一種結(jié)合衛(wèi)星和站點(diǎn)觀測(cè)反演時(shí)空連續(xù)pm2.5濃度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于遙感圖像處理和信息應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種獲取PM2.5濃度的方法，具體 涉及一種結(jié)合衛(wèi)星和站點(diǎn)觀測(cè)反演時(shí)空連續(xù)PM2.5濃度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在大氣PM2.5污染的監(jiān)測(cè)中，地面站點(diǎn)的精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，但是密度低，覆蓋范圍 小，無法進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)和分析。遙感衛(wèi)星能提供覆蓋范圍廣的氣溶膠觀測(cè)數(shù)據(jù)(A0D)，建立 與地面站點(diǎn)PM2.5數(shù)據(jù)關(guān)系(A0D-PM2.5)后，可由衛(wèi)星觀測(cè)反演得到PM2.5空間分布數(shù)據(jù)。然 而，由于云等因素的影響，A0D數(shù)據(jù)往往存在降質(zhì)或缺失的情況，從而導(dǎo)致衛(wèi)星無法反演同 一位置上時(shí)間連續(xù)的PM2.5數(shù)據(jù)。
[0003] 已有方法對(duì)A0D進(jìn)行修復(fù)的主要目的是提高數(shù)據(jù)空間覆蓋度，以便于構(gòu)建PM2.5的 反演模型。其只反演得到某些特定時(shí)刻的PM2.5數(shù)據(jù)，而忽略了時(shí)間上不連續(xù)的問題。隨著 地面PM2.5監(jiān)測(cè)網(wǎng)的逐步完善，站點(diǎn)數(shù)在持續(xù)增多，并且其獲得的數(shù)據(jù)是時(shí)間連續(xù)的。結(jié)合 站點(diǎn)測(cè)量和衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)，考慮多源數(shù)據(jù)的變化規(guī)律與聯(lián)系，可重建得到時(shí)間連續(xù)的高分 辨率PM2.5數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種結(jié)合衛(wèi)星和站點(diǎn)觀測(cè)反 演時(shí)空連續(xù)PM2.5濃度的方法。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種結(jié)合衛(wèi)星和站點(diǎn)觀測(cè)反演時(shí)空連續(xù)PM2.5濃度 的方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0006] 步驟1:利用地面站點(diǎn)PM2.5數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值；
[0007] 步驟2:對(duì)衛(wèi)星反演PM2.5數(shù)據(jù)中待恢復(fù)區(qū)域進(jìn)行恢復(fù)，其具體實(shí)現(xiàn)包括以下子步 驟：
[0008] 步驟2.1:對(duì)于待修復(fù)時(shí)刻td^PM2.5數(shù)據(jù)，尋找具有完好信息的。時(shí)刻PM2.5數(shù)據(jù) 作為參考；
[0009] 步驟2.2:利用。時(shí)刻的衛(wèi)星反演PM2.5數(shù)據(jù)和地面站點(diǎn)插值PM2.5數(shù)據(jù)，以及以寸 亥_地面站點(diǎn)插值結(jié)果，估算tP時(shí)刻的PM2.5數(shù)據(jù)；
[0010] 步驟2.3:對(duì)于tP時(shí)刻PM2.5數(shù)據(jù)的未缺失區(qū)，構(gòu)建衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)和步驟2.2中的估 算數(shù)據(jù)的回歸關(guān)系;若未缺失區(qū)過小不足以構(gòu)建回歸關(guān)系，則直接利用步驟2.2中的結(jié)果填 補(bǔ)；
[0011] 步驟2.4:利用步驟2.3中的線性回歸關(guān)系，校正步驟2.2中tP時(shí)刻的缺失區(qū)PM2.5 估算值，得到缺失區(qū)的最終修復(fù)結(jié)果。
[0012] 作為優(yōu)選，步驟1中所述空間插值，采用的是地學(xué)插值法。
[0013] 作為優(yōu)選，步驟2中：
[00M]估算tP時(shí)刻的PM2 · 5數(shù)據(jù)FW公式為：
[0015] :
[0016]其中，LP、U分別表示tpA時(shí)刻的地面站點(diǎn)插值結(jié)果，η指所選取參考時(shí)刻的個(gè)數(shù)， Fi表示ti時(shí)刻衛(wèi)星反演ΡΜ2.5數(shù)據(jù)；
[0017] 對(duì)于tP時(shí)刻PM2.5數(shù)據(jù)的未缺失區(qū)，構(gòu)建步驟2.2中的估算數(shù)據(jù)FP,u和衛(wèi)星反演數(shù) 據(jù)F s,u的回歸關(guān)系，利用最小二乘估計(jì)得到其系數(shù)為a，b;
[0018] 對(duì)步驟2.2中tP時(shí)刻的缺失區(qū)PM2.5估算值FP,。進(jìn)行校正，其表達(dá)式為：
[0019] F，P,〇 = a+b · FP,〇；
[0020] 其中，F(xiàn)'P,。表示校正后的估算值，即缺失區(qū)域最終的恢復(fù)結(jié)果。
[0021] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0022] (1)能獲得各位置上時(shí)間連續(xù)的PM2.5數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)無縫監(jiān)測(cè)；
[0023] (2)獲得時(shí)間連續(xù)PM2.5數(shù)據(jù)的一般思路是A0D的修復(fù)，其可參考的輔助信息較少， 具有很大的不確定性，本發(fā)明有效避免了這一局限；
[0024] (3)在基于A0D-PM2.5關(guān)系反演得到PM2.5數(shù)據(jù)后，考慮到多源數(shù)據(jù)變化的聯(lián)系，再 次利用站點(diǎn)插值數(shù)據(jù)的時(shí)間趨勢(shì)，使其作用最大化。
[0025]總之，本發(fā)明提出的方法可有效地填補(bǔ)衛(wèi)星反演PM2.5數(shù)據(jù)的空缺，獲得較為準(zhǔn)確 的恢復(fù)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)大范圍的時(shí)間連續(xù)PM2.5監(jiān)測(cè)。
【附圖說明】
[0026] 圖1:本發(fā)明實(shí)施例的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實(shí)施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā) 明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實(shí)施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[0028]衛(wèi)星數(shù)據(jù)的缺失，導(dǎo)致反演的PM2.5濃度數(shù)據(jù)出現(xiàn)空間縫隙?？衫脭?shù)據(jù)完好的參 考時(shí)刻的衛(wèi)星反演和地面站點(diǎn)插值PM2.5數(shù)據(jù)，和待修復(fù)時(shí)刻的地面站點(diǎn)插值結(jié)果，重建得 到缺失的PM2.5數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間連續(xù)。
[0029]請(qǐng)見圖1，本發(fā)明提供的一種結(jié)合衛(wèi)星和站點(diǎn)觀測(cè)反演時(shí)空連續(xù)PM2.5濃度的方 法，包括以下步驟：
[0030] 步驟1:利用地面站點(diǎn)PM2.5數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，由于站點(diǎn)分布較為稀疏，插值結(jié)果 相對(duì)較粗，但是仍保持了時(shí)間上的變化趨勢(shì)。將較粗的插值結(jié)果的時(shí)間趨勢(shì)，作為重建高分 辨率的衛(wèi)星反演缺失PM2.5數(shù)據(jù)的參考依據(jù)。
[0031] 地面站點(diǎn)的空間分布具有不同的形態(tài)，在利用地學(xué)插值方法(如克里金、反距離加 權(quán)等)時(shí)，應(yīng)考慮站點(diǎn)的分布特征。如利用克里金法進(jìn)行空間插值時(shí)，根據(jù)站點(diǎn)分布形態(tài)特 征來選擇變異函數(shù)的種類。
[0032]步驟2:對(duì)衛(wèi)星反演PM2.5數(shù)據(jù)中待恢復(fù)區(qū)域進(jìn)行恢復(fù)，其具體實(shí)現(xiàn)包括以下子步 驟：
[0033]步驟2.1:對(duì)于待修復(fù)時(shí)刻tJ^PM2.5數(shù)據(jù)，尋找具有完好信息（原則上盡可能空間 全覆蓋，實(shí)際中只要和知時(shí)刻的缺失區(qū)和未缺失區(qū)均有重疊即可）的tj寸刻PM2.5數(shù)據(jù)作為 參考；
[0034] 步驟2.2:利用U時(shí)刻的衛(wèi)星反演PM2.5數(shù)據(jù)和地面站點(diǎn)插值PM2.5數(shù)據(jù)，以及如時(shí) 亥_地面站點(diǎn)插值結(jié)果，估算tP時(shí)刻的PM2.5數(shù)據(jù)；
[0035] 利用tm時(shí)刻的衛(wèi)星反演PM2.5數(shù)據(jù)Fm和地面站點(diǎn)插值PM2.5數(shù)據(jù)L m，以及tP時(shí)刻的 地面站點(diǎn)插值結(jié)果LP，來估算待修復(fù)時(shí)刻t P的高分辨率PM2.5數(shù)據(jù)FP。其表達(dá)式為：
[0036] Fp = f(Fm,Lm,Lp) (1)；
[0037] 其中，最簡(jiǎn)單的為：
[0038]
[0039]其中，LP、U分別表示時(shí)刻的地面站點(diǎn)插值結(jié)果，η指所選取參考時(shí)刻的個(gè)數(shù)， Fi表示第i時(shí)刻作為參考，即：可選擇多個(gè)參考時(shí)刻進(jìn)行修復(fù)再平均。此外，式（1)的關(guān)系可 視數(shù)據(jù)規(guī)律而做適應(yīng)性的改變。
[0040]步驟2.3:對(duì)于tP時(shí)刻PM2.5數(shù)據(jù)的未缺失區(qū)，構(gòu)建衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)和步驟2.2中的估 算數(shù)據(jù)的回歸關(guān)系;若未缺失區(qū)過小不足以構(gòu)建回歸關(guān)系，則直接利用步驟2.2中的結(jié)果填 補(bǔ)；
[0041 ]對(duì)于tP時(shí)刻PM2.5數(shù)據(jù)的未缺失區(qū)，構(gòu)建步驟2.2中的估算數(shù)據(jù)FP,U和衛(wèi)星反演數(shù) 據(jù)Fs,u的回歸關(guān)系，利用最小二乘估計(jì)得到其系數(shù)為a，b。
[0042]步驟2.4:利用步驟2.3中的線性回歸關(guān)系，校正步驟2.2中tP時(shí)刻的缺失區(qū)PM2.5 估算值，得到缺失區(qū)的最終修復(fù)結(jié)果。
[0043]對(duì)步驟2.2中tP時(shí)刻的缺失區(qū)PM2.5估算值FP,。進(jìn)行校正，其表達(dá)式為：
[0044] FP，,〇 = a+b · FP,〇 (3);
[0045] 其中，F(xiàn)'P,。表示校正后的估算值，即缺失區(qū)域最終的恢復(fù)結(jié)果。
[0046]本發(fā)明在衛(wèi)星反演得到PM2.5數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，考慮到多源數(shù)據(jù)時(shí)間變化的規(guī)律和聯(lián) 系，利用地面站點(diǎn)插值數(shù)據(jù)的時(shí)間趨勢(shì)，以參考時(shí)刻的完好數(shù)據(jù)為參考，對(duì)待修復(fù)時(shí)刻的缺 失信息進(jìn)行填補(bǔ)，從而獲得時(shí)間連續(xù)的PM2.5濃度數(shù)據(jù)。該方法能較準(zhǔn)確地恢復(fù)缺失的信 息，并具有較高的計(jì)算效率，易于投入實(shí)用。
[0047] 應(yīng)當(dāng)理解的是，本說明書未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。
[0048] 應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對(duì)較佳實(shí)施例的描述較為詳細(xì)，并不能因此而認(rèn)為是對(duì)本 發(fā)明專利保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權(quán) 利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā) 明的請(qǐng)求保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種結(jié)合衛(wèi)星和站點(diǎn)觀測(cè)反演時(shí)空連續(xù)PM2.5濃度的方法，其特征在于，包括W下步 驟： 步驟1:利用地面站點(diǎn)PM2.5數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值； 步驟2:對(duì)衛(wèi)星反演PM2.5數(shù)據(jù)中待恢復(fù)區(qū)域進(jìn)行恢復(fù)，其具體實(shí)現(xiàn)包括W下子步驟： 步驟2.1:對(duì)于待修復(fù)時(shí)刻tp的缺失PM2.5數(shù)據(jù)，尋找具有完好信息的tm時(shí)刻PM2.5數(shù)據(jù) 作為參考； 步驟2.2:利用U時(shí)刻的衛(wèi)星反演PM2.5數(shù)據(jù)和地面站點(diǎn)插值PM2.5數(shù)據(jù)，W及tp時(shí)刻的 地面站點(diǎn)插值結(jié)果，估算tp時(shí)刻的PM2.5數(shù)據(jù)； 步驟2.3:對(duì)于tp時(shí)刻PM2.5數(shù)據(jù)的未缺失區(qū)，構(gòu)建衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)和步驟2.2中的估算數(shù) 據(jù)的回歸關(guān)系;若未缺失區(qū)過小不足W構(gòu)建回歸關(guān)系，則直接利用步驟2.2中的結(jié)果填補(bǔ)； 步驟2.4:利用步驟2.3中的線性回歸關(guān)系，校正步驟2.2中tp時(shí)刻的缺失區(qū)PM2.5估算 值，得到缺失區(qū)的最終修復(fù)結(jié)果。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)合衛(wèi)星和站點(diǎn)觀測(cè)反演時(shí)空連續(xù)PM2.5濃度的方法，其特征 在于:步驟1中所述空間插值，采用的是地學(xué)插值法。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)合衛(wèi)星和站點(diǎn)觀測(cè)反演時(shí)空連續(xù)PM2.5濃度的方法，其特征 在于，步驟2中： 估算tp時(shí)刻的PM2.5數(shù)據(jù)Fp的公式為：, 其中，Lp、Li分別表示tp、t擁刻的地面站點(diǎn)插值結(jié)果，n指所選取參考時(shí)刻的個(gè)數(shù)，F(xiàn)i表 示ti時(shí)刻衛(wèi)星反演PM2.5數(shù)據(jù)； 對(duì)于tp時(shí)刻PM2.5數(shù)據(jù)的未缺失區(qū)，構(gòu)建步驟2.2中的估算數(shù)據(jù)Fp,u和衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)Fs,u 的回歸關(guān)系，利用最小二乘估計(jì)得到其系數(shù)為a，b; 對(duì)步驟2.2中tp時(shí)刻的缺失區(qū)PM2.5估算值Fp,。進(jìn)行校正，其表達(dá)式為： F'p,〇 = a+b ? Fp'o; 其中，F(xiàn) V。表示校正后的估算值，即缺失區(qū)域最終的恢復(fù)結(jié)果。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種結(jié)合衛(wèi)星和站點(diǎn)觀測(cè)反演時(shí)空連續(xù)PM2.5濃度的方法，首先對(duì)地面站點(diǎn)PM2.5數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，得到各個(gè)位置在時(shí)間上的變化規(guī)律；然后利用參考時(shí)刻的衛(wèi)星反演PM2.5數(shù)據(jù)，以及對(duì)應(yīng)時(shí)段的站點(diǎn)插值結(jié)果的變化趨勢(shì)，重建得到待修復(fù)時(shí)刻的估算值；最后構(gòu)建待修復(fù)時(shí)刻未缺失區(qū)和對(duì)應(yīng)位置的上述估算值的回歸關(guān)系，并基于此關(guān)系對(duì)缺失區(qū)的估算值進(jìn)行校正，得到最終的恢復(fù)值。本發(fā)明考慮到多源數(shù)據(jù)的時(shí)間變化規(guī)律與聯(lián)系，可重建得到時(shí)空連續(xù)的PM2.5濃度數(shù)據(jù)，并最大化地利用地面站點(diǎn)觀測(cè)。其準(zhǔn)確性高，計(jì)算效率快，易于實(shí)現(xiàn)且可擴(kuò)展性強(qiáng)，實(shí)用價(jià)值高。
【IPC分類】G06F19/00
【公開號(hào)】CN105512464
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510849327
【發(fā)明人】沈煥鋒, 李同文
【申請(qǐng)人】武漢大學(xué)
【公開日】2016年4月20日
【申請(qǐng)日】2015年11月26日