云层覆盖下大气温度与湿度廓线处理方法和系统

摘要

本申请提供了一种云层覆盖下大气温度与湿度廓线处理方法和系统，所述方法包括：将微波大气温度和湿度廓线按照光学遥感数据在晴空条件下的大气温度和湿度廓线的垂直气压进行插值；以微波像元为单位，对各微波像元循环执行如下步骤：判断当前微波像元是否全部被云层覆盖，若是，则将当前微波像元区域内云层下的大气温度与湿度廓线用插值后的被动微波遥感数据廓线代替；若否，则利用光学遥感数据中的云掩膜数据计算当前微波像元区域的云层覆盖度，对云层下每一层的大气温度与湿度廓线分别根据温度融合参数和湿度融合参数进行融合计算，生成该微波像元区域内云层下的大气温度与湿度廓线。本申请通过上述手段，可实现光学和微波数据廓线融合。

说明书

技术领域

本申请涉及遥感数据处理技术领域，特别地，涉及一种云层覆盖下大气温 度与湿度廓线处理方法和系统。

背景技术

光学遥感是指传感器的工作波段在光波段范围的遥感技术，通过光学遥感 数据可以获得高空间分辨率的大气廓线。然而，由于光学传感器，如中分辨率 成像光谱仪(MODIS，MODerateresolutionImagingSpectroradiometer)，只能工 作在光学波段，难于穿透云层，只能获得晴空条件下的大气数据。

微波遥感是传感器的工作波长在微波波谱区的遥感技术，微波遥感的工作 方式包括主动微波遥感(有源)和被动微波遥感(无源)，前者由传感器发射微 波波束再接收由地面或空中物体反射或散射回来的回波，后者接收地面或空中 物体自身辐射的微波。微波遥感的突出优点是能够全天候(晴空或有云层覆盖) 监测地表及大气动态变化，获得空间连续廓线数据，不受云、雨、雾等天气状 态的影响，并可在夜间工作。然而，微波遥感数据的空间分辨率较低，以可以 提供大气温湿度及云雨分布特征信息的增强型微波探测器(AMSU，Advanced MicrowaveSoundingUnit)为例，其分辨率为45km，无法满足局部地区气候与 气象预报、降水、水资源管理、污染气体监测等领域的应用需求。

发明内容

本申请提供一种云层覆盖下大气温度与湿度廓线处理方法和系统，用于解 决现有微波遥感数据中的大气垂直方向温度和湿度廓线分辨率过低而影响其应 用范围的问题。

本申请公开的一种云层覆盖下大气温度与湿度廓线处理方法，包括：将被 动微波遥感数据的大气温度和湿度廓线按照光学遥感数据在晴空条件下的大气 温度和湿度廓线的垂直气压进行插值，使二者在垂直方向上层层匹配；以被动 微波遥感数据的微波像元为单位，对各微波像元循环执行如下步骤：判断当前 微波像元是否全部被云层覆盖，若是，则将当前微波像元区域内云层下的大气 温度与湿度廓线用插值后的被动微波遥感数据廓线代替；若否，则利用光学遥 感数据中的云掩膜数据计算当前微波像元区域的云层覆盖度，对云层下每一层 的大气温度与湿度廓线分别根据温度融合参数和湿度融合参数进行融合计算， 生成当前微波像元区域内云层下的大气温度与湿度廓线；其中，所述温度融合 参数包括当前层该微波像元对应的温度、当前层该微波像元区域内光学遥感数 据的每个光学像元对应的晴空条件下的温度；所述湿度融合参数包括当前层该 微波像元对应的湿度、当前层该微波像元区域内光学遥感数据的每个光学像元 对应的晴空条件下的湿度。

优选的，所述对云层下每一层的大气温度与湿度廓线分别根据温度融合参 数和湿度融合参数进行融合计算，采用如下公式：

其中，T_cloud和RH_cloud分别表示融合后的当前微波像元区域云下某层的大气 温度和湿度；T_微波和RH_微波分别表示当前微波像元对应的云下相应层的大气温度 和湿度；f_i表示被动微波传感器对应的点扩散函数；C表示当前微波像元区域的 云层覆盖度；N表示当前微波像元内没有被云层覆盖的光学像元数量；i表示当 前微波像元区域内光学像元的序号；T_光学-i和RH_光学-i分别表示当前微波像元中晴 空区域相应层的第i个光学像元的大气温度和湿度。

优选的，所述光学遥感数据为MODIS数据，所述被动微波遥感数据为 AMSU数据。

优选的，所述MODIS数据的分辨率为5km；所述AMSU数据的分辨率为 45km。

优选的，所述利用光学遥感数据中的云掩膜数据计算当前微波像元区域的 云层覆盖度C的计算公式具体为：

$C=\frac{S-N}{S}$

其中，S表示当前微波像元内包括的光学像元总数量；N表示当前微波像元 内没有被云层覆盖的光学像元数量。

本申请公开的一种云层覆盖下大气温度与湿度廓线处理系统，包括：插值 模块，用于将被动微波遥感数据的大气温度和湿度廓线按照光学遥感数据在晴 空条件下的大气温度和湿度廓线的垂直气压进行插值，使二者在垂直方向上层 层匹配；判断模块，用于以被动微波遥感数据的微波像元为单位，循环判断各 微波单元是否全部被云层覆盖；在当前微波像元全部被云层覆盖时，调度赋值 模块生成云层下该微波像元区域内的大气温度与湿度廓线；在当前微波像元没 有全部被云层覆盖时，调度融合模块生成云层下该微波像元区域内的大气温度 与湿度廓线；赋值模块，用于将当前微波像元区域内云层下的大气温度与湿度 廓线用插值后的被动微波遥感数据廓线代替；融合模块，利用光学遥感数据中 的云掩膜数据计算该微波像元区域的云层覆盖度，对云层下每一层的大气温度 与湿度廓线分别根据温度融合参数和湿度融合参数进行融合计算，生成当前微 波像元区域内云层下的大气温度与湿度廓线；其中，所述温度融合参数包括云 层覆盖度、当前层微波像元对应的温度、当前层相应微波像元区域内光学遥感 数据的每个光学像元对应的晴空条件下的温度；所述湿度融合参数包括云层覆 盖度、当前层微波像元对应的湿度、当前层相应微波像元区域内光学遥感数据 的每个光学像元对应的晴空条件下的湿度。

优选的，所述融合模块采用如下公式对云层下每一层的大气温度与湿度廓 线分别根据温度融合参数和湿度融合参数进行融合计算：

其中，T_cloud和RH_cloud分别表示融合后的当前微波像元区域云下某层的大气 温度和湿度；T_微波和RH_微波分别表示当前微波像元对应的云下相应层的大气温度 和湿度；f_i表示被动微波传感器对应的点扩散函数；C表示当前微波像元内云层 的覆盖度；N表示当前微波像元内没有被云层覆盖的光学像元数量；i表示当前 微波像元区域内光学像元的序号；T_光学-i和RH_光学-i分别表示当前微波像元中晴空 区域相应层的第i个光学像元的大气温度和湿度。

优选的，所述光学遥感数据为MODIS数据，所述被动微波遥感数据为 AMSU数据。

优选的，所述MODIS数据的分辨率为5km；所述AMSU数据的分辨率为 45km。

优选的，所述融合模块利用光学遥感数据中的云掩膜数据计算该微波像元 区域的云层覆盖度C的计算公式具体为：

$C=\frac{S-N}{S}$

其中，S表示一个微波像元内包括的光学像元总数量；N表示相应的微波像 元内没有被云层覆盖的光学像元数量。

与现有技术相比，本申请具有以下优点：

本申请优选实施例利用光学遥感与微波遥感各自的优点，在廓线反演领域 实现二者的融合，实现云层覆盖下高分辨率大气温度、湿度廓线的计算，弥补 当前该领域存在的空白和缺陷，为全球变化、气候与气象预报、大气环境遥感 监测、辐射传输、地表和大气相互作用、大气边界层、气溶胶、降水、水资源 管理、污染气体监测等的一系列研究提供技术和数据支撑。

附图说明

图1为本申请云层覆盖下大气温度与湿度廓线处理方法一实施例的流程图；

图2为本申请云层覆盖下大气温度与湿度廓线处理系统一实施例的结构示 意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和 具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

参照图1，示出了本申请云层覆盖下大气温度与湿度廓线处理方法一实施例 的流程，本优选方法实施例包括以下步骤：

步骤S101：将被动微波遥感数据的大气温度和湿度廓线按照光学遥感数据 在晴空条件下的大气温度和湿度廓线的垂直气压进行插值，使二者在垂直方向 上层层匹配；

在进一步的优选实施例中，其中的光学遥感数据可以选用MODIS数据，被 动微波遥感数据可以选用AMSU数据；

进一步的，可以选用分辨率为5km或1km的MODIS数据，分辨率为45km 的AMSU数据。

步骤S102：选取被动微波遥感数据的一个微波像元；

本优选实施例以微波像元为单位进行处理，选取一个微波像元后，将云层 下的大气温度和湿度廓线逐层进行融合处理，生成与光学遥感数据分辨率一致 的高分辨率的大气廓线，以实现本申请扩充大气廓线应用范围的目的。但本申 请并不限制处理顺序，本领域技术人员可以参照本优选实施例方案变更处理顺 序，如可以先分层，在每层中再以微波像元为单位进行廓线融合处理。

步骤S103：判断当前微波像元是否全部被云层覆盖，若是，转步骤S104； 否则，转步骤S105；

步骤S104：将该微波像元区域内云层下的大气温度与湿度廓线用插值后的 被动微波遥感数据廓线代替；转步骤S107；

步骤S105：利用光学遥感数据中的云掩膜数据计算该微波像元区域的云层 覆盖度；

在进一步的优选实施例中，利用光学遥感数据中的云掩膜数据计算该微波 像元区域的云层覆盖度C，可以采用如下计算公式：

$C=\frac{S-N}{S}$

上述公式中，S表示当前微波像元内包括的光学像元总数量；N表示当前微 波像元内没有被云层覆盖的光学像元数量。

以分辨率为45km的AMSU数据和分辨率为5km的MODIS数据为例，微 波像元的区域大小为45*45，光学像元的区域大小为5*5；一个微波像元中包括 的光学像元的总数量S＝(45*45)/(5*5)＝81；可以根据云掩膜数据获得当前微波 像元区域内有N个光学像元没有被云覆盖(假设N＝30)，那么用被云层覆盖的 光学像元数量(S-N＝51)除以该区域内光学像元总数量(S＝81)就得到该区域 的云层覆盖度(C≈62.96％)。

步骤S106：对云层下每一层的大气温度与湿度廓线分别根据温度融合参数 和湿度融合参数进行融合计算，生成云层下该微波像元区域内的大气温度与湿 度廓线；

其中，所述温度融合参数包括云层覆盖度、当前层微波像元对应的温度、 当前层相应微波像元区域内光学遥感数据的每个光学像元对应的晴空条件下的 温度；所述湿度融合参数包括云层覆盖度、当前层微波像元对应的湿度、当前 层相应微波像元区域内光学遥感数据的每个光学像元对应的晴空条件下的湿 度。

在进一步的优选实施例中，上述对云层下每一层的大气温度与湿度廓线分 别根据温度融合参数和湿度融合参数进行融合计算，可以采用如下公式：

上述两个公式中：

T_cloud和RH_cloud分别表示融合后的云下某层当前微波像元区域的大气温度和 湿度；

T_微波和RH_微波分别表示云下相应层的当前微波像元对应的大气温度和湿度；

C表示微波像元内云层的覆盖度；

N表示微波像元内没有被云层覆盖的光学像元数量；

i表示当前微波像元区域内光学像元的序号；

T_光学-i和RH_光学-i分别表示当前微波像元中晴空区域相应层的第i个光学像元 的大气温度和湿度。

f_i表示被动微波传感器对应的点扩散函数。

点扩散函数一种空间加权处理方案，在本优选实施例中，点扩散函数f_i是一 个独立的数学函数，与传感器的设计有关，一般可以采用类似正态分布的函数， 微波像元区域的中间部分响应比较高，周围越来越低，点扩散函数最高的响应 是一般设置为1或某个更小的值，周围值越来越小，边界为0。

步骤S107：判断所有微波像元是否处理完毕，若是，结束流程；否则，转 步骤S108；

步骤S108：选取下一个微波像元；转步骤S103。

对于前述的各方法实施例，为了描述简单，故将其都表述为一系列的动作 组合，但是本领域的技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限 制，因为根据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或同时执行；其次，本领域 技术人员也应该知悉，上述方法实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模 块并不一定是本申请所必须的。

参照图2，示出了本申请云层覆盖下大气温度与湿度廓线处理系统一实施例 的结构框图，包括插值模块21、判断模块22、赋值模块23和融合模块24，其 中：

插值模块21，用于将被动微波遥感数据的大气温度和湿度廓线按照光学遥 感数据在晴空条件下的大气温度和湿度廓线的垂直气压进行插值，使二者在垂 直方向上层层匹配；

在进一步的优选实施例中，光学遥感数据可以为MODIS数据，被动微波遥 感数据可以为AMSU数据，其中的MODIS数据分辨率可以为5km或1km， AMSU数据分辨率可以为45km。

判断模块22，用于以被动微波遥感数据的微波像元为单位，循环判断各微 波单元是否全部被云层覆盖；在当前微波像元全部被云层覆盖时，调度赋值模 块23生成云层下该微波像元区域内的大气温度与湿度廓线；在当前微波像元没 有全部被云层覆盖时，调度融合模块24生成云层下该微波像元区域内的大气温 度与湿度廓线；

赋值模块23，用于将当前微波像元区域内云层下的大气温度与湿度廓线用 插值后的被动微波遥感数据廓线代替；

融合模块24，利用光学遥感数据中的云掩膜数据计算当前微波像元区域的 云层覆盖度，对云层下每一层的大气温度与湿度廓线分别根据温度融合参数和 湿度融合参数进行融合计算，生成云层下该微波像元区域内的大气温度与湿度 廓线；

其中，上述的温度融合参数包括云层覆盖度、当前层微波像元对应的温度、 当前层相应微波像元区域内光学遥感数据的每个光学像元对应的晴空条件下的 温度；所述湿度融合参数包括云层覆盖度、当前层微波像元对应的湿度、当前 层相应微波像元区域内光学遥感数据的每个光学像元对应的晴空条件下的湿 度。

在进一步的优选实施例中，融合模块24具体可以采用如下公式对云层下每 一层的大气温度与湿度廓线分别根据温度融合参数和湿度融合参数进行融合计 算：

上述两个公式中，T_cloud和RH_cloud分别表示融合后的云下某层微波像元区域 的大气温度和湿度；

T_微波和RH_微波分别表示云下相应层的微波像元对应的大气温度和湿度；

f_i表示被动微波传感器对应的点扩散函数；

C表示微波像元内云层的覆盖度；

N表示微波像元内没有被云层覆盖的光学像元数量；

i表示第i个光学像元；

T_光学-i和RH_光学-i分别表示当前微波像元中晴空区域相应层的第i个光学像元 的大气温度和湿度。

在另一优选实施例中，融合模块24利用光学遥感数据中的云掩膜数据计算 该微波像元区域的云层覆盖度C的计算公式具体可以为：

$C=\frac{S-N}{S}$

上述公式中，S表示一个微波像元内包括的光学像元总数量；

N表示相应的微波像元内没有被云层覆盖的光学像元数量。

需要说明的是，上述系统实施例属于优选实施例，所涉及的单元和模块并 不一定是本申请所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的 都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。 对于本申请的系统实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比 较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上对本申请所提供的一种云层覆盖下大气温度与湿度廓线处理方法和系 统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行 了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同 时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用 范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。