基于卫星数据及站点观测数据的双通道海雾反演阈值改进方法与流程

本发明属于海雾反演阈值改进方法，基于卫星数据和天气现象观测数据，以现有双通道海雾反演方法为基础，结合ROC曲线方法，考虑卫星各反演准确率等技术指标额，选取随时空变化的最优阈值，以此值组建双通道海雾反演的阈值组。

背景技术：

海雾是我国近海常见的一种灾害性天气现象。发生海雾时，海面能见度降低，使海上船舶运输、海上捕捞作业、海上石油开采以及海上军事等人类活动受到限制。亮温就是将物体的辐射能量用同辐射量的黑体温度表示。在夜间，无来自太阳的短波辐射，卫星中红外通道和长波红外通道接收来自目标物发射的辐射。研究表明，夜间通过卫星中红外通道探测的低云/海雾的发射率要显著小于利用长波红外通道探测到的低云/海雾的发射率。与此同时，陆地及海洋在这两个通道上的亮温大致相等，亮温差接近0。

基于此项事实，可采用中红外通道与长波红外通道相结合的方法检测雾区，即利用两个通道间的亮温差值的大小，可以初步判断该地区上空是否有低云/海雾存在。基于双通道法原理，对卫星传感器的中红外(IR4)通道值与长波红外(IR1)通道值作差，若该差值(IR4-IR1)落在某一个固定的阈值范围之内，就认为此地区有雾现象发生。

目前并无较好的海雾反演阈值。前人曾提出过某些海雾反演阈值，如针对黄海海区的夜间海雾反演阈值为[-5.5，-2.5]，这些阈值自提出以来被广泛使用。考虑到双通道法反演夜间海雾效果随时空变化的特点，同一阈值在不同地区、不同季节反演各不相同，如针对黄海海区的阈值[-5.5，-2.5]在南黄海及东海的冬春季节适用性最高。对于其他海区，则缺乏随时空变化的最优反演阈值。因此，对现有阈值进行改进从而得到针对各海区各月份的夜间海雾反演阈值组，能使双通道海雾反演方法得到进一步完善。

ROC曲线(Receiver Operating Characteristic Curve)指接收器操作特性曲线,是反映敏感性和特异性连续变量的综合指标。利用ROC曲线方法，综合考虑卫星反演效果，可以直观地对现有阈值进行改进，并选出随时空变化的最优阈值。

技术实现要素：

本发明的目的是基于现有的双通道反演阈值及双通道法的适用性分析，对现有的双通道反演阈值进行调整和改进，结合改进的ROC曲线方法，得到最终随时空变化的最优阈值。

本发明具体的技术方案主要包括两部分：第一部分为阈值调整，结合双通道法的适用性分析，将现有阈值范围进行扩大，得出大量的新阈值组合，并给出表征各组新阈值适用性的技术指标；第二部分为最优阈值的选取，基于以上结果，利用ROC曲线方法，综合考虑各技术指标的变化，选出随时空变化的最优阈值组。

基于卫星数据及站点观测数据的双通道海雾反演阈值改进方法，其特征在于包括以下步骤

步骤1是基于现有的双通道海雾反演方法和现有的阈值，读取卫星数据，反演出研究区域的海雾发生情况；

步骤2是读取站点观测数据，以获取各个站点为有雾还是无雾，结合步骤1中的反演结果，计算出判识率(POD)、误判率(PFD)、鉴定成功评分(CSI)、命中率(HR)、准确率(ZQL)共5个精度指标值；

步骤3是对步骤1中的原始阈值进行调整；把原始阈值的最大值扩充为max区间，最小值扩充为min区间，扩充规则为：以最大值或最小值为中间值，分别加上一个常数、减去一个常数，该常数在0-5之间，加上的常数与减去的常数可以不同；并且要保证max区间所有数大于等于min区间所有数，以0.1为间隔，将上述区间进行划分，使得max区间有M个值，min区间有N个值；把两区间内的值两两组合为新阈值，其数量为M×N，对每个新阈值利用步骤1所述的双通道海雾反演方法反演出相同时间研究区域的海雾发生情况；同步骤2，算出每个新阈值对应的5个精度指标；

步骤4是选取最优阈值；基于步骤3得到的精度指标，同时绘出PFD-POD、PFD-ZQL两条ROC曲线，使PFD-POD、PFD-ZQL的两条ROC曲线位于同一个坐标系；两条ROC曲线分为以下情况：a.若两条ROC曲线交点位于直线Y＝X上，取两条ROC曲线的交点对应的阈值为最优阈值，b.若两条ROC曲线交点位于直线Y＝X下，则在两条ROC曲线都在直线Y＝X上方的部分中，分别寻找与直线Y＝X的距离最远的点，找到两个最远点对应的阈值，然后将对应的两个阈值取平均值作为最优阈值；若不存在这样的点，则取原阈值，c.若两条ROC曲线无交点，则将max区间与min区间进一步扩大，重复步骤3-4，直至出现交点后，判断是a情况或b情况，做出相应决定。

所述的基于卫星数据及站点观测数据的双通道海雾反演阈值改进方法，其特征在于在上述步骤4完成之后，还有计算5个精度指标的变化量与变化幅度的步骤，即统计研究区域原有的5个精度指标与最优阈值下的5个精度指标之间的变化量及变化幅度，其中变化幅度＝变化量÷原阈值对应值×100％，以便于使用者掌握采用该改进方法后的效果。

所述的基于卫星数据及站点观测数据的双通道海雾反演阈值改进方法，其特征在于在上述步骤4完成之后，还有给出最优阈值查算表的步骤，即对不同海区在不同时间下均使用步骤1-4的方法得到不同海区在不同时间下的最优阈值，并给出针对不同海区在不同时间下的最优阈值查算表。

所述的基于卫星数据及站点观测数据的双通道海雾反演阈值改进方法，其特征是步骤1中所述的阈值选用[-5.5，-2.5]。(例如原始阈值[-5.5，-2.5]的最大值为-2.5，最小值为-5.5。于是可以将最大值-2.5扩大为max区间[-2.5-2，-2.5+4.5]，即[-4.5，0.5]，可以将最小值-5.5扩大为min区间[-5.5-1，-5.5+1]，即[-6.5，-4.5])。

所述的基于卫星数据及站点观测数据的双通道海雾反演阈值改进方法，其特征是步骤2所述的计算出判识率(POD)、误判率(PFD)、鉴定成功评分(CSI)、命中率(HR)、准确率(ZQL)共5个精度指标值的方式是：

A、B、C、D单位：个

其中准确率为本发明自定义指标，定义为

准确率ZQL＝A/(A+B)，A、B值分别为卫星有雾站点有雾的样本数和卫星有雾站点无雾的样本数，准确率代表卫星能否正确判识出雾区的能力；其他四个指标是统计中常用的指标，判识率反映了卫星反演雾区的漏判情况；误判率代表了卫星将无雾误判为有雾的情况；鉴定成功评分为综合反映卫星反演判识能力及反演准确率的指标；命中率反映了卫星能否正确判断出有雾以及无雾的能力。

本发明可以大幅提升双通道法反演海雾的准确率，针对不同海区、不同时间均可适用性；计算量小，阈值的提高效果显著。可以广泛被应用于双通道法反演海雾的技术中。

附图说明

图1、本发明的总体流程图。

图2、本发明的阈值调整流程示意图。

图3、本发明使用双条关系曲线法选取最优阈值过程示意图-渤海五月份。

图4、本发明使用双条关系曲线法选取最优阈值过程示意图-东海六月份。

具体实施方式

如图1、2，本发明的具体步骤如下：

1)卫星反演雾区。读取卫星数据(目前以MATSAT卫星数据为例，以中国沿海渤海、黄海、东海、南海四个海区为研究区域)，基于现有阈值(目前采用的阈值为[-5.5，-2.5]),利用双通道法反演出夜间目标区海雾分布情况，建立阈值分类规则，例如目前所用具体阈值分类规则如下：

2)反演结果评估。结合天气现象观测数据(目前采用MICAPS(MeteorologicalInformation Comprehensive Analysis And Process System气象信息综合处理分析处理系统))，对反演结果进行评估，给出卫星反演的各技术指标，其具体评分规则为：

*A、B、C、D单位：个

3)阈值调整。把原始阈值的最大值扩充为max区间，最小值扩充为min区间，扩充规则为：以最大值或最小值为中间值，分别加上一个常数、减去一个常数，一般该常数在0-5之间，加上的常数与减去的常数可以不同；并且要保证max区间所有数大于等于min区间所有数，以0.1为间隔，将上述区间进行划分，使得max区间有A个值，min区间有B个值；把两区间内的值两两组合为新阈值，其数量为A×B，对每个新阈值利用步骤1所述的双通道法反演出相同时间研究区域的海雾发生情况；同步骤2，算出每个新阈值对应的5个精度指标；4)最优阈值选取。同时绘出PFD-POD、PFD-ZQL双条关系曲线(ROC曲线)，使PFD-POD、PFD-ZQL的两条ROC曲线位于同一个坐标系；两条ROC曲线分为以下情况：a.若两条ROC曲线交点位于直线Y＝X上，取两条ROC曲线的交点对应的阈值为最优阈值(以渤海五月为例，见附图3)，b.若两条ROC曲线交点位于直线Y＝X下，则在两条ROC曲线都在直线Y＝X上方的部分中，分别寻找与直线Y＝X的距离最远的点，找到两个最远点对应的阈值，然后将对应的两个阈值取平均值作为最优阈值；若不存在这样的点，则取原阈值(以东海六月为例，见附图4)，c.若两条ROC曲线无交点，则将max区间与min区间进一步扩大，重复步骤3-4，直至出现交点后，判断是a情况或b情况，做出相应决定。。

5)改进效果检验。统计研究区域原有的5个精度指标与最优阈值下的5个精度指标之间的变化量及变化幅度，其中变化幅度＝变化量÷原阈值对应值×100％，以便于使用者掌握采用该改进方法后的效果。

如表1所示：

渤海阈值改进前后POD、CSI、ZQL变化量及变化幅度

表1