一种星载微波辐射计数据质量动态评分方法及系统转让专利
申请号 : CN202010817459.6
文献号 : CN111982299B
文献日 : 2021-08-17
发明人 : 郭杨 , 卢乃锰 , 谷松岩 , 陆其峰 , 窦芳丽 , 吴春强
申请人 : 国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心)
摘要 :
权利要求 :
1.一种星载微波辐射计数据质量动态评分方法,所述方法包括:实时采集星载微波辐射计每条扫描线每个通道每个观测象元上的所有遥测参数并标识质量码;
根据各遥测参数的质量码和预先确定的各遥测参数对目标参数影响的权重值,计算星载微波辐射计数据的质量评分。
2.根据权利要求1所述的星载微波辐射计数据质量动态评分方法,其特征在于,所述方法还包括:
在设定的生命周期内,对星载微波辐射计每条扫描线每个通道每个观测象元上的所有遥测参数进行质量控制,生成包含遥测参数和对应质量码的有效数据集;
在设定观测范围内,计算星载微波辐射计的观测数据和模拟结果的偏差标准差,生成定标精度目标数据集;
把定标精度目标数据集作为目标参数,遥测参数有效数据集为特征数据向量数据集,利用随机森林算法计算遥测参数有效数据集中每个参数对目标参数的贡献度,得到各遥测参数对目标参数影响的权重值。
3.根据权利要求2所述的星载微波辐射计数据质量动态评分方法,其特征在于,所述在设定的生命周期内,对星载微波辐射计每条扫描线每个通道每个观测象元上的所有遥测参数进行质量控制,生成包含遥测参数和对应质量码的有效数据集;具体包括:在设定的生命周期内对星载微波辐射计每条扫描线每个通道每个观测象元上的每个遥测参数,如果该遥测参数属于关键参数,则采用2σ法则剔除突跳的数据,即对30条扫描线上的关键参数求标准差σ,如果某条扫描线上该参数大于2倍σ时则认为其出现异常,将该参数的质量码标识为0,否则该参数的质量码标识为1;否则,当该遥测参数值大于其对应的阈值则将该参数的质量码标识为0,否则该参数的质量码标识为1;
在设定的生命周期内,剔除质量码标识为0的数据,保留质量码标识为1的遥测参数,由此生成遥测参数有效数据集。
4.根据权利要求3所述的星载微波辐射计数据质量动态评分方法,其特征在于,所述关键参数包括:冷空观测计数值、内部热源黑体观测计数值、内部热源黑体温度和星载微波辐射计仪器温度。
5.根据权利要求3所述的星载微波辐射计数据质量动态评分方法,其特征在于,每个遥测参数的阈值的确定过程为:
对星载微波辐射计所有遥测参数进行长时间序列时变性监测,提取各个遥测参数在长生命期内不同时间段的有效值范围,以此作为数据质量控制的动态阈值。
6.根据权利要求2所述的星载微波辐射计数据质量动态评分方法,其特征在于,所述把定标精度目标数据集作为目标参数,遥测参数有效数据集为特征数据向量数据集,利用随机森林算法计算遥测参数有效数据集中每个参数对目标参数的贡献度,即得到各遥测参数对目标参数影响的权重值;具体包括:构建一个随机森林RF,包括n棵决策树,每棵决策树对应一个目标参数和特征数据类型;
遥测参数有效数据集中有m个遥测参数:X1,X2,X3,...,Xm,计算遥测参数Xj在第i棵决策树的重要性
计算每个遥测参数Xj的Gini指数评分将所有遥测参数的Gini指数评分进行归一化,得到遥测参数有效数据集中每个遥测参数的重要性评分VIMj:
VIM1+VIM2+VIM3+…+VIMm=1。
7.根据权利要求6所述的星载微波辐射计数据质量动态评分方法,其特征在于,所述根据各遥测参数的质量码和预先确定的各遥测参数对目标参数影响的权重值,计算星载微波辐射计数据的质量评分,具体为:计算每条扫描线每个通道每个观测象元上的定标亮温质量的评分S:其中,Tj为第j个遥测参数的质量码。
8.一种星载微波辐射计数据质量动态评分系统,其特征在于,所述系统包括:权重计算模块,用于在设定的生命周期内,对星载微波辐射计每条扫描线每个通道每个观测象元上的所有遥测参数进行质量控制,生成包含遥测参数和对应质量码的有效数据集;在设定观测范围内,计算星载微波辐射计的观测数据和模拟结果的偏差标准差,生成定标精度目标数据集;把定标精度目标数据集作为目标参数,遥测参数有效数据集为特征数据向量数据集,利用随机森林算法计算遥测参数有效数据集中每个参数对目标参数的贡献度,得到各遥测参数对目标参数影响的权重值;
遥测参数采集模块,用于实时采集星载微波辐射计每条扫描线每个通道每个观测象元上的所有遥测参数并标识质量码;
质量评分模块,用于根据各遥测参数的质量码和各遥测参数对目标参数影响的权重值,计算星载微波辐射计数据的质量评分。
说明书 :
一种星载微波辐射计数据质量动态评分方法及系统
技术领域
背景技术
是卫星资料同化对数值预报初始场的改进,其中星载微波探测资料的同化对数值预报精度
提高的贡献显著。而星载微波观测资料的精度和稳定性是决定其能否被同化,同化效果好
坏的关键之一。由此可见,星载微波辐射计资料的数据质量是制约其定量应用的重要因素。
卫星平台环境变化以及星上到地面进行数据传输的过程都会直接影响观测资料精度和稳
定性,从而影响资料的定量应用效果。
而这些方法只能对极端异常值进行质量控制,微小的数据质量偏差会被认为是仪器噪声而
无法去除。更为主要的是,目前的质量控制方法都是利用统计学原理针对微波辐射计定标
亮温进行质量控制,没有认识影响数据质量的物理机理。另一方面,目前方法所用质量控制
的阈值都是统计一段时间内的正常值范围,没有根据仪器不同工作状态和生命周期的衰变
进行动态调整。
发明内容
质量码;利用机器学习的方法给出各遥测参数对数据定标质量的影响权重;以百分制对星
载微波辐射计数据质量进行评分。本发明从微波辐射计源头数据出发,考虑遥测参数的时
变特征,从物理机理上实现对仪器定标亮温的质量控制和动态评分,为数据定量应用提供
精准的质量信息。
遥测参数对目标参数影响的权重值。
量标识码的有效数据集;具体包括:
描线上的关键参数求标准差σ,如果某条扫描线上该参数大于2倍σ时则认为其出现异常,将
该参数的质量标识码为0,否则该参数的质量标识码为1;否则,当该遥测参数值大于其对应
的阈值则将该参数的质量标识码为0,否则该参数的质量标识码为1;
数对目标参数的贡献度,即得到各遥测参数对目标参数影响的权重值;具体包括:
有效数据集;在设定观测范围内,计算星载微波辐射计的观测数据和模拟结果的偏差标准
差,生成定标精度目标数据集;把定标精度目标数据集作为目标参数,遥测参数有效数据集
为特征数据向量数据集,利用随机森林算法计算遥测参数有效数据集中每个参数对目标参
数的贡献度,得到各遥测参数对目标参数影响的权重值;
方法把辐射观测结果和仪器工作状态结合,用随机森林方法获得遥测参数对仪器定标质量
的贡献权重,实现了数据动态质量控制和评分,为数据定量应用提供了精细先验信息;这与
以往只利用数学方法对星载微波资料进行质量控制和偏差订正不同,本发明从定标原理和
扫描观测机理出发,兼顾仪器生命期内参数时变特征,从物理上解决数据源头的定标质量
问题。
附图说明
具体实施方式
电压计数值,Rc和Rw分别表示冷源和热源的辐射量,Cs和Rs分别是观测目标的电压计数值和
辐射量。在每个扫描周期内,利用仪器观测两个定标基准源的输出电压计数值和辐射量可
以建立计数值—辐射量(C‑R)转化关系,实现仪器两点实时定标。图中红线表示仪器非线
性。由此,星载微波辐射计定标公式为:
微波辐射计非线性订正系数只由温度决定。
在每个扫描周期中,对内部热源黑体进行n次采样,然后加速运行到冷空观测的起始位置,
开始对宇宙背景进行m次采样,接着再加速运行到对地观测起始位置,匀速获取k个地球目
标观测,最后扫描镜加速运行到热源观测起始位置进行下一个扫描周期的观测。
算所需参数,仪器部件温度参数,仪器扫描观测特性参数,平台供电参数等。利用仪器遥测
参数监测系统对所有遥测参数进行长时间序列时变性监测,可以提取各个参数在长生命期
内不同时间段的有效值范围,以此作为数据质量控制的动态阈值。
参数包括:冷空观测计数值、内部热源黑体观测计数值、内部热源黑体温度和星载微波辐射
计仪器温度。
反应了仪器扫描机构的稳定性,这些参数都直接反应了仪器获取的扫描计数值是否正确。
状况的遥测参数对仪器工作状态有直接影响,因此这两类参数也需要进行质量控制。
仪器扫描采样准确性的关键参数进行进一步的质量控制。具体方法是:采用2σ法则剔除突
跳的数据,即对30条扫描线上的关键参数求标准差σ,如果某条扫描线上该参数大于2倍σ时
则认为其出现异常,对该参数进行标识。对于其他遥测参数,只进行阈值判识实现质控。对
于仪器每条扫描线每个通道每个观测象元上的所有遥测参数进行质量控制,得到质量码标
识,即通过质量检验则对应参数的质量标识码为0,异常为1,生成对应扫描线上各通道各观
测象元上的综合质量码。在设定的生命周期内,剔除质量码标识为0的数据,保留质量码标
识为1的遥测参数,由此生成遥测参数有效数据集。
45°洋面晴空;生成定标精度目标数据集。
各遥测参数对目标参数影响的权重值;具体包括:
有效数据集;在设定观测范围内,计算星载微波辐射计的观测数据和模拟结果的偏差标准
差,生成定标精度目标数据集;把定标精度目标数据集作为目标参数,遥测参数有效数据集
为特征数据向量数据集,利用随机森林算法计算遥测参数有效数据集中每个参数对目标参
数的贡献度,得到各遥测参数对目标参数影响的权重值;
案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明
的权利要求范围当中。