主动激光雷达与地基观测协同反演人为碳排放方法及装置与流程

本发明涉及碳排放反演，尤其是涉及一种主动激光雷达与地基观测协同反演人为碳排放方法及装置。

背景技术：

1、目前，“自上而下”的大气源汇变化反演是评估碳中和行动有效性的一种有力手段。这种反演的关键是利用测定的大气浓度并结合大气传输模型和数据同化技术估测出最佳的全球或区域近地表碳通量。这种方法被广泛应用于评估碳中和行动的有效性。虽然，“自上而下”的碳源汇估算方法已成为目前碳循环研究的主流方向，但受观测数据数量和模型效率等因素的制约，区域尺度同化反演的工作还非常少，且其反演结果分辨率低、不确定性大，以全球尺度居多。在此背景下，如何精准刻画人为碳排放，成为碳循环研究中的关键问题之一。目前，碳同化反演系统及研究主要侧重于自然碳通量反演，而面向人为碳排放的大气同化研究较少。大部分碳通量同化反演方法是在假定自然或人为碳通量不存在误差的前提下去优化另一方，这种假设一定程度上降低了通量反演精度和应用价值，难以满足省市尺度碳中和行动有效性监测核查的需求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种主动激光雷达与地基观测协同反演人为碳排放方法及装置，可以显著提升人为碳排放反演的精度。

2、第一方面，本发明提供了一种主动激光雷达与地基观测协同反演人为碳排放方法，包括：

3、基于主动星载激光雷达对应的主动浓度观测数据，以及地基观测站点对应的地基浓度观测数据，构建目标区域对应的多尺度观测向量；

4、基于主动浓度观测数据对应的属性信息和地基浓度观测数据对应的属性信息，构造联合观测误差协方差矩阵，联合观测误差协方差矩阵主动观测误差协方差矩阵、地基观测误差协方差矩阵和交叉观测误差协方差矩阵；

5、基于先验的多尺度状态向量、多尺度观测向量和联合观测误差协方差矩阵，以最小化联合代价函数的值为目标，对目标区域的人为碳排放量进行协同反演，得到人为碳排放量反演结果。

6、在一种实施方式中，基于主动浓度观测数据对应的属性信息和地基浓度观测数据对应的属性信息，构造联合观测误差协方差矩阵，包括：

7、基于主动星载激光雷达的柱浓度核函数权重、激光回波噪声参数，以及主动星载激光雷达之间的空间距离，构造主动观测误差协方差矩阵；

8、基于地基观测站点的观测误差标准差、地基代表性相关尺度，以及地基观测站点之间的站点距离，构造地基观测误差协方差矩阵；

9、基于主动星载激光雷达与地基观测站点之间的观测误差相关系数、主动星载激光雷达的观测误差标准差、地基观测站点的观测误差标准差，构造交叉观测误差协方差矩阵；

10、根据主动观测误差协方差矩阵、地基观测误差协方差矩阵和交叉观测误差协方差矩阵，构造联合观测误差协方差矩阵。

11、在一种实施方式中，基于主动星载激光雷达的柱浓度核函数权重、激光回波噪声参数，以及主动星载激光雷达之间的空间距离，构造主动观测误差协方差矩阵，包括：

12、对于第一主动星载激光雷达与第二主动星载激光雷达执行如下操作：

13、根据第一主动星载激光雷达的激光回波噪声估计值及大气垂直高度坐标、第二主动星载激光雷达的激光回波噪声估计值及大气垂直高度坐标，确定第一主动星载激光雷达与第二主动星载激光雷达之间的分层误差协方差；

14、根据第一主动星载激光雷达与第二主动星载激光雷达之间的空间距离，与水平误差相关尺度的比值，确定第一主动星载激光雷达与第二主动星载激光雷达之间主动衰减因子，水平误差相关尺度为表征第一主动星载激光雷达观测与第二主动星载激光雷达之间误差相关性的空间特征长度；

15、根据柱浓度核函数权重、分层误差协方差和主动衰减因子确定主动星载激光雷达观测与第二主动星载激光雷达之间的雷达误差项；

16、基于激光回波噪声参数，确定主动星载激光雷达观测与第二主动星载激光雷达之间的雷达噪声项；

17、将雷达误差项与雷达噪声项的和值，作为主动星载激光雷达观测与第二主动星载激光雷达之间的主动观测误差值，以构造主动观测误差协方差矩阵。

18、在一种实施方式中，基于地基观测站点的观测误差标准差、地基代表性相关尺度，以及地基观测站点之间的站点距离，构造地基观测误差协方差矩阵，包括：

19、对于第一地基观测站点与第二地基观测站点执行如下操作：

20、根据第一地基观测站点的观测误差标准差和第二地基观测站点的观测误差标准差，确定标准差乘积；

21、根据第一地基观测站点与第二地基观测站点之间的站点距离，与地基代表性相关尺度的比值，确定地基衰减因子，地基代表性相关尺度为表征第一地基观测站点观测与第二地基观测站点观测之间误差相关性的空间特征长度；

22、将标准差乘积与地基衰减因子相乘，所得乘积作为第一地基观测站点与第二地基观测站点之间的地基观测误差协方差，以构造地基观测误差协方差矩阵。

23、在一种实施方式中，基于主动星载激光雷达与地基观测站点之间的观测误差相关系数、主动星载激光雷达的观测误差标准差、地基观测站点的观测误差标准差，构造交叉观测误差协方差矩阵，包括：

24、对于主动星载激光雷达与地基观测站点执行如下操作：

25、根据主动星载激光雷达与地基观测站点之间的空间距离，与水平误差相关尺度的比值，确定空间衰减因子，水平误差相关尺度为表征主动星载激光雷达观测与地基观测站点观测之间误差相关性的空间特征长度；

26、根据主动星载激光雷达的观测时刻与地基观测站点的观测时刻之间的时间差绝对值，与时间误差相关尺度的比值，确定时间衰减因子，时间误差相关尺度为表征主动星载激光雷达观测与地基观测站点观测之间误差相关性的时间特征长度；

27、将空间衰减因子与时间衰减因子相乘，所得乘积作为主动星载激光雷达与地基观测站点之间的观测误差相关系数；

28、将观测误差相关系数、主动星载激光雷达的观测误差标准差以及地基观测站点的观测误差标准差相乘，所得乘积作为主动星载激光雷达与地基观测站点之间的交叉观测误差协方差，以构造交叉观测误差协方差矩阵。

29、在一种实施方式中，基于先验的多尺度状态向量、多尺度观测向量和联合观测误差协方差矩阵，以最小化联合代价函数的值为目标，对目标区域的人为碳排放量进行协同反演，得到人为碳排放量反演结果，包括：

30、利用多尺度观测算子，将先验的多尺度状态向量转换至观测空间，得到浓度模拟数据，并对浓度模拟数据分别与主动浓度观测数据、地基浓度观测数据进行时空匹配；

31、通过预先构建的多尺度联合代价函数，根据匹配后的浓度模拟数据、多尺度观测向量和浓度模拟数据，对目标区域的人为碳排放量进行协同反演，并将使多尺度联合代价函数的值最小的浓度模拟数据对应的多尺度状态向量，作为人为碳排放量反演结果。

32、在一种实施方式中，多尺度观测向量、多尺度状态向量、多尺度观测算子、多尺度联合代价函数均为按照大尺度背景输送、区域中尺度传输和局地人为排放扰动进行分解得到的。

33、第二方面，本发明还提供一种主动激光雷达与地基观测协同反演人为碳排放装置，包括：

34、观测向量构造模块，基于主动星载激光雷达对应的主动浓度观测数据，以及地基观测站点对应的地基浓度观测数据，构建目标区域对应的多尺度观测向量；

35、协方差构造模块，用于基于主动浓度观测数据对应的属性信息和地基浓度观测数据对应的属性信息，构造联合观测误差协方差矩阵，联合观测误差协方差矩阵主动观测误差协方差矩阵、地基观测误差协方差矩阵和交叉观测误差协方差矩阵；

36、反演模块， 用于基于先验的多尺度状态向量、多尺度观测向量和联合观测误差协方差矩阵，以最小化联合代价函数的值为目标，对目标区域的人为碳排放量进行协同反演，得到人为碳排放量反演结果。

37、第三方面，本发明还提供一种电子设备，包括处理器和存储器，存储器存储有能够被处理器执行的计算机可执行指令，处理器执行计算机可执行指令以实现第一方面提供的任一项的方法。

38、第四方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令在被处理器调用和执行时，计算机可执行指令促使处理器实现第一方面提供的任一项的方法。

39、本发明提供的主动激光雷达与地基观测协同反演人为碳排放方法及装置，首先基于主动星载激光雷达对应的主动浓度观测数据，以及地基观测站点对应的地基浓度观测数据，构建目标区域对应的多尺度观测向量；接着基于主动浓度观测数据对应的属性信息和地基浓度观测数据对应的属性信息，构造联合观测误差协方差矩阵，联合观测误差协方差矩阵主动观测误差协方差矩阵、地基观测误差协方差矩阵和交叉观测误差协方差矩阵；最后基于先验的多尺度状态向量、多尺度观测向量和联合观测误差协方差矩阵，以最小化联合代价函数的值为目标，对目标区域的人为碳排放量进行协同反演，得到人为碳排放量反演结果。上述方法通过融合主动星载激光雷达与地基观测站点的多源观测数据构建多尺度观测向量，并基于观测数据的属性信息构造包含主动观测误差、地基观测误差及交叉观测误差的联合观测误差协方差矩阵，实现了对多源观测误差结构的完整刻画；在此基础上，将多尺度状态向量、多尺度观测向量与联合观测误差协方差矩阵统一纳入协同反演框架，以最小化联合代价函数为目标进行反演求解，使得不同观测来源的信息能够依据各自误差特性被合理加权利用，有效降低了反演过程中的不确定性，从而显著提升了目标区域人为碳排放量反演结果的精度。

40、本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

41、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。