CN109374533A - 一种卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法 - Google Patents

一种卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于大气遥感技术领域，公开了一种卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法，将高分辨率参考太阳光谱按照特定的光谱间隔进行偏移和拉伸；基于星载仪器的线型函数，将多组经过偏移和拉伸的高光谱分辨率太阳光谱卷积生成参考光谱数据库；计算实际观测光谱与预先生成的各组参考光谱的相关系数；相关系数最大的参考太阳光谱对应的光谱漂移和拉伸量，即为实际观测光谱的漂移和拉伸量，最终实现光谱漂移估算。采用本发明的方法可实现卫星短波红外高光谱观测数据的快速、精确光谱漂移订正的目的。

Description

一种卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法
技术领域
本发明属于大气遥感技术领域，尤其涉及一种卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：星载光谱仪在获取地表和大气信息时，由于受温度、环境以及相对运动等因素的影响，其光谱频率会发生漂移，尤其是针对高光谱分辨率的光谱仪器而言更是如此。因此，数据的实际应用过程中需要对光谱漂移进行光谱订正，否则漂移将给地球物理参数反演引入较大误差。目前，光谱漂移的订正方法主要是利用已知的谱线为参考进行订正，比如太阳夫琅和费线，或者是同步反演光谱偏移量。利用参考谱线确定光谱漂移量主要是选择观测光谱中的一个或者两个强吸收线，通过比对观测、参考光谱的强吸收线位置差异确定偏移量。方法由于选择通道较少会给偏移量计算带来一定误差，此外无法适用于非线性的拉伸订正。同步反演光谱漂移量方法容易受光谱漂移初值的影响，此外反演过程中需要耗费大量的时间，不利于光谱快速订正。
综上所述，现有技术存在的问题是：目前的光谱漂移的订正方法由于选择通道较少会给偏移量计算带来一定误差，无法适用于非线性的拉伸订正；同步反演光谱漂移量方法容易受光谱漂移初值的影响，需要耗费大量的时间，不利于光谱快速订正。
解决上述技术问题的难度和意义：
由于多普勒效应、大气温度变化等因素的影响，短波红外高光谱观测普遍存在光谱漂移的现象，光谱漂移会对基于高光谱数据的地表、大气参数反演引入较大误差，因此开展地球物理参数反演之前必须对观测数据进行光谱漂移订正。短波红外高光谱通道个数可达上千个，基于传统的同步反演光谱漂移的算法使得算法的收敛速度明显降低，且光谱漂移订正的精度对漂移初始值的精度有非常强的依赖性。相比之下，基于太阳夫琅和费线的光谱订正方法速度较快，但是其订正精度较低且无法订正非线性漂移，亟需发展一种快速、精确的短波红外高光谱光谱漂移订正方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法。
本发明是这样实现的，一种卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法，所述卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法包括：
将高分辨率参考太阳光谱按照特定的光谱间隔进行偏移和拉伸；基于星载仪器的线型函数，将多组经过偏移和拉伸的高光谱分辨率太阳光谱卷积生成参考光谱数据库；计算实际观测光谱与预先生成的各组参考光谱的相关系数；相关系数最大的参考太阳光谱对应的光谱漂移和拉伸量，即为实际观测光谱的漂移和拉伸量，最终实现光谱漂移估算。
进一步，所述卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法利用合适方法处理卫星短波红外光谱仪观测的数据。
进一步，所述卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法建立的光谱漂移估算模型和计算方法具体是指以高光谱分辨率参考太阳光谱为基础，将其以特定的光谱间隔进行偏移和拉伸，形成多组处理后的太阳光谱；结合星载仪器的线型函数，将多组经过偏移和拉伸的太阳光谱卷积生成参考光谱数据库；逐个计算实际观测光谱与参考光谱数据库的相关系数；相关系数最大者对应的光谱漂移和拉伸量，为实际观测光谱的漂移和拉伸量，最终实现光谱漂移估算。
进一步，所述卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法具体包括：
(1)将高光谱分辨率Kurucz太阳光谱作为初步的参考太阳光谱，利用三次样条插值法对Kurucz参考光谱进行插值处理，得到光谱分辨率为0.01cm-1的太阳光谱；
(2)将插值后的太阳光谱以0.01cm-1为间隔，分别向短波和长波方向偏移0.15cm-1，共可得到31组光谱偏移为-0.15～0.15cm-1的偏移太阳光谱数据集；
(3)将(2)得到的31组偏移光谱数据集分别与卫星高光谱仪器的线型函数进行卷积，得到31组与星载仪器光谱分辨率相同的参考太阳光谱；具体计算过程为：式中I(λ′’)为0.01cm-1光谱间隔的偏移太阳光谱，Isun(λ)为与星载仪器光谱分辨率一致的卷积后的太阳光谱，ILS(λ，λ′)为仪器的线型函数；
(4)将待处理的一个短波红外高分辨率观测光谱分别与卷积后的31组太阳光谱数据集计算相关系数，其中Ri是计算得到的观测光谱与第i个卷积后的太阳光谱的相关系数，Iobs是星载仪器观测光谱，是卷积后的太阳光谱集中的第i个光谱，至此可计算得到31组相关系数R；
(5)利用max函数计算相关系数的最大值，其中与观测光谱相关系数最大的的参考太阳光谱所对应的偏移波长即为这一星载高光谱观测数据的光谱偏移量。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法的星载光谱仪。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明可以实现快速高效的短波红外高光谱光谱漂移订正，可以根据用户的精度需求实现光谱漂移订正，针对一个观测光谱实现0.01cm-1光谱漂移精度的订正,在普通的个人电脑(Intel酷睿i74700MQ，CP主频2.4GHz，内存8G)运行仅需0.1秒，而基于最优估计算法的同步反演光谱漂移的方法在相同电脑上运行超过3分钟。此外，本发明不需要光谱漂移初值，克服了同步反演算法对初值的依赖性，有效提高了光谱订正的精度。因此，本发明尤其适用于短波红外高光谱数据的快速订正，且精度高于现有的基于夫琅禾费线的订正算法和同步反演算法。
附图说明
图1是本发明实施例提供的卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法流程图。
图2是本发明实施例提供的卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法实现流程图。
图3GOSAT卫星氧气A带(12900、13050和13200cm-1)仪器线型函数。
图4是本发明实施例提供的卫星短波红外氧气A带观测高光谱数据与不同光谱偏移量的参考太阳光谱(0.01cm-1和0.04cm-1)的散点图和对应的相关系数。
图5是本发明实施例提供的实测光谱与不同参考太阳光谱相关系数图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法，主要解决星载光谱仪短波红外高光谱数据的光谱漂移估算问题。其适用于短波红外高光谱数据光谱漂移订正。
如图1所示，本发明实施例提供的卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法包括以下步骤：
S101：将高分辨率参考太阳光谱按照特定的光谱间隔进行偏移和拉伸；
S102：基于星载仪器的线型函数，将多组经过偏移和拉伸的高光谱分辨率太阳光谱卷积生成参考光谱数据库；
S103：计算实际观测光谱与预先生成的各组参考光谱的相关系数；
S104：相关系数最大的参考太阳光谱对应的光谱漂移和拉伸量，即为实际观测光谱的漂移和拉伸量，最终实现光谱漂移估算。
本发明实施例提供的卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法包括以下步骤：
(1)基于高分辨率太阳光谱，根据需要进行多种偏移和拉伸，形成新的偏移和拉伸后的参考太阳光谱集。比如以0.01cm-1左右方向各漂移0.15cm-1，可生成偏移后的30组新光谱。
(2)基于星载仪器的线型函数，将多组经过偏移和拉伸的高光谱分辨率太阳光谱卷积生成参考光谱数据库。
(3)基于星载仪器的线型函数，将经过偏移和拉伸后的参考太阳光谱集进行卷积，生成与星载仪器观测分辨率相同的参考太阳光谱数据库。
(4)计算实际观测光谱与参考太阳光谱数据库各光谱的相关系数。
(5)相关系数最大者对应的光谱漂移和拉伸量，即为实际观测光谱漂移值，最终实现光谱漂移估算。
本发明建立的光谱漂移估算模型和计算方法具体是指以高光谱分辨率参考太阳光谱为基础，将其以特定的光谱间隔进行偏移和拉伸，形成多组处理后的太阳光谱；结合星载仪器的线型函数，将多组经过偏移和拉伸的太阳光谱卷积生成参考光谱数据库；逐个计算实际观测光谱与参考光谱数据库的相关系数；相关系数最大者对应的光谱漂移和拉伸量，即为实际观测光谱的漂移和拉伸量，最终实现光谱漂移估算。(1)将高光谱分辨率Kurucz太阳光谱作为初步的参考太阳光谱，利用三次样条插值法对Kurucz参考光谱进行插值处理，得到光谱分辨率为0.01cm-1的太阳光谱。(2)将插值后的太阳光谱以0.01cm-1为间隔，分别向短波和长波方向偏移0.15cm-1，共可得到31组光谱偏移为-0.15～0.15cm-1的偏移太阳光谱数据集。(3)将步骤(2)得到的31组偏移光谱数据集分别与卫星高光谱仪器的线型函数进行卷积，得到31组与星载仪器光谱分辨率相同的参考太阳光谱。具体计算过程为：式中I(λ′’)为0.01cm-1光谱间隔的偏移太阳光谱，Isun(λ)为与星载仪器光谱分辨率一致的卷积后的太阳光谱，ILS(λ，λ′)为仪器的线型函数。(4)将待处理的一个短波红外高分辨率观测光谱分别与卷积后的31组太阳光谱数据集计算相关系数， 其中Ri是计算得到的观测光谱与第i个卷积后的太阳光谱的相关系数，Iobs是星载仪器观测光谱，是卷积后的太阳光谱集中的第i个光谱，至此可计算得到31组相关系数R。(5)利用max函数计算相关系数的最大值，其中与观测光谱相关系数最大的的参考太阳光谱所对应的偏移波长即为这一星载高光谱观测数据的光谱偏移量。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。
针对GOSAT卫星氧气A带仪器特性，利用本发明构建的模型开展了光谱漂移估算，结果表明本发明可以快速、精确估算光谱漂移情况。具体步骤如下
(1)将太阳光谱以0.01cm-1向左右偏移0.15cm-1；(2)将处理后的多组光谱与仪器线型函数进行卷积，获取与GOSAT光谱分辨率相同的太阳光谱数据库；(3)计算实测光谱与数据库中各太阳光谱的相关性，相关系数最高的太阳光谱对应的偏移量即为光谱漂移的估算值。
图3展示了GOSAT卫星氧气A带仪器线型函数，其中半峰全宽(FWHM)为1.2cm-1。
图4展示了观测光谱分别与两个光谱偏移的参考太阳光谱(偏移量分别为0.01和0.04cm-1)的散点图以及所计算的相关系数数值，可以看出观测光谱与不同偏移量的参考太阳光谱的相关性是不同的，并且相关系数受偏移量的变化影响较大，这也间接说明算法可以捕捉到观测细微的光谱漂移。
图5展示了观测光谱与不同参考太阳光谱的相关系数变化图，可知光谱漂移为0.01cm-1时相关系数最大，因此该实测光谱对应的漂移量为0.01cm-1。实际应用中，可以根据光谱漂移估算精度的需要，制作相应的太阳光谱数据库，算法适用于卫星短波红外高光谱观测数据的光谱漂移估算。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法，其特征在于，所述卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法包括：将高分辨率参考太阳光谱按照特定的光谱间隔进行偏移和拉伸；基于星载仪器的线型函数，将多组经过偏移和拉伸的高光谱分辨率太阳光谱卷积生成参考光谱数据库；计算实际观测光谱与预先生成的各组参考光谱的相关系数；相关系数最大的参考太阳光谱对应的光谱漂移和拉伸量，即为实际观测光谱的漂移和拉伸量，最终实现光谱漂移估算。
2.如权利要求1所述的卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法，其特征在于，所述卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法利用合适方法处理卫星短波红外光谱仪观测的数据。
3.如权利要求1所述的卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法，其特征在于，所述卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法建立的光谱漂移估算模型和计算方法具体是指以高光谱分辨率参考太阳光谱为基础，将其以特定的光谱间隔进行偏移和拉伸，形成多组处理后的太阳光谱；结合星载仪器的线型函数，将多组经过偏移和拉伸的太阳光谱卷积生成参考光谱数据库；逐个计算实际观测光谱与参考光谱数据库的相关系数；相关系数最大者对应的光谱漂移和拉伸量，为实际观测光谱的漂移和拉伸量，最终实现光谱漂移估算。
4.如权利要求1所述的卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法，其特征在于，所述卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法具体包括：
(1)将高光谱分辨率Kurucz太阳光谱作为初步的参考太阳光谱，利用三次样条插值法对Kurucz参考光谱进行插值处理，得到光谱分辨率为0.01cm-1的太阳光谱；
(2)将插值后的太阳光谱以0.01cm-1为间隔，分别向短波和长波方向偏移0.15cm-1，共可得到31组光谱偏移为-0.15～0.15cm-1的偏移太阳光谱数据集；
(3)将(2)得到的31组偏移光谱数据集分别与卫星高光谱仪器的线型函数进行卷积，得到31组与星载仪器光谱分辨率相同的参考太阳光谱；具体计算过程为：式中I(λ″)为0.01cm-1光谱间隔的偏移太阳光谱，Isun(λ)为与星载仪器光谱分辨率一致的卷积后的太阳光谱，ILS(λ，λ′)为仪器的线型函数；
(4)将待处理的一个短波红外高分辨率观测光谱分别与卷积后的31组太阳光谱数据集计算相关系数，其中Ri是计算得到的观测光谱与第i个卷积后的太阳光谱的相关系数，Iobs是星载仪器观测光谱，是卷积后的太阳光谱集中的第i个光谱，至此可计算得到31组相关系数R；
(5)利用max函数计算相关系数的最大值，其中与观测光谱相关系数最大的的参考太阳光谱所对应的偏移波长即为这一星载高光谱观测数据的光谱偏移量。
5.一种应用权利要求1～4任意一项所述卫星短波红外高光谱观测数据光谱漂移估算方法的星载光谱仪。
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