[发明专利]应用于碳卫星的太阳诱导叶绿素荧光反演算法

说明书

本发明公开了提供了应用于碳卫星的太阳诱导叶绿素荧光反演算法,可分别基于Fe和KI太阳夫琅禾费线获取相应波长处的SIF值，该方法可以基于简单的物理模型，从光谱中反演出准确的SIF信号，避免了全物理算法中大量的辐射传输计算，降低了对硬件的要求，具有较高的计算效率；同时通过差分吸收光谱技术简单模拟了大气辐射传输过程，对于本就微弱的SIF信号而言，由于在算法中同步考虑了大气分子吸收线翼区的影响，有效地改善了SIF的反演精度，本方法避免了前期大量训练集的筛选工作，从而使得反演结果更具有稳定性而不受经验参数设置和训练集的影响，能够仅仅通过改变输入的观测光谱和收敛控制参数即可进行反演计算。

技术领域

本发明涉及气象图谱处理技术领域，特别涉及应用于碳卫星的太阳诱导叶绿素荧光反演算法。

背景技术

随着气候变化的日益严峻和国际气候谈判的不断深入，准确可靠的碳源/汇评估结果将直接关系到国家的能源使用权和减排方案的实施效率。地表植被在太阳光照条件下进行光合作用，在此过程中会释放出波长较长的电磁辐射信号，即太阳诱导叶绿素荧光(后文简称为 SIF)。SIF的发射强度由叶片生理条件主导，与光合作用效率直接相关，是植物光合作用的理想“探针”，能够及时准确地反映植物光合作用的真实工作状态，对精确监测植被生长状态和总初级生产力估算具有重要的现实意义，也是目前唯一能够以观测方式直接获取、有效建立大气圈和生态圈碳循环过程联系的植被参数。

近年来，随着卫星遥感技术在大气成分和植被观测中的快速发展和广泛应用，从卫星光谱中分离出的SIF信号，为生态和碳循环研究提供了长期高效的全球观测和数据支撑。然而，由于SIF信号极其微弱，约占入瞳太阳辐射量的1％～5％，如何从卫星观测的地面反射太阳辐射光谱中准确分离出这一信号成了最关键问题。

经过近10年的卫星遥感SIF研究，国内外主要发展出了3类应用于SIF信号反演的技术手段：基于大气辐射传输过程的全物理算法、简化的物理模型算法以及数据驱动算法。基于大气辐射传输过程的全物理算法将利用大气辐射传输模型模拟地表SIF发射在大气中的完整传输过程，在此过程中会考虑大气的吸收、散射等效应；该方法的反演计算结果依赖于大气辐射传输模式的准确程度，虽具有较高的准确性和精度，但会耗费大量的计算资源。简化的物理模型算法基于太阳夫琅禾费线不受地球大气分子吸收影响的原理，根据比尔琅勃定律和差分吸收光谱技术建立一个简单的辐射传输模型，从光谱中提取出SIF对太阳夫琅禾费线的填充效应，该方法具有结果精度高、移植性强、计算速度快的特点，但由于该方法忽略了地球大气强烈吸收的影响，因此在拟合光谱波段上需要选择无强烈大气吸收的大气窗口，同时需要太阳光谱及其透过率光谱作为辅助数据。数据驱动算法主要基于特征向量分解技术，该方法将卫星观测光谱信号分为非荧光信号和SIF发射信号两个部分，通过在全球范围内建立非荧光目标的卫星观测光谱训练集，通过特征向量分解技术对训练集光谱进行特征提取，并用提取到的少量特征的线性组合来表达观测到的非荧光信号，从而可以从原始观测光谱中提取出荧光信号，该方法不考虑辐射传输的物理过程，具有极高的计算效率，但是该算法前期需要选择大量的训练样本，且计算结果会强烈依赖于算法中经验参数的设置和训练集的选取，对不同卫星的适用性较差。

以上算法在国内外卫星的SIF反演中分别表现出了各自较为明显的优缺点，而针对中国碳卫星的SIF反演方法仍存在较多不足之处以待改进，如基本原理、波段选择方案、大气传输简化方案等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于中国碳卫星的太阳诱导叶绿素荧光反演方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

应用于碳卫星的太阳诱导叶绿素荧光反演算法，基于碳卫星实现，包括以下步骤：

步骤1、获取中国碳卫星星下点模式下观测的O₂-A波段辐射光谱并进行光谱质量控制；

步骤2、获取太阳透过率光谱及太阳入射辐照度光谱；