一種遙感地表溫度數(shù)據(jù)的時(shí)空一體化融合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及定量遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種遙感地表溫度數(shù)據(jù)的時(shí) 空一體化融合方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 地表溫度（LST，Land Surface Temperature)是研究地-氣間物質(zhì)與能量交換的 重要參數(shù)，廣泛應(yīng)用于城市熱島效應(yīng)、土壤濕度估算、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、氣候變化等領(lǐng)域。衛(wèi)星 熱紅外遙感是獲取地表溫度的重要手段，然而，遙感觀測(cè)系統(tǒng)需要在空間分辨率和時(shí)間分 辨率之間進(jìn)行權(quán)衡與取舍，難以同時(shí)獲得高時(shí)間和高空間分辨率的溫度數(shù)據(jù)，極大限制了 其應(yīng)用的廣度與深度。例如：靜止衛(wèi)星地表溫度數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率最高達(dá)到15分鐘，卻具 有至少3千米的低空間分辨率；而極地衛(wèi)星提供的地表溫度數(shù)據(jù)雖然具有較高的空間分辨 率（約100米-1000米），但其時(shí)間分辨率一般都較低。另一方面，現(xiàn)有發(fā)布的地表溫度數(shù) 據(jù)由于云、氣溶膠等不利天氣的影響往往出現(xiàn)空值現(xiàn)象，導(dǎo)致空間不連續(xù)。因此，如何在不 改變現(xiàn)有觀測(cè)系統(tǒng)的條件下，實(shí)現(xiàn)遙感地表溫度數(shù)據(jù)空間無(wú)縫的同時(shí)提高遙感LST的空間 分辨率和時(shí)間分辨率，成為熱紅外遙感應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
[0003] 為了提高遙感LST數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了一些研究。早期的 研究主要有遙感LST空間降尺度/時(shí)間擴(kuò)展：在空間降尺度方面，李小文院士提出將傳統(tǒng)地 學(xué)趨勢(shì)面用于遙感尺度轉(zhuǎn)換研究，其主要原理都是引入更高空間分辨率的地理要素構(gòu)造趨 勢(shì)面，通過(guò)建立趨勢(shì)面與LST間的關(guān)系完成降尺度轉(zhuǎn)換。而對(duì)于遙感LST時(shí)間尺度擴(kuò)展，一 般是對(duì)多時(shí)相數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)相濾波、諧波分析等方法重建出中間時(shí)間的數(shù)據(jù)。以上針對(duì)單一 遙感參量來(lái)提高時(shí)空分辨率的方法，對(duì)輔助數(shù)據(jù)質(zhì)量或長(zhǎng)時(shí)序性要求較高，且提高的分辨 率程度有限，在某些應(yīng)用也顯得無(wú)能為力。因此，需發(fā)展一種新的LST時(shí)空降尺度方法。
[0004] 多傳感器遙感LST時(shí)空融合技術(shù)正是為了滿足這種需求而發(fā)展起來(lái)的一種新技 術(shù)。與上述針對(duì)單一遙感參量的空間降尺度、時(shí)間擴(kuò)展方法不同的是，遙感LST時(shí)空融合是 通過(guò)對(duì)具有不同空間尺度和時(shí)間尺度的LST進(jìn)行融合處理，生成時(shí)間相對(duì)密集的高空間分 辨率LST數(shù)據(jù)；其優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需其它輔助數(shù)據(jù)條件，同時(shí)生成的數(shù)據(jù)具有輸入數(shù)據(jù)中最高 空間分辨率和最高時(shí)間分辨率。
[0005] 然而，無(wú)論是傳統(tǒng)時(shí)空降尺度還是時(shí)空融合，在算法實(shí)施過(guò)程中都假設(shè)所輸入數(shù) 據(jù)空間無(wú)縫，這個(gè)假設(shè)對(duì)于地表溫度數(shù)據(jù)（由于受云等影響）經(jīng)常不能滿足；此外，在基 于多時(shí)相、多尺度溫度數(shù)據(jù)時(shí)空融合時(shí)，很少顧及參量晝夜變化規(guī)律、遙感觀測(cè)條件等的差 另IJ，直接影響了融合影像的求解精度。因此如何利用多時(shí)相、多尺度時(shí)空互補(bǔ)信息實(shí)現(xiàn)遙感 地表溫度數(shù)據(jù)空間無(wú)縫同時(shí)提高其時(shí)空分辨率，需要研究新的時(shí)空一體化融合方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是：針對(duì)現(xiàn)有觀測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)限制和遙感地表溫度數(shù)據(jù)時(shí) 空不連續(xù)現(xiàn)象，提供一種遙感地表溫度數(shù)據(jù)的時(shí)空一體化融合方法。
[0007] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：一種遙感地表溫度數(shù)據(jù)的時(shí)空 一體化融合方法，設(shè)有一個(gè)空間無(wú)縫的極軌衛(wèi)星地表溫度數(shù)據(jù)M和同一地區(qū)的多時(shí)相靜止 衛(wèi)星地表溫度數(shù)據(jù)Gtp(p = 0, 1，"·η且n>10);進(jìn)一步假設(shè)在時(shí)間序列tQ、1v"tn Mn上有 一景地表溫度數(shù)據(jù)G與極軌衛(wèi)星地表溫度數(shù)據(jù)M獲取時(shí)間上對(duì)應(yīng)，則實(shí)現(xiàn)時(shí)空一體化融合 包括以下步驟：
[0008] 步驟一、對(duì)地表溫度數(shù)據(jù)M和Gtp(p = 0, 1，…η)進(jìn)行預(yù)處理，包括幾何配準(zhǔn)、裁剪、 溫度單位轉(zhuǎn)換、空值標(biāo)記、重采樣；
[0009] 步驟二、基于晝夜變化模型的空間修復(fù)：根據(jù)當(dāng)前時(shí)相待修復(fù)像元在其它時(shí)相對(duì) 應(yīng)有效像元值的數(shù)量分如下兩種情況求解所述晝夜變化模型的參數(shù)，并進(jìn)行空值修復(fù)； [0010] 情況1)若當(dāng)前時(shí)相的待修復(fù)像元在其它時(shí)相上有足夠非空值像元，直接利用這 些有效值與對(duì)應(yīng)時(shí)間構(gòu)成的數(shù)據(jù)對(duì)按需求分白天和晚上進(jìn)行所述晝夜變化模型參數(shù)擬 合；
[0011] 情況2)若待修復(fù)像元的其它時(shí)相有效像元及其對(duì)應(yīng)時(shí)間構(gòu)成的數(shù)據(jù)對(duì)不足以 進(jìn)行溫度晝夜變化模型參數(shù)擬合時(shí)，則以相鄰時(shí)相1對(duì)應(yīng)的非空值像元為中心像元開一 個(gè)窗口，設(shè)窗口大小為waX wa，wa根據(jù)G的特征而定，在窗口內(nèi)篩選相似像元，篩選條件 為：鄰域像元與中心像元差的絕對(duì)值小于或等于該中心像元相關(guān)的函數(shù)，用公式表達(dá)為：
，其中G(i，tx)為時(shí)間^時(shí)靜止衛(wèi)星地表溫度數(shù) 據(jù)G上窗口內(nèi)鄰域像元，G(wa/2, tx)為靜止衛(wèi)星地表溫度數(shù)據(jù)G上窗口內(nèi)中心像元，（13為 常量，使得篩選的相似像元滿足其它時(shí)相上有足夠多的有效數(shù)據(jù)對(duì)；利用這些有效數(shù)據(jù)對(duì) 進(jìn)行所述晝夜變化模型參數(shù)的擬合數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)。
[0012] 步驟三、構(gòu)建遙感地表溫度數(shù)據(jù)時(shí)空一體化融合模型：
[0013] 在地表溫度數(shù)據(jù)M上逐個(gè)以像元為中心像元開一個(gè)大小為wbXwb的窗口，窗口大 小視M特征而定，按以下公式在窗口內(nèi)篩選相似像元：
[0015] 其中M(i, t)為時(shí)間t時(shí)M上窗口內(nèi)鄰域像元，M(wb/2, t)為M上窗口內(nèi)中心像元， db為常量，
[0016] 計(jì)算相似像元地表溫度數(shù)據(jù)在當(dāng)前時(shí)間和預(yù)測(cè)時(shí)間間的溫度變化值與中心像元 所在晝夜變化模型的溫度變化值的差異TD1如下，
[0017] TDi= IG (i, t) -G (i, t x) - (Temp (wb/2, t) -Temp (wb/2, tx))
[0018] 其中，G (i，t)為當(dāng)前時(shí)間t的靜止衛(wèi)星地表溫度數(shù)據(jù)G上窗口內(nèi)第i個(gè)鄰域像元， G (i，tx)為時(shí)間tx時(shí)靜止衛(wèi)星地表溫度數(shù)據(jù)G上窗口內(nèi)第i個(gè)鄰域像元，i為正整數(shù)，其最 大值為窗口大??；
[0019] 結(jié)合TD1及其它參量構(gòu)建以下相似像元的權(quán)重函數(shù)表達(dá)式：
[0020] W1= (!/(V1 · SD1)/ Σ !/(V1 · SD1))
[0021] 其中SD1是窗口內(nèi)相似像元與中心像元的相似度、V1是由M上窗口內(nèi)相似像元與 中心像元溫度變化差異、歐式距離以及不同分辨率地表溫度數(shù)據(jù)間尺度差異共同構(gòu)成；假 設(shè)地表溫度數(shù)據(jù)M和Gtn在時(shí)間t n時(shí)對(duì)應(yīng)，作為基礎(chǔ)時(shí)間對(duì)，其它時(shí)間序列t xe {t。、心、… tn J作為預(yù)測(cè)時(shí)間，得到時(shí)空一體化融合模型： CN 105184076 A 說(shuō)明書 3/6 頁(yè)
[0023] 其中，M(wb/2, tx)為融合的空間無(wú)縫且高時(shí)空分辨率的地表溫度數(shù)據(jù)，具有靜止 衛(wèi)星G的時(shí)間分辨率和極軌衛(wèi)星M的空間分辨率。
[0024] 進(jìn)一步的，在所述步驟二中，由于考慮到觀測(cè)條件、傳感器誤差、反演誤差的原因 使得現(xiàn)有地表溫度數(shù)據(jù)存在包含一些噪聲、誤差較大的離群點(diǎn)，采用M估計(jì)理論提高模型 參數(shù)擬合精度。
[0025] 所述步驟二中，當(dāng)待修復(fù)像元的其它時(shí)相像元都為空值時(shí)，選擇當(dāng)前時(shí)相鄰域有 效像元值，包括原有的和建模求解的；利用空間內(nèi)插技術(shù)完成修復(fù)。
[0026] 本發(fā)明充分結(jié)合多尺度、多時(shí)相傳感器間的時(shí)空互補(bǔ)信息和靜止衛(wèi)星地表溫度的 晝夜變化規(guī)律，利用靜止衛(wèi)星高時(shí)間分辨率特性建立地表溫度晝夜變化模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空 值像元的修復(fù)，同時(shí)與較高分辨率極軌衛(wèi)星溫度數(shù)據(jù)構(gòu)建時(shí)空融合模型，最終生成空間無(wú) 縫的高時(shí)空分辨率地表溫度數(shù)據(jù)集。而且不需要任何輔助數(shù)據(jù)，易于實(shí)現(xiàn)，實(shí)用價(jià)值高，可 用于業(yè)務(wù)化運(yùn)行。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有空間修復(fù)精確、時(shí)空權(quán)重函數(shù)合理、時(shí)空一體 化融合等優(yōu)點(diǎn)。主要體現(xiàn)在：首先，根據(jù)待修復(fù)空值像元在時(shí)間維上的有效像元數(shù)分情況求 解地表溫度晝夜變化模型參數(shù)，并利用M估計(jì)等穩(wěn)健回歸方法使模型參數(shù)最優(yōu)化，從而提 高修復(fù)精度；其次，通過(guò)引入相似像元本身的相似度差異因子、基于溫度晝夜變化模型的時(shí) 間差異因子等構(gòu)建更加合理的時(shí)空權(quán)重函數(shù)；最后，利用多時(shí)相、多尺度地表溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行 時(shí)空一體化融合可實(shí)現(xiàn)空間無(wú)縫的同時(shí)提高其時(shí)空分辨率?？傊?，新方法可以批量生成空 間上連續(xù)且時(shí)間上相對(duì)密集的地表溫度數(shù)據(jù)集，特別適用于具有高時(shí)間分辨率的靜止衛(wèi)星 溫度數(shù)據(jù)。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1是本發(fā)明的實(shí)施例流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明技術(shù)方案。
[0029] 假設(shè)有一個(gè)空間無(wú)縫的高空間分辨率極軌衛(wèi)星地表溫度數(shù)據(jù)M和同一地區(qū)的多 時(shí)相靜止衛(wèi)星地表溫度數(shù)據(jù)Gtp(p = 0, 1，…n，且n>10)。進(jìn)一步假設(shè)在時(shí)間序列t。、tr·· tn i、tn上有一景地表溫度數(shù)據(jù)G與極軌衛(wèi)星地表溫度數(shù)據(jù)M獲取時(shí)間上對(duì)應(yīng)，通過(guò)時(shí)空一 體化融合就能獲取空間無(wú)縫且具有極軌衛(wèi)星地表溫度數(shù)據(jù)空間分辨率的Mtp(p = 0, 1，… η) 〇
[0030] 如圖1所示，本發(fā)明的實(shí)施例流程可以分為三個(gè)階段：
[0031] 第一階段：地表溫度數(shù)據(jù)的預(yù)處理
[0032] 對(duì)地表溫度數(shù)據(jù)M和Gtp (ρ = 0, 1，…η)進(jìn)行預(yù)處理，一般包括幾何配準(zhǔn)、裁剪、溫 度單位轉(zhuǎn)換、空值標(biāo)記、重采樣。幾何配準(zhǔn)是通過(guò)地面控制點(diǎn)及相應(yīng)的經(jīng)煒度信息完成投影 轉(zhuǎn)換與定位，根據(jù)所感興趣的研究區(qū)域范圍分別對(duì)所有溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，將所有溫度數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)換成相同的單位，對(duì)地表溫度數(shù)據(jù)Gtp空值像元進(jìn)行標(biāo)記，在完成空間修復(fù)后將Gt ρ (ρ =0, 1，…η)重采樣與地表溫度數(shù)據(jù)M相匹配的空間分辨率。
[0033] 第二階段、空間無(wú)縫處理
[0034] 步驟2-1、根據(jù)預(yù)處理中空值像元標(biāo)記結(jié)果，若所有時(shí)相Gtp均無(wú)空值，直接進(jìn)入第 三階段；否則，進(jìn)入步驟2-2;
[0035] 步驟2-2、確定地表溫度晝夜變化模型參數(shù)求解的數(shù)據(jù)對(duì)（溫度與時(shí)間）。根據(jù)當(dāng) 前時(shí)相待修復(fù)像元在其它時(shí)相對(duì)應(yīng)有效像元值的數(shù)量分如下三種情況確定數(shù)據(jù)對(duì)：
[0036] 情況一、若當(dāng)前時(shí)相的待修復(fù)空值像元在其它時(shí)相上有足夠數(shù)量（大于6)非空值 像元，可確定這些有效溫度Temp (t)及其觀測(cè)時(shí)間t作為如下地表溫度晝夜變化模型參數(shù) 求解的數(shù)據(jù)對(duì)：
[0038] 其中，bJP b 2表示如下：
[0039] bi = T 〇+Tacos ( β (ts-tm)) -b2 (2)
[0040] b2= [_β Tasin(β (ts_tm))]/a (3)
[0041] 式中個(gè)參數(shù)定義如表1所示
[0042] 表1 :各參數(shù)的意義
[0044] 情況二、當(dāng)待修復(fù)像元的其它時(shí)相有效像元數(shù)及其觀測(cè)時(shí)間所組成的數(shù)據(jù)對(duì)不足 以求解溫度晝夜變化模型參數(shù)時(shí)，則以相鄰時(shí)相1對(duì)應(yīng)的非空值像元為中心像元開一個(gè)窗 口，設(shè)窗口大小為wa X wa，wa根據(jù)G的特征而定，在窗口內(nèi)篩選相似像元，篩選條