[发明专利]一种大气-海洋耦合系统光学浅水遥感信号敏感性分析方法

摘要

本发明涉及一种大气‑海洋耦合系统光学浅水遥感信号敏感性分析方法，其步骤如下：建立大气‑海洋耦合辐射系统参数的特征空间，根据先验知识设定各参数的变化区间与概率分布函数；基于拉丁超立方方法对参数空间进行抽样，基于水体辐射传输模型建立该参数空间的模拟光谱数据集；利用Morris方法对选定的参数进行初步筛选，以降低参数特征空间的维度，继而通过Sobol方差分析方法，确定并量化上述参数的主要影响程度，分析各参数间的相互作用关系，界定敏感参数的反演条件。本发明能够实现对水色遥感系统敏感性参数的判断以及敏感条件的确定，可为水色遥感反演模型的构建以及水色遥感器波段的设置提供技术参考，对其他陆地遥感系统的分析也具有推广应用价值。

主权项

1.一种大气‑海洋耦合系统光学浅水遥感信号敏感性分析方法，其特征在于包含以下步骤：步骤一：建立大气‑海洋耦合辐射系统输入参数的特征空间，根据先验知识设定各参数的变化区间与概率分布规律，具体技术流程如下：确定决定大气‑海洋耦合系统遥感信号的各类参数：光照参数、观测几何、大气参数、水体组分浓度、水体固有光学参数、边界条件；具体为以下17个模型参数：水深、太阳高度角、风速、云层指数、水分子的单位吸收系数、水分子的单位散射系数、叶绿素的浓度、叶绿素的单位吸收系数、叶绿素的单位散射系数、叶绿素的后向散射比、有色可溶性有机物的浓度、有色可溶性有机物的单位吸收系数、矿物质的浓度、矿物质的单位吸收系数、矿物质的单位散射系数、矿物质的后向散射比、海底反射率；根据研究区域具体的水体光学特性，确定各参数的取值区间；如果对上述参数的分布具有先验知识，可以确定各参数的具体概率分布函数，如果缺乏先验知识则采用平均分布函数，即假设在整个输入参数范围内，参数的取值是等概率的；步骤二：基于水体辐射传输模型建立该参数空间的模拟光谱数据集，具体技术流程如下：将上述17个独立参数进行标准化处理，使其变化范围都在0‑1之间，形成一个由17维单位超立方体组成的特征空间；采用拉丁超立方体方法对上述参数空间进行抽样；基于水体辐射传输模型，如Hydrolight或其他类似精确的水体辐射传输模型或大气‑海洋耦合系统辐射传输模型，进行辐射传输计算，得到在特定的输入条件下水面水体遥感信号，这里用遥感反射率光谱代表水面遥感信号；模拟的光谱范围设定为350‑800nm，沿选定的波长逐一进行模拟，这样可以有效地避免引入各参数在波长间的作用混叠，从而有效地保证了各参数的独立性；步骤三：利用Morris方法对选定的参数进行初步筛选，确定并量化上述参数的影响程度，具体技术流程如下：计算每个输入参数x_i对输出结果y的影响，即求遥感反射率的偏导数：则代表x_i对于y的影响指数，其中Δy表示y的变化量，Δx_i表示第i个变量x的变化量；偏导数可能出现的四种情况分别是：·如果趋近于0，那么认为x_i的影响基本可以忽略；·如果在x_i的整个变化范围内大致是一个常数，那么x_i对于输出的影响是线性并且可加的；·如果是以x_i为自变量的非常数函数，那么x_i对于输出的影响是非线性的；·如果是以一个或多个x_j(j≠i)参数为自变量的非常数函数，那么x_i与其他参数具有相互作用；根据Morris方法原理，重要的参数一般都具有较高的均值μ或方差σ，或者同时具有较高的均值μ和方差σ；由此便可以用输入参数对输出结果影响的均值μ和方差σ来表示模型的敏感性分析结果；进一步，为了便于表达在全波段内任一波长的敏感性，采用DuintjerTebbens提出的重要性测量方法来表示模型输入参数的重要性指数，该方法综合了Morris方法中均值与方差的共同作用，具体形式如下：其中，e_i为第i个重要性指数，μ_i为第i个输出结果的均值，σ_i为第i个输出结果的方差；在整个波段范围内，各参数的相对重要性是随波段不断变化的；为了描述各参数在不同波段的重要性，将在每一组模拟结果中计算全部17种参数的相对重要性总和，进而计算出每一种参数的重要性相对于这个总和的百分比，如下：最终，将超过5％的参数定义为影响较为显著的参数，根据上式计算各输入参数的相对重要性指数，并根据数值大小进行重要性排序，选取排名靠前的参数，从而降低了模型的维度，据此确定模型输出不确定度的主要来源；步骤四：在Morris敏感性局部敏感性分析的基础上，采用Sobol方差分析方法进行全局敏感性分析，分析各参数间的相互作用关系，界定敏感参数的反演条件，具体技术流程如下：根据Sobol方差分析思想，模型结果的方差可反映模型结果对输入参数的敏感性，模型结果的方差由各个输入参数及参数间的相互作用所导致；通过分解模型方差反求出各参数及参数间耦合作用对该方差的贡献量，亦即获得各参数的敏感性指数；将大气‑海洋耦合系统的输出表示为一个函数其中是一个包含n个输入参数的集合，将其在一个单位n维立方体中进行标准化处理：如果在Ωⁿ内是可积分的，那么它可以被唯一地展开为：其中，f₀为函数常系数，i，j，n表示参数代号；可以看出，函数f_i(x_i)给出了自变量x_i独立作用于输出的作用效果，f_ij(x_i,x_j)描述了自变量x_i和x_j对于输出的共同作用，而更高阶的函数f_1,2,...,n(x₁,x₂,...,x_n)则表示更多的输入参数对于输出的联合作用结果；基于“步骤二”模拟计算的水体遥感反射率光谱数据集，计算各参数对应的输出结果的方差；将各参数对应的输出结果的方差除以系统的总方差，分解得到第1阶、2阶，直到n阶的Sobol敏感性指数S：其中，i，j分别表示大气‑海洋耦合系统第i个与j个参数，Var{}表示方差运算，E{}表示取均值运算；一阶Sobol指数S_i反映的是模型的输出对于第i个独立输入参数的敏感性，它表示为总体方差V的一部分；二阶Sobol指数S_ij则反映了第i个和第j个输入参数的共同敏感性，也就是它们之间的相互作用，而不能由各自的单独影响所解释；根据以上Morris敏感性分析结果，可以判断出哪些参数对于遥感反射率的影响效果占主要地位，据此判断该参数具有反演的可能性；对于存在两两相互作用的参数，分析其随波长的变化规律，寻找相互作用最小的波段，或者通过波段比来补偿相互作用，从而为构建有效的水环境参数反演算法提供理论依据。