一种基于星地同步观测对比的卫星闪电探测评估方法
阅读说明：本技术 一种基于星地同步观测对比的卫星闪电探测评估方法 (Satellite lightning detection evaluation method based on satellite-ground synchronous observation and comparison ) 是由 惠雯 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于星地同步观测对比的卫星闪电探测评估方法,其特征在于,包括如下步骤,S1:对一个典型区域在特定时间段内星地同步观测的闪电进行对比,以说明卫星与地基闪电探测结果的相关性和差异性；S2:为解决卫星与地基探测闪电信号不同表现形式的问题,根据地闪回击数据的时空粒度特征,从卫星探测的逐帧像元数据中提取一种新的卫星探测闪电数据单元spot,使其在时空粒度上与地基stroke具有可比性；S3:为解决卫星与地基观测闪电种类不完全一致的问题,找到卫星与地基可以同时观测闪电的特定位置；S4:对特定区域的卫星与地基闪电探测结果进行比对,定义二者的匹配度。(The invention discloses a satellite lightning detection evaluation method based on satellite-ground synchronous observation and comparison, which is characterized by comprising the following steps of S1, comparing lightning synchronously observed by a satellite and ground in a specific time period in a typical area to explain the correlation and difference of the satellite and foundation lightning detection results; s2, in order to solve the problem that the lightning signals of the satellite and the foundation detection have different expression forms, a new satellite detection lightning data unit spot is extracted from the frame-by-frame pixel data of the satellite detection according to the space-time granularity characteristics of the ground flash back-hit data, so that the satellite detection lightning data unit spot has comparability to the foundation stroke on the space-time granularity; s3, in order to solve the problem that the types of the lightning observed by the satellite and the foundation are not completely consistent, finding out the specific position where the satellite and the foundation can simultaneously observe the lightning; and S4, comparing the satellite of the specific area with the foundation lightning detection result, and defining the matching degree of the satellite and the foundation lightning detection result.)
技术领域
本发明涉及卫星闪电探测技术领域，具体来说，涉及一种基于星地同步观测对比的卫星闪电探测评估方法。
背景技术
闪电是大气中一种超长距离的强放电现象，是对流性天气系统发展到一定阶段的产物，有效监测闪电信号，对于研究闪电对强对流天气的指示作用，以及闪电对大气环境和气候的影响等具有指导意义。
卫星闪电成像仪通过光谱滤波、空间滤波、时间滤波，以及星上实时事件处理器（Real Time Event Processor，RTEP）的背景减光技术，提取闪电信号。但是，卫星闪电探测有可能造成自然界闪电的人为割裂，使得一个闪电被分割到两帧数据，或是被分割到若干相邻探测单元，因此，需要通过地面系统，采用不同层级数据对闪电信息进行重建。
卫星闪电探测的基本数据单元是闪电事件（event），卫星闪电成像仪在轨运行中，因仪器内部原因或轨道外部环境干扰，往往造成原始闪电数据里包含大量由非闪电信号形成的发光像元，称为虚假闪电event，根据以往观测经验，虚假闪电event数量最多会占到全部闪电event总数的一半以上，因此在闪电数据的地面处理中需对其进行针对性滤除。
卫星闪电探测过程中，一方面，RTEP星上处理的背景估计和背景滤除过程可能引入误差，另一方面，对虚假闪电信号的滤除也可能产生误判，诸如此类因素，不可避免地会影响卫星闪电探测结果，因此，需要有效方法对卫星闪电探测的正确性进行评估，可以利用地基闪电定位网观测的闪电信息验证卫星探测的闪电信号，通过二者的匹配度来检验卫星闪电探测结果，但卫星与地基观测的目标信号特征存在差异，无法直接将两种观测数据进行对比。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种基于星地同步观测对比的卫星闪电探测评估方法，能够克服现有技术的上述不足。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于星地同步观测对比的卫星闪电探测评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1: 对一个典型区域在特定时间段内星地同步观测的闪电进行对比，以说明卫星与地基闪电探测结果的相关性和差异性；
S2: 为解决卫星与地基探测闪电信号不同表现形式的问题，根据地闪回击数据的时空粒度特征，从卫星探测的逐帧像元数据中提取一种新的卫星探测闪电数据单元spot，使其在时空粒度上与地基stroke具有可比性；
S3: 为解决卫星与地基观测闪电种类不完全一致的问题，找到卫星与地基可以同时观测闪电的特定位置；
S4: 对特定区域的卫星与地基闪电探测结果进行比对，定义二者的匹配度。
进一步的，所述步骤S1中的所述特定时间段为2008-2013年。
进一步的，所述步骤S1中的卫星数据使用TRMM LIS数据，观测区域为38°N～38°S之间，在每个观测点的平均注视时间为90s，星下点空间分辨率为3～6km；地基数据使用我国雷电监测网ADTD，观测范围为我国陆地区域，单站辐射半径为300km。
其中，研究区域选取我国西南地区。
进一步的，对于所述步骤S3，找到卫星与地基可以同时观测闪电的特定位置可包括如下步骤：
S31: 根据卫星轨道信息，将卫星在每个观测时间点的ECR坐标转换为大地坐标系下的经度Slon、纬度Slat和高程hs，利用下式来分别转换：
其中，X为ECR横坐标，Y为ECR纵坐标，Z为ECR竖坐标，a为地球长半径，b为地球短半径、e2为第一偏心率，
因卫星轨道高度不变，将上述模型进行简化为：
S32: 通过云检测和云高反演，获取云边界分布和云高hc；
S33: 根据云边界点的经度Clon和纬度Clat，卫星星下点经度Slon和纬度Slat，计算卫星相对于云边界位置的球面距离，利用下式来计算卫星相对于云边界位置的球面距离：
其中，SOC为卫星星下点和云边界位置相对于地球球心的夹角；
S34: 计算卫星探测闪电的有效半径ls，利用下式来计算卫星探测闪电的有效半径ls：
其中，R为地球半径，且将卫星高度hs，云高hc，地球半径R，以及SOC代入上式，得到，
S35: 根据卫星探测闪电的有效半径ls，以及卫星在各观测点的观测范围，确定卫星与地基可以同时观测闪电的区域，作为特定区域。
进一步的，对于所述步骤S4，将所述特定区域的卫星与地基闪电探测的匹配度定义为：
本发明的有益效果：本发明利用地基闪电定位网观测的闪电信息验证卫星探测的闪电信号，通过二者的匹配度来检验卫星闪电探测结果，对卫星闪电探测结果进行定量评估，为更有效地在卫星平台上监测闪电信号，实现对强对流天气系统的追踪和预警创造有利条件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例所述的一种基于星地同步观测对比的卫星闪电探测评估方法的步骤流程图；
图2是根据本发明实施例所述的一种基于星地同步观测对比的卫星闪电探测评估方法的我国西南地区卫星flash和地基flash的相对变化量的月变化折线图；
图3是根据本发明实施例所述的一种基于星地同步观测对比的卫星闪电探测评估方法的我国西南地区卫星flash和地基flash的相对变化量的日变化折线图；
图4是根据本发明实施例所述的一种基于星地同步观测对比的卫星闪电探测评估方法的我国西南地区卫星flash和地基flash的绝对变化量的月变化折线图；
图5是根据本发明实施例所述的一种基于星地同步观测对比的卫星闪电探测评估方法的我国西南地区卫星flash和地基flash的绝对变化量的日变化折线图；
图6是根据本发明实施例所述的一种基于星地同步观测对比的卫星闪电探测评估方法的我国西南地区2008-2013年星地匹配度月变化折线图；
图7是根据本发明实施例所述的一种基于星地同步观测对比的卫星闪电探测评估方法的我国西南地区2008-2013年星地匹配度日变化折线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-7所示，根据本发明实施例所述的一种基于星地同步观测对比的卫星闪电探测评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1: 对一个典型区域在特定时间段内星地同步观测的闪电进行对比，以说明卫星与地基闪电探测结果的相关性和差异性；
S2: 为解决卫星与地基探测闪电信号不同表现形式的问题，根据地闪回击数据的时空粒度特征，从卫星探测的逐帧像元数据中提取一种新的卫星探测闪电数据单元spot，使其在时空粒度上与地基stroke具有可比性；
S3: 为解决卫星与地基观测闪电种类不完全一致的问题，找到卫星与地基可以同时观测闪电的特定位置；
S4: 对特定区域的卫星与地基闪电探测结果进行比对，定义二者的匹配度。
在一具体实施例中，步骤S1中的所述特定时间段为2008-2013年。
在一具体实施例中，步骤S1中的卫星数据使用TRMM LIS数据，观测区域为38°N～38°S之间，在每个观测点的平均注视时间为90s，星下点空间分辨率为3～6km；地基数据使用我国雷电监测网ADTD，观测范围为我国陆地区域，单站辐射半径为300km。
优选的，研究区域选取我国西南地区。
在一具体实施例中，对于步骤S2，可从表1中看出我国西南地区2008-2013年LISspot与ADTD stroke的时空粒度具有相近的数值。
表1 LIS spot与ADTD stroke的时空粒度数值表
时间粒度（s） 空间粒度（km） LIS spot 0.111 2.143 ADTD stoke 0.146 2.271
在一具体实施例中，对于步骤S3，为解决卫星与地基观测闪电种类不完全一致的问题，需考虑云的影响，找到卫星与地基可以同时观测闪电的特定位置，包括如下步骤：
S31: 根据卫星轨道信息，将卫星在每个观测时间点的ECR坐标转换为大地坐标系下的经度Slon、纬度Slat和高程hs，利用下式来分别转换：
其中，X为ECR横坐标，Y为ECR纵坐标，Z为ECR竖坐标，a为地球长半径，b为地球短半径、e2为第一偏心率，
因卫星轨道高度不变，将上述模型进行简化为：
S32: 通过云检测和云高反演，获取云边界分布和云高hc；
S33: 根据云边界点的经度Clon和纬度Clat，卫星星下点经度Slon和纬度Slat，计算卫星相对于云边界位置的球面距离，利用下式来计算卫星相对于云边界位置的球面距离：
其中，SOC为卫星星下点和云边界位置相对于地球球心的夹角；
S34: 计算卫星探测闪电的有效半径ls，利用下式来计算卫星探测闪电的有效半径ls：
其中，R为地球半径，且将卫星高度hs，云高hc，地球半径R，以及SOC代入上式，得到，
S35: 根据卫星探测闪电的有效半径ls，以及卫星在各观测点的观测范围，确定卫星与地基可以同时观测闪电的区域，作为特定区域。
在一具体实施例中，步骤S31中的地球长半径a、短半径b、第一偏心率e2为国际大地测量与地球物理联合会1975年推荐的参考椭球参数。
在一具体实施例中，对于步骤S4，将所述特定区域的卫星与地基闪电探测的匹配度定义为：
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。
在具体使用时，根据本发明所述的一种基于星地同步观测对比的卫星闪电探测评估方法，首先，对一个典型区域在特定时间段内星地同步观测的闪电进行对比，以说明卫星与地基闪电探测结果的相关性和差异性，在此步骤，研究区域选取我国西南地区；然后，根据地闪回击数据的时空粒度特征，从卫星探测的逐帧像元数据中提取一种新的卫星探测闪电数据单元spot，使其在时空粒度上与地基stroke具有可比性，解决了卫星与地基探测闪电信号不同表现形式的问题；再找到卫星与地基可以同时观测闪电的特定位置；最后，对特定区域的卫星与地基闪电探测结果进行比对，定义二者的匹配度，若匹配度接近于1，说明利用本算法可明显提高卫星与地基闪电探测数据的可比性。
综上所述，利用本发明中的算法，定义出我国西南地区2008-2013年星地匹配度后，可得到，月变化的星地匹配度为0.82，日变化的星地匹配度为0.81，均接近于1，说明利用本算法可明显提高卫星与地基闪电探测数据的可比性。因此，在评估卫星闪电探测结果时，将星上实时事件处理器输出的闪电event转化为闪电spot，再从中提取位于特定位置的闪电，将这些闪电与地基观测结果进行对比，可以获得更准确的检验结果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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