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专利号: 2024109260031
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于多源遥感数据的大气XCO2空间化方法,其特征在于,所述大气XCO2空间化方法包括以下步骤:步骤A,获取多颗温室气体观测卫星的大气XCO2遥感数据,对获取的多源卫星大气XCO2遥感数据进行预处理;

步骤B,将多源卫星大气XCO2遥感数据转换到统一的CO2剖面,基于大气垂直气压层将各卫星CO2剖面层数进行内插或外扩到统一的CO2剖面层数,再将卫星过境时间的XCO2测量值转换为统一参考时间的XCO2测量值,最后对多源卫星数据进行时空归一化处理,将不同时空分辨率的数据统一到相同的时空尺度,得到融合数据集;

步骤C,获取包括大气NO2数据、植被指数、高程数据和气温数据在内的空间自变量数据,将所有空间自变量数据统一重采样为相同的空间分辨率;

步骤D,对重采样后的大气NO2数据进行高斯滤波平滑处理,计算不同平滑效果提取的大气NO2数据与大气XCO2遥感数据的相关系数,选择相关系数最高的大气NO2数据平滑结果作为大气XCO2遥感估算模型的输入变量;

步骤E,通过经纬度和时间进行时空匹配,提取出与大气XCO2遥感数据对应的空间自变量值;以大气XCO2遥感数据为因变量,大气NO2数据、植被指数、高程数据和气温数据为自变量,构建并训练地理加权回归模型,根据加权最小二乘法求点的回归系数,以自适应法确定地理加权回归模型的最佳带宽和权重,求解各个自变量的回归系数,得到大气XCO2遥感估算模型;

步骤F,将大气XCO2遥感估算模型应用于空间连续的自变量数据,计算大气XCO2连续数据,得到大气XCO2空间连续分布。

2.根据权利要求1所述的基于多源遥感数据的大气XCO2空间化方法,其特征在于,步骤A中,获取多颗温室气体观测卫星的大气XCO2遥感数据,对获取的多源卫星大气XCO2数据进行预处理的过程包括以下子步骤:A1,分别获取GOSAT卫星大气XCO2数据、OCO‑2卫星大气XCO2数据和OCO‑3卫星大气XCO2数据,GOSAT卫星大气XCO2数据的数据版本为ACOS_L2_Lite_FP.9r,OCO‑2卫星大气XCO2数据的数据版本为OCO2_L2_Lite_FP.11r,OCO‑3卫星大气XCO2数据的数据版本为OCO3_L2_Lite_FP.10.4r;

A2,通过数据产品提供的质量控制标志筛选获得高质量的大气XCO2遥感数据,质量控制标志为:xco2_quality_flag=0。

3.根据权利要求1所述的基于多源遥感数据的大气XCO2空间化方法,其特征在于,步骤B中,得到融合数据集的过程包括以下子步骤:B1,以Carbon Tracker模型数据的CO2剖面作为基准,采用下述公式将GOSAT ACOS卫星、OCO‑2卫星和OCO‑3卫星反演的大气XCO2遥感数据转换到统一的CO2先验剖面:式中,XCO2adj,t为校正后的卫星观测时间t的XCO2值,XCO2raw,t为原始的卫星观测时间t的XCO2值,h为压力加权函数,I为单位矩阵,A为反演算法计算得到的平均核函数,XCT,t为Carbon Tracker模型对应卫星观测时间t的CO2剖面分布,Xa,t为卫星的先验CO2剖面分布;

B2,基于大气垂直气压层将GOSAT ACOS卫星、OCO‑2卫星和OCO‑3卫星的CO2剖面层数进行内插或外扩到Carbon Tracker模型的CO2剖面层数;

B3,将CT模型数据的8时段剖面浓度分布进行线性插值到卫星数据的过境时间,根据Carbon Tracker模型模拟的日变化引入时移修正系数;将卫星过境时间t的CO2测量值转换为参考时间13:30的CO2测量值:式中,rt为参考时间13:30,XCO2con,rt为根据卫星参考时间rt转换后的XCO2值,ht、hrt分别为CT模型对应时间t、rt的CO2剖面;

B4,对每一种校正后的卫星数据滤除与均值差异大于3倍标准差的数据,以1月或者1年作为合成周期,对在合成周期内的大气XCO2遥感数据进行10km半径内的校正后数据集成平均,将不同时空分辨率的数据统一到相同的时空尺度,得到融合数据集。

4.根据权利要求1所述的基于多源遥感数据的大气XCO2空间化方法,其特征在于,步骤C中,使用Sentinel‑5P卫星搭载的对流层观测仪TROPOMI反演得到5km分辨率的大气NO2浓度逐日数据;采用时间加权将MODIS/MOD13A3产品的16天合成数据转换为1km分辨率的月合成归一化植被指数NDVI;使用SRTM/DEM获取高程数据,高程数据的数据版本为SRTMGL1_v003,空间分辨率为30m;使用ERA5‑Land月合成再分析数据得到气温数据,气温数据的空间分辨率为10km。

5.根据权利要求1所述的基于多源遥感数据的大气XCO2空间化方法,其特征在于,步骤C中,将所有空间自变量数据统一重采样为10km空间分辨率。

6.根据权利要求1所述的基于多源遥感数据的大气XCO2空间化方法,其特征在于,步骤D中,对重采样后的大气NO2数据进行高斯滤波平滑处理,计算不同平滑效果提取的大气NO2遥感数据与大气XCO2遥感数据的相关系数的过程包括以下子步骤:D1,对于获取的大气NO2数据进行高斯滤波平滑处理,高斯平滑滤波器的窗口内各像素的权重呈高斯分布:式中,g(μ,v)为观测点(μ,v)对应的权重;μ和v分别为观测点的经度和纬度坐标值;σ为标准差。高斯平滑滤波器的窗口内的中心点为原点,其他点根据高斯函数,按照其位置(μ,v)计算权重,并计算窗口中心点的加权平均值F(0,0):式中,F(0,0)为窗口中心点的高斯平滑值;R为高斯平滑滤波器的窗口半径;f(μ,v)为位置(μ,v)的原始像素值;g(μ,v)为位置(μ,v)对应的权重;

D2,利用不同窗口大小的高斯平滑滤波处理大气NO2数据,利用XCO2观测点经纬度提取对应的大气NO2,计算不同平滑效果提取的大气NO2与XCO2的相关系数,选择相关系数最高的大气NO2数据的平滑结果作为大气XCO2遥感估算模型的输入变量。

7.根据权利要求1所述的基于多源遥感数据的大气XCO2空间化方法,其特征在于,步骤E中,得到大气XCO2遥感估算模型的过程包括以下子步骤:通过经纬度和时间进行时空匹配,提取出与大气XCO2观测数据对应的空间自变量值;以大气XCO2遥感数据为因变量,大气NO2数据、植被指数、气温数据、高程数据为自变量,构建地理加权回归模型:y(μ,ν)=β0(μ,ν)+β1(μ,ν)x1+β2(μ,ν)x2+β3(μ,ν)x3+β4(μ,ν)x4+ε式中,y(μ,v)表示观测点(μ,v)处的大气XCO2观测值;μ和v分别为观测点的经度和纬度坐标值;β0(μ,v)为方程的截距;β1(μ,v)、β2(μ,v)、β3(μ,v)和β4(μ,v)为对应自变量的回归系数;x1、x2、x3和x4分别为观测点处的植被指数、气温数据、高程数据以及大气NO2数据的平滑结果;ε为随机误差项;

根据加权最小二乘法求点的回归系数,回归系数参数估计值β^(μ,v)表示为:

^ T ‑1 T

β(μ,v)=[XW(μ,ν)X] XW(μ,v)Y

式中,W(μ,v)为空间权重对角矩阵;X为自变量矩阵;Y为因变量向量;

采用交叉验证法计算带宽,高斯函数计算空间权重,以自适应法确定地理加权回归模型的最佳带宽和权重,求解自变量的回归系数,得到大气XCO2遥感估算模型。