一种基于层析思路的卫星红外多通道降水定量估计方法

技术领域

本发明涉及降水量预测技术领域，特别是涉及一种基于层析思路的卫星红外多通道降水定量估计方法。

背景技术

降水是促进全球水-碳-能量循环的关键动力，对研究全球生态与气候变化有着重要的意义。红外观测、被动微波观测以及主动雷达扫描是基于卫星平台的三种主要降水观测方法。其中，由于红外传感器能搭载在静止卫星上，微波传感器一般仅搭载在近地轨道卫星上，所以红外观测能够具备其他遥感观测所难以具备的高时空分辨率、高时空覆盖度优势，成为降水估计中重要的观测数据来源。基于静止卫星观测进行降水估计主要具有几点优势：(1)静止卫星观测相较其他近地轨道卫星观测能够提供高时空分辨率、物理一致的大尺度观测数据；(2)静止卫星观测能够捕捉降水在时间上的生命周期变化以及在空间上的形态变化；(3)基于静止卫星观测的降水估计算法效率较高，其降水估计结果延迟时间低。但是目前仍然存在无法自动适应不同气候和不同季节的降水预测以及预测精度低的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于层析思路的卫星红外多通道降水定量估计方法，自动适应不同气候和不同季节的降水预测，提高了降水量的预测精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于层析思路的卫星红外多通道降水定量估计方法，包括：

获取目标区域的地理辅助数据和静止卫星特定波段红外观测亮温；所述目标区域为待预测卫星全圆盘区域；

基于所述目标区域的地理辅助数据和静止卫星特定波段红外观测亮温以及降水预测模型，得到所述目标区域的降水预测值；所述降水预测模型是利用训练数据集对层析模型进行训练得到的，所述训练数据集包括：多个历史卫星全圆盘区域的地理辅助数据、静止卫星特定波段红外观测亮温和近轨卫星雷达观测降水值，所述层析模型包括多个层析核，一个所述层析核对应一个特定波段。

可选地，所述降水预测模型的训练过程包括：

确定训练数据集；

以各所述历史卫星全圆盘区域的地理辅助数据和静止卫星红外特定波段观测亮温为输入，以对应的近轨卫星雷达观测降水值为输出，对所述层析模型进行训练，得到所述降水预测模型。

可选地，确定训练数据集，具体包括：

获取各历史卫星全圆盘区域的地理辅助数据、静止卫星多波段红外观测亮温和近轨卫星雷达观测降水值；

从所述静止卫星多波段红外观测亮温选择特定波段对应的观测亮温，作为静止卫星红外特定波段观测亮温；

将所有所述历史卫星全圆盘区域的地理辅助数据、静止卫星特定波段红外观测亮温和近轨卫星雷达观测降水值确定为所述训练数据集。

可选地，以各所述历史卫星全圆盘区域的地理辅助数据和静止卫星红外特定波段观测亮温为输入，以对应的近轨卫星雷达观测降水值为输出，对所述层析模型进行训练，得到所述降水预测模型，具体包括：

以各所述历史卫星全圆盘区域的地理辅助数据和任一当前特定波段对应的静止卫星红外特定波段观测亮温为输入，以对应的近轨卫星雷达观测降水值为输出，对当前特定波段在所述层析模型中对应的层析核进行训练，得到训练好的层析核；

基于所有特定波段对应的训练好的层析核确定所述降水预测模型。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种基于层析思路的卫星红外多通道降水定量估计方法，获取目标区域的地理辅助数据和静止卫星特定波段红外观测亮温；基于目标区域的地理辅助数据和静止卫星特定波段红外观测亮温以及降水预测模型，得到目标区域的降水预测值；降水预测模型是利用训练数据集对层析模型进行训练得到的，训练数据集包括：多个历史卫星全圆盘区域的地理辅助数据、静止卫星特定波段红外观测亮温和近轨卫星雷达观测降水值，层析模型包括多个层析核，一个层析核对应一个特定波段。本发明能够在卫星全圆盘视角预测降水，自动适应不同气候和不同季节的降水预测，提高了降水量的预测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于层析思路的卫星红外多通道降水定量估计方法流程示意图；

图2为本发明提供的基于层析理论降水估计方法的总体流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于层析思路的卫星红外多通道降水定量估计方法，旨在提高降水量的预测精度。

为使本发明的上述目的、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发明作进一步详细的说明。

如图1-图2所示(图2中，浅色框表示步骤，深色框表示数据)，本实施例中的基于层析思路的卫星红外多通道降水定量估计方法，包括：

步骤101：获取目标区域的地理辅助数据和静止卫星特定波段红外观测亮温。

其中，目标区域为待预测卫星全圆盘区域。

具体的，步骤101具体实施为：

将待估计区域的地理辅助数据(包括高程和经纬度等)和静止卫星特定波段红外观测亮温统一投影至静止卫星全圆盘视角，投影前是条目数据，投影后是栅格数据，投影就是一对一落点，该视角下所有数据均为栅格数据形式，拥有统一的时间分辨率和空间分辨率。这样方便之后对数据进行匹配生成训练样本以及进行降水估计。

步骤102：基于目标区域的地理辅助数据和静止卫星特定波段红外观测亮温以及降水预测模型，得到目标区域的降水预测值。

其中，降水预测模型是利用训练数据集对层析模型进行训练得到的，训练数据集包括：多个历史卫星全圆盘区域的地理辅助数据、静止卫星特定波段红外观测亮温和近轨卫星雷达观测降水值，层析模型包括多个层析核，一个层析核对应一个特定波段。

作为一种可选的实施方式，降水预测模型的训练过程包括：

确定训练数据集。

以各历史卫星全圆盘区域的地理辅助数据和静止卫星红外特定波段观测亮温为输入，以对应的近轨卫星雷达观测降水值为输出，对层析模型进行训练，得到降水预测模型。

作为一种可选的实施方式，确定训练数据集，具体包括：

获取各历史卫星全圆盘区域的地理辅助数据、静止卫星多波段红外观测亮温和近轨卫星雷达观测降水值。

具体的，将各历史卫星全圆盘区域的地理辅助数据(包括高程和经纬度等)和静止卫星多波段红外观测亮温以及近轨卫星主动降水雷达观测降水值统一投影至静止卫星全圆盘视角。

实际上，将静止卫星多波段红外观测数据与近轨卫星的主动雷达所观测的降水值(即近轨卫星主动降水雷达观测降水值)一一对应，即对于两种数据选择在特定时间和空间范围内，认定此刻此地的两种数据为一对匹配样本。在一段时间内寻找若干个这样的样本(通常为数十万个)，与地理辅助数据组成训练数据集。

从静止卫星多波段红外观测亮温选择特定波段对应的观测亮温，作为静止卫星红外特定波段观测亮温。

具体的，特定波段的选择条件包括：(1)波段特征与降水有较强的相关性；(2)所有特定的波段特征中的任意两个波段特征之间彼此相关度低，以减少信息冗余度；(3)所选的波段特征之间应该是线性无关的。波段特征选定后，在训练模型时不会轻易改变。以FY-4A卫星中AGRI传感器为例，最终根据该静止卫星所选取的特定波段为波段12、波段10减波段14、波段7减波段14以及波段7减波段8。

将所有历史卫星全圆盘区域的地理辅助数据、静止卫星特定波段红外观测亮温和近轨卫星雷达观测降水值确定为训练数据集。

作为一种可选的实施方式，以各历史卫星全圆盘区域的地理辅助数据和静止卫星红外特定波段观测亮温为输入，以对应的近轨卫星雷达观测降水值为输出，对层析模型进行训练，得到降水预测模型，具体包括：

以各历史卫星全圆盘区域的地理辅助数据和任一当前特定波段对应的静止卫星红外特定波段观测亮温为输入，以对应的近轨卫星雷达观测降水值为输出，对当前特定波段在层析模型中对应的层析核进行训练，得到训练好的层析核。

基于所有特定波段对应的训练好的层析核确定降水预测模型。

具体的，层析核本质上是一种映射函数，其自变量为地理辅助数据和特定波段对应的静止卫星红外特定波段观测亮温，因变量即为平均降雨率，映射关系是遵循在不同的降水状况下，特定波段对应的静止卫星红外特定波段观测亮温对于降水值变化的反应的数学函数。多个所选定的特定波段对应的层析核即可搭建组装成层析模型。

以FY-4A卫星AGRI传感器为例，各层析核函数如下：

P

P

其中，P

在利用降水预测模型进行降水预测时，首先，将目标区域的地理辅助数据和每个当前特定波段的静止卫星特定波段红外观测亮温输入至当前特定波段对应的训练好的层析核中，得到当前特定波段对应的降水数据；然后利用融合公式对每个特定波段对应的降水数据进行融合，得到目标区域的降水预测值。融合公式为：

其中，P

为了验证上述方法的合理性，根据站点记录的降水值以及国际知名降水数据IMERG对本发明初步估计的目标区域的降水预测值进行合理性检查，若检查通过，则将其作为最终估计的静止卫星全圆盘降水数据。

本说明书中各个实施例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部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明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发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，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发明的限制。