本发明涉及近红外波段和中红外波段云相态识别技术领域，尤其涉及一种云相态识别方法。
背景技术
云相态反演的一个基本原理就是，利用冰云和水云粒子的复折射指数虚部在同一波段大小有明显差异来区分相态。目前被动观测卫星的云相态识别主要有：短波红外和可见光反射率比值法、热红外亮温差法、多角度偏振法。短波红外和可见光反射率比值法对太阳天顶角和卫星观测角比较敏感，当水云粒子尺寸太大或者冰云粒子尺寸太小时，云相态的识别会变得不确定；热红外亮温差法对于地表的发射率、大气吸收特别是水汽吸收比较敏感，在薄云和离散碎云的情况下，地表辐射对卫星观测值贡献较大，容易造成相态识别的误差；多角度偏振法数据不易获取，可多角度偏振成像的卫星较少。
技术实现要素：
本发明提供一种云相态识别方法，解决现有方法云相态识别精度差、受太阳光照制约影响大的问题。
一种云相态识别方法，包括以下步骤：获取参考区域包含第一、第二、第三、第四波段的卫星数据和云检测数据，根据所述卫星数据中包含的亮度温度值和云检测数据中包含云位置的先验信息，确定云相态判据分别为：第一、第二、第三、第四、第五云相态判据，所述第一、第二、第三、第四波段分别为1.6微米、2.25微米、8.5微米、11微米；获取待测区域包含所述第一、第二、第三、第四波段的卫星数据和云检测数据，通过预处理剔除无效值，得到包含第一、第二、第三、第四波段的待检云数据；对所述待检云数据的所述第三、第四波段数据，根据所述第一、第二、第三、第四云相态判据进行判断，得到云相态初步识别结果：第一水云、第一不确定云、混合态云、第一冰云；对所述第一不确定云的所述第一、第二波段数据，根据所述第五云相态判据进行判断，得到云相态进一步识别结果：第二水云、第二冰云、第二不确定云；根据所述云相态初步识别结果、云相态进一步识别结果，确定云相态最终识别结果：水云、冰云、混合态云、不确定云。
优选地，所述获取参考区域包含第一、第二、第三、第四波段的卫星数据和云检测数据，根据所述卫星数据中包含的亮度温度值和所述云检测数据中包含的云相态先验信息，确定云相态判据分别为：第一、第二、第三、第四、第五云相态判据的步骤，进一步包含：将待测区域的卫星数据和云检测数据进行时间和地理位置的匹配，选取重合的数据样本点为所述参考区域；将所述参考区域中的云检测数据结果，对应所述第一、第二、第三、第四波段构建特征曲线，分别为第一、第二、第三、第四波段特征曲线；根据所述第三、第四波段特征曲线的交点和极值点，确定所述第一、第二、第三、第四云相态判据；根据所述第一、第二波段特征曲线的交点，确定所述第五云相态判据。
优选地，所述获取待测区域包含第一、第二、第三、第四波段的卫星数据和云检测数据，进行预处理剔除无效值，得到所述第一、第二、第三、第四波段待检云数据的步骤，进一步包含：获取待测区域包含所述第一、第二、第三、第四波段的卫星数据，进行辐射定标和几何校正，得到无效值；将将所述得到的无效值设置为负值，得到所述第一、第二、第三、第四波段待检云数据无效值设置为负值，得到所述第一、第二、第三、第四波段待检云数据。
进一步地，所述第一、第二、第三、第四、第五云相态判据分别为：所述第一云相态判据：当所述第四波段亮度温度数值大于285k且所述第三波段与第四波段亮度温度数值差小于0.5k，或者所述第四波段亮度温度数值大于238k且所述第三波段与第四波段亮度温度数值差小于-1.5k时，判定云相态为水云；所述第二云相态判据：当所述第四波段亮度温度数值大于238k、小于268k且所述第三波段与第四波段亮度温度数值差小于0.25k、大于-1k时，判定云相态为不确定云；所述第三云相态判据：当所述第四波段亮度温度数值大于238k、小于268k且所述第三波段与第四波段亮度温度数值差小于0.5k、大于-0.25k时，判定云相态为混合态云；所述第四云相态判据：当所述第四波段亮度温度数值小于等于238k或所述第三波段与第四波段亮度温度数值差大于等于1.5k时，判定云相态为冰云；所述第五云相态判据：当所述第二波段与所述第一波段亮度温度数值比大于1时，判定云相态为冰云；当所述第二波段与所述第一波段亮度温度数值比小于1时，判定云相态为水云；当所述第二波段与所述第一波段亮度温度数值比等于1时，判定云相态为不确定云。
进一步地，所述第一波段为1.6微米，所述第二波段为2.25微米，所述第三波段为8.5微米，所述第四波段为11微米。
优选地，所述卫星数据来自葵花8静止卫星所搭载的ahi传感器。
优选地，所述卫星数据和所述云检测数据的格式均为netcdf格式。
本发明有益效果包括：本发明提供的云相态识别方法采用普通光学卫星数据，数据获取容易；同时，所述方法减弱了水汽吸收波段的影响，综合利用了各波段的特征信息提高了云相态反演的准确性；另外，所述方法采用红外波段，可以不受太阳光影响。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为一种云相态识别方法流程实施例；
图2为一种包含云相态判据确定的云相态识别方法流程实施例。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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。
云是最常见的天气现象，根据国际卫星云气候学计划(isccp)卫星观测和地面观测资料的统计，全球云层覆盖着约50％至60％的天空。云在地气系统的辐射能量收支和水循环等过程中起着重要作用，相对于温室气体、气溶胶等因子，云对天气和气候的影响大得多，云在出现频率、类型及分布上的较小改变，都可能影响地气系统的能量平衡，从而影响天气和气候的变化。
云对地气系统的影响主要取决于云的辐射特性和热力动力学作用，所以对云的研究依赖于对云的物理特征的研究。云参数即是描述云的物理特征的参数，其中，宏观物理特征参数有云量、云高、云类型、云温度、云厚度和云水路径等；微观物理特征参数有云相态、云光学厚度、云滴有效半径和云滴谱分布等。其中云的微物理特性影响着云的辐射效应，决定了云对大气、地表的辐射亮度和辐射通量的影响，可以代表云层的主要性质。而云相态是反演其他云微物理参数的前提，云微物理参数的各种反演模型都是根据不同的相态类型建立的，准确识别云的相态对于提高水云和冰云光学厚度、有效粒子半径等云光学和微物理参数的反演精度尤为重要。
对于被动遥感卫星，卫星观测到的辐射主要来自地表、云顶和云顶至卫星之间的大气，其中云的性质决定了云顶的辐射。云对不同波段的电磁波表现出不同的散射和辐射性质，主要取决于云粒子的单次散射反照率、消光系数和不对称因子，其中粒子的复折射指数、大小和形状决定了单次散射反照率。复折射指数的实部代表粒子散射特征，虚部代表粒子的吸收特征。因此云相态反演的一个基本原理就是，利用冰云和水云粒子的复折射指数虚部在同一波段大小有明显差异来区分相态。
以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
图1为一种云相态识别方法流程实施例，本发明实施例提供一种云相态识别方法，包括以下步骤：
步骤101，获取参考区域包含第一、第二、第三、第四波段的卫星数据和云检测数据，根据所述卫星数据中包含的亮度温度值和云检测数据中包含云位置的先验信息，确定云相态判据分别为：第一、第二、第三、第四、第五云相态判据，所述第一、第二、第三、第四波段分别为1.6微米、2.25微米、8.5微米、11微米。
在步骤101中，所述第一、第二、第三、第四波段为近红外波段或中红外波段，所述第一波段为1.6微米，所述第二波段为2.25微米，所述第三波段为8.5微米，所述第四波段为11微米。需要说明的是，所述卫星数据只要包含所述第一、第二、第三、第四波段附近的通道，并获取云检测结果即可使用所述方法。例如，葵花8静止卫星所搭载的ahi传感器，拥有16个波段，l1数据分辨率为5km，l2数据包含云检测结果，所述卫星数据和所述云检测数据的格式均为netcdf格式。所述葵花8静止卫星的ahi传感器可利用通道5，波段范围：1.6～1.62；通道6，波段范围：2.25～2.27；通道11，波段范围：8.44～8.76；通道14，波段范围11.1～11.3四个通道进行云相态识别。
在步骤101中，所述第一、第二、第三、第四、第五云相态判据分别为：所述第一云相态判据：当所述第四波段亮度温度数值大于285k且所述第三波段与第四波段亮度温度数值差小于0.5k，或者所述第四波段亮度温度数值大于238k且所述第三波段与第四波段亮度温度数值差小于-1.5k时，判定云相态为水云；所述第二云相态判据：当所述第四波段亮度温度数值大于238k、小于268k且所述第三波段与第四波段亮度温度数值差小于0.25k、大于-1k时，判定云相态为不确定云；所述第三云相态判据：当所述第四波段亮度温度数值大于238k、小于268k且所述第三波段与第四波段亮度温度数值差小于0.5k、大于-0.25k时，判定云相态为混合态云；所述第四云相态判据：当所述第四波段亮度温度数值小于等于238k或所述第三波段与第四波段亮度温度数值差大于等于1.5k时，判定云相态为冰云；所述第五云相态判据：当所述第二波段与所述第一波段亮度温度数值比大于1时，判定云相态为冰云；当所述第二波段与所述第一波段亮度温度数值比小于1时，判定云相态为水云；当所述第二波段与所述第一波段亮度温度数值比等于1时，判定云相态为不确定云。
需要说明的是，所述第一、第二、第三、第四、第五云相态判据是根据所述参考区域云检测结果的先验信息计算得到的。
步骤102，获取待测区域包含所述第一、第二、第三、第四波段的卫星数据和云检测数据，通过预处理剔除无效值，得到包含所述第一、第二、第三、第四波段待检云数据。
在步骤102中，预处理的目的是获取高质量的云检测数据。
步骤103，对所述待检云数据的所述第三、第四波段数据，根据所述第一、第二、第三、第四云相态判据进行判断，得到云相态初步识别结果：第一水云、第一不确定云、混合态云、第一冰云。
在步骤103中，当所述待检云数据的第三波段数据、所述第四波段数据满足所述第一云相态判据时，判定所述待检云数据对应的云相态识别结果为水云，所得水云赋值1，将所述水云识别结果对应的云相态定义为第一水云。
在步骤103中，当所述待检云数据的所述第三波段数据、所述第四波段数据满足所述第二云相态判据时，判定所述待检云数据对应的云相态识别结果为不确定云，所得不确定云赋值4，将所述不确定云识别结果对应的云相态定义为第一不确定云。
进一步地，当所述待检云数据的第三波段数据、所述第四波段数据满足所述第三云相态判据时，判定所述待检云数据对应的云相态识别结果为混合态云，所得混合态云赋值3。
当所述待检云数据的第三波段数据、所述第四波段数据满足所述第四云相态判据时，判定所述待检云数据对应的云相态识别结果为冰云，所得冰云赋值2，将所述冰云识别结果对应的云相态定义为第一冰云。
需要说明的是，步骤103得到的是云相态初步识别结果，应作为中间数据保存。
步骤104，对所述第一不确定云的所述第一、第二波段数据，根据所述第五云相态判据进行判断，得到云相态进一步识别结果：第二水云、第二冰云、第二不确定云。
在步骤104中，对所述第一不确定云进行进一步云相态识别，根据所述第五云相态判据，可以将所述第一不确定云的云相态进一步区分为：水云、冰云、不确定云，并将水云赋值1、冰云赋值2、不确定云赋值4，将所述区分结果分别定义为所述第二水云、第二冰云、第二不确定云。
步骤105，根据所述云相态初步识别结果、云相态进一步识别结果，确定云相态最终识别结果：水云、冰云、混合态云、不确定云。
在步骤106中，对相同的云相态进行合并，对不同的云相态进行分类，得到所述云相态最终识别结果，即确定所述第一水云、第二水云的对应云相态识别结果为水云，确定所述第一冰云、第二冰云的对应云相态识别结果为水云，确定所述混合态云对应云相态识别结果为混合态云，确定所述第二不确定云的云相态识别结果为不确定云。
本发明实施例提供的云相态识别方法采用普通光学卫星数据，数据获取容易，且综合利用了各波段的特征信息，减弱了水汽吸收波段的影响，提高了云相态反演的准确性。
图2为一种包含云相态判据确定的云相态识别方法流程实施例，本发明实施例提供的云相态识别方法包含云相态判据确定步骤，包含以下步骤：
步骤201，将待测区域的卫星数据和云检测数据进行时间和地理位置的匹配，选取重合的数据样本点为所述参考区域。
在步骤201中，根据所获得的卫星数据同激光雷达卫星数据的云检测数据进行时间和地理位置的匹配，选取重合的样本点为所述参考区域。
需要说明的是，所述待测区域包含所述参考区域。
步骤202，将所述参考区域中的云检测数据结果，对应所述第一、第二、第三、第四波段构建特征曲线，分别为第一、第二、第三、第四波段特征曲线。
在步骤202中，针对所选取样本点的云检测数据结果，以激光雷达官方产品云相态结果作为先验知识，构建不同云相态所对应的卫星波段的特征曲线。
步骤203，根据所述第三、第四波段特征曲线的交点和极值点，确定所述第一、第二、第三、第四云相态判据。
步骤204，根据所述第一、第二波段特征曲线的交点，确定所述第五云相态判据。
步骤205，获取待测区域包含第一、第二、第三、第四波段的卫星数据，进行辐射定标和几何校正，得到无效值。
步骤206，将将所述得到的无效值设置为负值，得到所述第一、第二、第三、第四波段待检云数据设置为负值，得到包含所述第一、第二、第三、第四波段的待检云数据。
步骤103，对所述待检云数据的第三、第四波段数据，根据所述第一、第二、第三、第四云相态判据进行判断，得到云相态初步识别结果：第一水云、第一不确定云、混合态云、第一冰云。
步骤104，对所述第一不确定云的第一、第二波段数据，根据所述第五云相态判据进行判断，得到云相态进一步识别结果：第二水云、第二冰云、第二不确定云。
步骤105，根据所述云相态初步识别结果、云相态进一步识别结果，确定云相态最终识别结果：水云、冰云、混合态云、不确定云。
本发明实施例提供的云相态初步识别方法，应用云检测结果的先验信息，对云检测结果分析优化得到了云相态判据，综合利用了各波段云检测数据的特征信息，提高了云相态反演的准确性。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。