèi)星觀測(cè)到所儲(chǔ)存的計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換為 可用的物理值。
[0111] 其中，輻亮度L和反射率數(shù)據(jù)定標(biāo)公式如下：
[0112] RB,T,FS = ref lectance_scalesB(SIb,t,Fs~ref Iectance_off setsB)；
[0113] 式中，1?^^為反射通道的反射率值，51^^是數(shù)據(jù)集中16位計(jì)數(shù)值， 代；1^16(^&1106_80&1688和16；1^16(^&1106_〇€€86七88是對(duì)應(yīng)波段的縮放比和截距參數(shù)；
[0114] LB，T，F(xiàn)S = radiance_scalesB(SlB,T，F(xiàn)S_radiance_offsetsB);
[0115] 式中，Lb,t,fs為福射通道的福亮度值，SIb,t,fs是數(shù)據(jù)集中16位計(jì)數(shù)值，radiance_ scalesB和radiance_offsetsB是對(duì)應(yīng)波段的縮放比和截距參數(shù)；
[0116] 由普朗克公式：
[0117]
[0?18]可以將福亮度Lb.t.f.s轉(zhuǎn)換為亮溫BT(Brightness Temperature):
[0119]
[0120] 其中h = 6.626X 10-34J · s為普朗克常數(shù)，c = 2.9979Xl〇V · s-1 為真空光速，k = 1.38 X HT23J · IT1為玻爾茲曼常數(shù)，λ代表波段中心波長(zhǎng)。
[0121] (2)條帶噪聲去除
[0122] 由于MODIS的條帶噪聲非常有規(guī)律的，條帶噪聲線平行于掃描方向，而且相鄰條帶 噪聲線之間的距離為掃描寬度，但是產(chǎn)生條帶噪聲線的位置并不總是在掃描帶的分界處。 所以可以先定位噪聲帶行數(shù)據(jù)，在對(duì)其進(jìn)行濾波平滑。對(duì)噪聲帶采取空間域的超限鄰域平 均-選擇式掩膜平滑的方法來(lái)減弱噪聲帶的影響；
[0123] (3)邊緣數(shù)據(jù)重疊的糾正
[0124] 由于像素的實(shí)際地面大小隨著觀測(cè)角的增大而增大，除了星下點(diǎn)數(shù)據(jù)外，相鄰兩 行的像素存在彼此的重疊本發(fā)明采用Kriging插值方法和分形插值技術(shù)對(duì)MODIS資料進(jìn)行 了幾何糾正。
[0125] (4)太陽(yáng)天頂角糾正
[0126] 把不同時(shí)刻的太陽(yáng)天頂角下的探測(cè)數(shù)據(jù)換算成相當(dāng)于太陽(yáng)處于天頂時(shí)的探測(cè)值。
[0127] 其訂正公式為：
[0128] Rc = Rb.t.f.s/cos(0)
[0129] 式中，Rc為訂正后的反射率，Rb.t.f.s為定標(biāo)后的反射率，Θ為太陽(yáng)天頂角。
[0130] (5)臨邊效應(yīng)的訂正
[0131] 將各探測(cè)值換算成相當(dāng)于衛(wèi)星在天頂探測(cè)時(shí)的測(cè)值。
[0132] 其訂正方法為：
[0133] T = Tb+AT;
[0134] 其中，T:訂正后的溫度;Tb : Planck亮度溫度；
[0135；
[0136] 式中，υ:探測(cè)波段的中心波數(shù);E:定標(biāo)后的輻射率;C1，C2為常數(shù)，C1 = 1.1910659 · 10一5,C2 = I.438833; ΔΤ:溫度訂正值；
[0137]
[0138]
[0139]
[0140] 其中，Re:地球半徑;H:衛(wèi)星高度;σ:探測(cè)點(diǎn)的衛(wèi)星探測(cè)角。
[0141] (6)圖像的投影
[0142] 為便于計(jì)算，本發(fā)明采用的投影方式為等經(jīng)煒度投影。
[0143] 第二步:利用綜合優(yōu)化云檢測(cè)算法，進(jìn)行云覆蓋檢測(cè)；
[0144] 本發(fā)明云檢測(cè)方法在借鑒了 NASA云檢測(cè)可信度思想基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際的資料獲取 情況來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)研究地區(qū)的云檢測(cè)。如圖2所示，具體檢測(cè)步驟如下：
[0145] (1)時(shí)間識(shí)別：白天云檢測(cè)所限定的太陽(yáng)高度角要小于85°，大于85°視為夜間。通 過(guò)時(shí)間識(shí)別可以選擇適當(dāng)?shù)脑茩z測(cè)方法。
[0146] (2)海陸識(shí)別：區(qū)分出海洋、陸地與內(nèi)陸湖泊。通過(guò)獲取M0D03里的海陸標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)集 Land/Sea Mask實(shí)現(xiàn)海陸識(shí)別。
[0147] (3)雪識(shí)別：由于無(wú)法實(shí)時(shí)獲取每日的冰雪覆蓋數(shù)據(jù)，但為了提高云檢測(cè)的可信 度，在進(jìn)行云檢測(cè)之前，先進(jìn)行積雪檢測(cè)。目前基于反射特性的歸一化雪蓋指數(shù)(NDSI)具有 普遍的實(shí)際操作意義，精度高，分類合理，是提取積雪信息的最佳技術(shù)手段。歸一化雪蓋指 數(shù)(NDSI)是基于雪對(duì)可見(jiàn)光和短波紅外波段的反射特性和反射差的相對(duì)大小的一種測(cè)量 方法。
[0148] (4)洋面太陽(yáng)耀斑區(qū)判別。當(dāng)太陽(yáng)反射角度θτ位于〇°~36°時(shí)，作太陽(yáng)耀斑區(qū)處理； 太陽(yáng)反射角按下式確定：
[0149] cos0. - sini7sin0{)cos(p+cos^cos0{) _
[0150] 其中，Θ為太陽(yáng)天頂角，為視角，為方位角。
[0151] (5)針對(duì)不同的下墊面，進(jìn)行單一像元的分組檢測(cè)。將檢測(cè)項(xiàng)目分為高云、中云、低 Ζ5Γ二組檢測(cè)：
[0152] 第一組為高云檢測(cè)：BT13.9，BT6.7，R1.38，BT11，BT3.7-BT12。
[0153] 第二組為中云檢測(cè)：RO · 66，R0 · 87，R0 · 87/R0 · 66，BT11-BT7 · 3。
[0154] 第三組為低云檢測(cè)：BTll-BT3.9，R0.936/R(h865，B Til。
[0155] 第三步:對(duì)于晴空區(qū)，分別選取海表溫度和550nm反射率數(shù)據(jù)為示蹤物，采用MMC反 演得到表面海流場(chǎng)；
[0156] (1)示蹤物選取
[0157] 衛(wèi)星遙感具有大范圍系統(tǒng)反復(fù)的觀測(cè)能力，可以被用來(lái)開(kāi)發(fā)觀測(cè)海洋表面環(huán)流， 這種表面環(huán)流的估計(jì)方法一般都要觀測(cè)示蹤物及它們?cè)谝欢螘r(shí)間內(nèi)的移動(dòng)，熒光素、葉綠 素、懸浮泥沙、表面溫度、及鹽度都是潛在的示蹤物，本方法主要以海表面溫度和葉綠素濃 度來(lái)作為估計(jì)海流的示蹤物。
[0158] (2)示蹤物追蹤方法
[0159] 如圖3所示，在特征量跟蹤法中用于估計(jì)海流的第一幅圖稱為"模板窗口 (template window)"，第二幅圖稱為"搜索窗口（search window)"。利用最大相關(guān)系數(shù)法來(lái) 跟蹤一幅圖到下一幅圖的海表特征的位移。在"搜索窗口"中找出與"模板窗口"大小相同且 相關(guān)性最好的那個(gè)子窗口，假設(shè)"搜索窗口"子窗口的中心坐標(biāo)為(Xmcc，Ymcc)，"模板窗口" 的中心坐標(biāo)為(X，γ)，則有(X mcc-X，Ymcc-Y)既可假設(shè)為流動(dòng)的矢量。對(duì)許多"模板窗口"進(jìn) 行重復(fù)的操作，將得到完整的表面海流區(qū)域。
[0160]第四步:對(duì)于缺測(cè)的海表流數(shù)據(jù)，利用DINEOF方法進(jìn)行插值補(bǔ)缺；
[0161 ]本方法米用DINE0F(Data Interpolating Empirical Orthogonal Functions)方 法對(duì)缺值流場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)缺。
[0162] DINEOF是一種自適應(yīng)的EOF分解方法，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)來(lái)推測(cè)出缺值點(diǎn)的數(shù)據(jù)， 而不需要通過(guò)計(jì)算最小的誤差協(xié)方差來(lái)求取插值的結(jié)果，其基本原理如下：
[0163] (1)構(gòu)造觀測(cè)數(shù)據(jù)矩陣；
[0164] (Xo)mxn原始觀測(cè)矩陣為mXn的數(shù)據(jù)矩陣，m為數(shù)據(jù)的空間維數(shù)，η為數(shù)據(jù)時(shí)間上的 維數(shù)，缺值點(diǎn)用〇表示；（X Q ) m X η矩陣的每一行表示當(dāng)前時(shí)刻流場(chǎng)在某一方向上的流矢量，流 矢量個(gè)數(shù)為m;每一列代表有η個(gè)連續(xù)相鄰時(shí)次的流場(chǎng)結(jié)果用于流場(chǎng)重構(gòu)；
[0165] (2)對(duì)Xo進(jìn)行SVD分解；
[0166] 選擇EOF的最優(yōu)數(shù)η，第(4)步中說(shuō)明選擇原則。Xo的SVD分解可表示如下Xo = UDVt，U 的維數(shù)為m X r，表示Xo的空間分解量，V的維數(shù)為r X η，表示Xo的時(shí)間分解量。D為對(duì)角特征值 矩陣，維數(shù)為r X r。在得到U，D，V的值后，可按照X 〇的重構(gòu)算法（X a) i j = (U N D N V NT) i j， JTfl二尤ji·來(lái)得到。
[0167] (3)缺值點(diǎn)數(shù)值由新的值代替；
[0168] Xa = UDVT，（Xa)ij = (UNDNVNT)ij直到收斂為止。
[0169] (4)E0F的最優(yōu)選擇數(shù)η的確定。
[0170] η的選擇依賴于Mate Caro方法，亦稱為交叉檢驗(yàn)技術(shù)。如果η選取太小，重構(gòu)的數(shù) 據(jù)不足以反映數(shù)據(jù)內(nèi)在的物理變化特征;η選太大，所引入的誤差信息加大，計(jì)算量也會(huì)加 大。采用MC客觀分析的交叉驗(yàn)證方法以決定最優(yōu)EOF階數(shù)。
[0171] 第五步:進(jìn)行變分同化優(yōu)化調(diào)整獲得短時(shí)平均表面流；
[0172]變分同化實(shí)際上是偏微分方程的最優(yōu)控制問(wèn)題，涉及到偏微分方程理論、線性與 非線性泛函分析、資料最優(yōu)處理及數(shù)值計(jì)算等學(xué)科。
[0173] 本專利提出的變分同化方法并結(jié)合正則化思想的表面海流場(chǎng)全局優(yōu)化具體如下：
[0174] 設(shè)特征量跟蹤法得到的表面流場(chǎng)為(ub，vb)，我們要得到的是經(jīng)過(guò)變分同化的質(zhì)量 控制得到流場(chǎng)(u，v);
[0175] 尋找表面流場(chǎng)的分析值(u，v)使得(u，v)滿足散度場(chǎng)：
[0176]
[0177] ⑴時(shí)，
[0178]
[0179]
[0180]
[0181]
[0182]
[0183]
[0184] 得出：
[0185]
(6)
[0186]
[0187] C7)
[0188]
[0189] (8)
[0190]
[0191] (9)
[0192]
[0193] CIO)
[0194] 解出λ，即可得到(U，v)。
[0195] 如圖4所示，利用松馳法(Relaxation method)得到λ，從而得到分析值U、V;
[0196] 令以叉，7)=01)(叉，7)-0(叉，7)，將(9)式離散得：
[0197] λ?+ι，」+λ?-1，j+λ?，j+ι+λ?，j-i_4Ai，j = fi，j (11)
[0198] 每一格點(diǎn)上給定λ的初始猜值#^ 一般來(lái)說(shuō)，它不滿足方程（10)，經(jīng)過(guò)m次疊代后，
重新求出（i，j)點(diǎn)#+1)值，使得余量等于或 接近于〇,從而得到的最后疊代值。將得到的λ(χ，3〇代入(7)式，就可以得到表面海流的 分析值(u，v)。
[0199] 本發(fā)明不局限于上述最佳實(shí)施方式，任何人在本發(fā)明的啟示下都可得出其他各種 形式的產(chǎn)品，但不論在其形狀或結(jié)構(gòu)上作任何變化，凡是具有與本申請(qǐng)相同或相近似的技 術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種MCC表面海流反演方法，其特征在于:所述方法包括 對(duì)版)DIS衛(wèi)星進(jìn)行預(yù)處理； 利用綜合優(yōu)化云檢測(cè)算法，進(jìn)行云覆蓋檢測(cè)； 對(duì)于晴空區(qū)，分別選取海表溫度和550nm反射率數(shù)據(jù)為示蹤物，采用MMC反演得到表面 海流場(chǎng)； 對(duì)于缺測(cè)的海表流數(shù)據(jù)，利用DI肥OF方法進(jìn)行插值補(bǔ)缺； 進(jìn)行變分同化優(yōu)化調(diào)整獲得短時(shí)平均表面流。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MCC表面海流反演方法，其特征在于:所述對(duì)M0DIS衛(wèi)星進(jìn) 行預(yù)處理包括 (1.1) 進(jìn)行福射值計(jì)算:將衛(wèi)星觀測(cè)到所儲(chǔ)存的計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換為可用的物理值； 其中，福亮度L和反射率數(shù)據(jù)定標(biāo)公式如下： fe,T,FS = reflectance_scalesB(SlB,T,FS-reflectance_offsetsB); 式中，Rb,t,fs為反射通道的反射率值，SIb,t,fs是數(shù)據(jù)集中16位計(jì)數(shù)值，reflectance_ scalesB和reflectance_offsetsB是對(duì)應(yīng)波段的縮放比和截距參數(shù)； LB,T,FS = radiance_scalesB(SlB,T,FS-radiance_off setsB); 式中，Lb,t,fs為福射通道的福亮度值，SIb,t,fs是數(shù)據(jù)集中16位計(jì)數(shù)值，radiance_scalesB 和radiance_offsetsB是對(duì)應(yīng)波段的縮放比和截距參數(shù)； 由普朗克公式：可W將福亮度Lb.t.f.s轉(zhuǎn)換為亮溫BT:其中，h = 6.626Xl〇-34j . S為普朗克常數(shù)，c = 2.9979Xl〇8m · S-1 為真空光速，k=1.38 X10-23J . K-1為玻爾茲曼常數(shù)，λ代表波段中屯、波長(zhǎng)； (1.2) 進(jìn)行條帶噪聲去除：定位噪聲帶行數(shù)據(jù)，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波平滑處理，對(duì)噪聲帶 采取空間域的超限鄰域平均-選擇式掩膜平滑的方法來(lái)減弱噪聲帶的影響； (1.3) 進(jìn)行邊緣數(shù)據(jù)重疊的糾正:采用Kriging插值方法和分形插值算法對(duì)M0DIS資料 進(jìn)行幾何糾正； (1.4) 進(jìn)行太陽(yáng)天頂角糾正:將不同時(shí)刻太陽(yáng)天頂角下的探測(cè)數(shù)據(jù)換算成相當(dāng)于太陽(yáng) 處于天頂時(shí)的探測(cè)值； 其訂正公式為： Rc = I?b.t.f.s/cos(白）； 式中，Rc為訂正后的反射率，化.T.F.S為定標(biāo)后的反射率，目為太陽(yáng)天頂角； (1.5) 進(jìn)行臨邊效應(yīng)的訂正:將各探測(cè)值換算成相當(dāng)于衛(wèi)星在天頂探測(cè)時(shí)的測(cè)值； 其訂正方法為： T = Tb+AT; 其中，Τ:訂正后的溫度;TB:Planck亮度溫度；9 式中，U:探測(cè)波段的中屯、波數(shù);E:定標(biāo)后的福射率;Cl，C2為常數(shù)，Cl = 1.1910659 · 10一5， C2=l.438833; ΔΤ:溫度訂正值；其中，目:探測(cè)點(diǎn)的衛(wèi)星天頂角；其中，Re:地球半徑;Η:衛(wèi)星高度;0:探測(cè)點(diǎn)的衛(wèi)星探測(cè)角； (1.6)進(jìn)行圖像的投影:采用的投影方式為等經(jīng)締度投影。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MCC表面海流反演方法，其特征在于:所述利用綜合優(yōu)化 云檢測(cè)算法，進(jìn)行云覆蓋檢測(cè)包括 (2.1) 進(jìn)行時(shí)間識(shí)別：白天云檢測(cè)所限定的太陽(yáng)高度角要小于85%大于85°視為夜間； (2.2) 進(jìn)行海陸識(shí)別：區(qū)分出海洋、陸地與內(nèi)陸湖泊，通過(guò)獲取M0D03里的海陸標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù) 集Land/Sea Mask實(shí)現(xiàn)海陸識(shí)別； (2.3) 進(jìn)行雪識(shí)別：采用歸一化雪蓋指數(shù)測(cè)量雪對(duì)可見(jiàn)光和短波紅外波段的反射特性 和反射差的相對(duì)大?。? (2.4) 判別洋面太陽(yáng)耀斑區(qū)； 當(dāng)太陽(yáng)反射角度θτ位于0°~36°時(shí)，作太陽(yáng)耀斑區(qū)處理;太陽(yáng)反射角按下式確定：其中，Θ為太陽(yáng)天頂角，θ〇為視角，戶為方位角； (2.5) 針對(duì)不同的下墊面，進(jìn)行單一像元的分組檢測(cè)，將檢測(cè)項(xiàng)目分為高云、中云、低云 二組檢測(cè)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MCC表面海流反演方法，其特征在于:所述利用最大相關(guān) 系數(shù)方法反演得到表面海流場(chǎng)包括 在特征量跟蹤法中用于估計(jì)海流的第一幅圖設(shè)為模板窗口，第二幅圖設(shè)為捜索窗口， 利用最大相關(guān)系數(shù)法來(lái)跟蹤一幅圖到下一幅圖的海表特征的位移，在捜索窗口中找出與模 板窗口大小相同且相關(guān)性的子窗口，對(duì)模板窗口進(jìn)行重復(fù)的操作，得到完整的表面海流區(qū) 域； 其中，示蹤物選取：W海表面溫度和葉綠素濃度來(lái)作為估計(jì)海流的示蹤物，所述示蹤物 包括巧光素、葉綠素、懸浮泥沙、表面溫度及鹽度。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MCC表面海流反演方法，其特征在于:所述對(duì)于缺測(cè)的海 表流數(shù)據(jù)，利用DI肥OF方法進(jìn)行插值補(bǔ)缺包括通過(guò)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)來(lái)推測(cè)出缺值點(diǎn)的數(shù)據(jù)， 其基本原理包括： (5.1)構(gòu)造觀測(cè)數(shù)據(jù)矩陣； (Xo)mxn原始觀測(cè)矩陣為mXn的數(shù)據(jù)矩陣，m為數(shù)據(jù)的空間維數(shù)，η為數(shù)據(jù)時(shí)間上的維數(shù)， 缺值點(diǎn)用ο表示；（Xo)mXn矩陣的每一行表示當(dāng)前時(shí)刻流場(chǎng)在某一方向上的流矢量，流矢量個(gè) 數(shù)為m;每一列代表有η個(gè)連續(xù)相鄰時(shí)次的流場(chǎng)結(jié)果用于流場(chǎng)重構(gòu)； (5.2) 對(duì)乂〇進(jìn)行5￥0分解； 選擇EOF的最優(yōu)數(shù)η，Χο的SVD分解可表示如下Χο = UDVT，U的維數(shù)為m X r，表示Χο的空間分 解量，V的維數(shù)為r X η，表示Χο的時(shí)間分解量，D為對(duì)角特征值矩陣，維數(shù)為r X r，在得到U，D， V的值后，可按照Χο的重構(gòu)算法(Xa)ij= (UnDnVnT)。，義。=；^。+左來(lái)得到； (5.3) 缺值點(diǎn)數(shù)值由新的值代替； Xa = UWT，（Xa)U=化nDnVnT)^ 直到收斂為止； 巧.4化OF的最優(yōu)選擇數(shù)η的確定； 通過(guò)交叉驗(yàn)證方法選擇η，采用MC客觀分析的交叉驗(yàn)證方法W決定最優(yōu)EOF階數(shù)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MCC表面海流反演方法，其特征在于:所述進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整 包括 采用變分同化方法并結(jié)合正則化思想對(duì)表面海流場(chǎng)全局優(yōu)化： 設(shè)特征量跟蹤法得到的表面流場(chǎng)為(ub，vb)，經(jīng)過(guò)變分同化的質(zhì)量控制得到流場(chǎng)(u，v); 尋找表面流場(chǎng)的分析值(u，v)使得(u，v)滿足散度場(chǎng)：C1) (ub，vb)為推導(dǎo)得到的表面流場(chǎng)，使得分析值(U，V)與表面流場(chǎng)充分接近，滿足式（1)時(shí)， 同時(shí)滿足下式：(2) 利用Lagrange乘子法，把式（1)作為約束條件，即條件變分法，引進(jìn)新的泛函如下：和邊界條件λ|Γ = 0,即：解出λ，即可得到(U，v); 利用松馳法得到λ，從而得到分析值U、V ; 令f (x，y)=Db(x,y)-D(x，y)，將(9)式離散得： 入 i+i, j = fi, j (11) 其中，每一格點(diǎn)上給定人的初始猜值為它不滿足方程（10)，經(jīng)過(guò)m次疊代后，余量重新求出（i，j)點(diǎn)乂Γ"值，使得余量等于或接 近于0,從而得到λι,^的最后疊代值;將得到的λ(χ，γ)代入(7)式，就可得到表面海流的分析 值(u，v)。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105844000SQ201610159357
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月18日
【發(fā)明人】郭洪濤
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