專利名稱：草原雪災遙感監(jiān)測與災情評估系統(tǒng)及方法
草原雪災遙感監(jiān)測與災情評估系統(tǒng)及方法技術領域
^"RW^RM^ MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectrometer 中^!爭 率成像光譜儀)和 AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS 地球觀測系 統(tǒng)-高級微波掃描輻射計)LlB數(shù)據(jù)進行草原雪災遙感監(jiān)測與災情評估的技術，特別是涉及 利用MODIS和AMSR-E LlB數(shù)據(jù)融合對草原進行全天候積雪遙感監(jiān)測與災情評估的系統(tǒng)及 其方法。
背景技術：
中國草原面積占國土總面積的40 %左右，約4億hm2，其中90 %以上又集中分布 在新疆、內蒙古、西藏和青海四省區(qū)，這些地區(qū)緯度高、海拔高，氣候寒冷、干燥，自然災害 頻繁，其中尤以雪災對牲畜越冬危害最重，每次雪災發(fā)生，奪去牲畜輕則幾十萬頭，重則幾 百萬頭。長期以來，雪災對我國草原地區(qū)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展造成了極其嚴重的危 害。鑒于草原雪災對我國草原畜牧業(yè)發(fā)展的嚴重影響，有必要全面、快速地監(jiān)測雪災成災區(qū) 域、準確評估雪災對草原地區(qū)造成的影響，以便最大限度地減少雪災造成的損失。
目前基于遙感的方法進行草原雪災的監(jiān)測與災情評估，主要包括積雪識別、積雪 深度反演、草群高度反演、雪災等級評估等方法。
積雪識別可分為光學傳感器積雪識別和被動微波傳感器積雪識別。對于光學傳 感器數(shù)據(jù)積雪識別，一般采用歸一化差分積雪指數(shù)(Normalized DifferenceSnow Index, NDSI)算法，并結合多閾值的決策樹方法。這種方法主要是依據(jù)積雪在可見光范圍內較高 的反射率、在中紅外區(qū)極低的反射率這種特征，采用比值和差值的積雪指數(shù)形式來識別積 雪，參照現(xiàn)有技術文獻 1 (Dorothy K. HalliGeorge A. Riggs and Vincent V. Salomonsont. Development of Methods forMapping Global Snow Cover Using Moderate Resolution ImagingSpectroradiometer Data. Remote Sensing of Environment，1995，54 :127-140.)。 對于被動微波傳感器積雪識別，一般采用多通道亮溫差值法、多閾值決策樹法等。這種 方法的依據(jù)是積雪對不同頻率的微波輻射能量散射與吸收的不同。由于積雪顆粒對高 頻能量的散射能力更強，這樣造成低頻與高頻通道的亮溫差為正值，參照現(xiàn)有技術文獻 2 (Norman C. Grody, Alan N. Basist. GlobalIdentification of Snowcover Using SSM/ I Measurements. IEEE Transactions onGeoscience and Remote Sensing，1996，34 (1) 237-249.)。以上兩種方法各有各的優(yōu)點，光學傳感器數(shù)據(jù)空間分辨率較高，同時識別精度 也較高，但其受天氣(主要是云)的影響比較嚴重；被動微波傳感器數(shù)據(jù)積雪識別精度比較 低，但其具有全天候工作的能力。
對于積雪深度遙感反演，目前采用的方法可分為物理模型法和統(tǒng)計模型法。物理 模型法是以理論為基礎，研究微波在積雪中的傳播規(guī)律，進而得到觀測亮溫與積雪參數(shù)之 間的關系。而統(tǒng)計模型法通常使用多波段亮溫觀測值與實測積雪深度值，采用統(tǒng)計模式來 求出最佳的反演因子。這種方法主要用于在不了解積雪物理特征的情況下，直接建立輻射 亮溫與積雪深度之間的經(jīng)驗模型。物理模型法估算積雪深度精度較高，但是其模型復雜，同時模型中需要輸入很多已知的積雪參數(shù)，因此在實際應用中，更多地使用相對簡單的統(tǒng) 計模型方法，這里尤以雙通道差值法應用最為廣泛，參照現(xiàn)有技術文獻3 (Α. T. C Chang, J. LFoster and D. K Hall. Nimbus 7SMMR derived global snow cover patterns. Annalsof Glaciology，1987,9 :39-44.)。
對于草群高度的遙感估算，目前主要使用的方法是基輻射傳輸模型的單通道算 法和基于植被指數(shù)模型的統(tǒng)計算法。單通道算法通過觀測不同草群高度下的二向性反射 分布函數(shù)(Bi-directional Reflectance Distribution Function, BRDF),進而通過使 用輻射傳輸模型，模擬可見光、近紅外通道反射率與BRDF、以及草群高度之間的關系，最 后建立估算模型，參照非現(xiàn)有技術文獻4(K0NDA ASAKO, ΥΑΜΑΜ0Τ0 HIROKAZU，KAJIWARA KOJI, H0NDAY0SHIAKI. A Study on Estimation of Grass Height based on BRDF Model usingSatellite Data. Journal of the Japan Society of Photogrammetry and RemoteSensing,2001,40 (6) :15-24.)。使用這種方法時，由于需要實測的BRDF，因此在實 際應用中會受到限制。當采用植被指數(shù)模型算法時，這相對簡單，這時需要針對不同的草地 類型、草群生長期建立模型。
對于草原雪災災情等級評估，目前主要是基于層次分析法，使用最大積雪深度、最 低氣溫、降雪時間、積雪日數(shù)、低于多年月平均氣溫的延續(xù)天數(shù)以及降雪過程的降水總量等 相關因子，并綜合考慮雪情、草情、畜情和氣象等多方面的因子，進而構建草原雪災等級以 及災情評價指標體系。現(xiàn)有技術依據(jù)上述指標，提出了牧區(qū)雪災等級國家標準，參照國家標 準文獻1 (國家標準文獻1 :GB/T 20482-2006，牧區(qū)雪災等級)。發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題在于提供一種草原雪災遙感監(jiān)測與災情評估系統(tǒng)及 方法，用于對草原積雪情況進行全天候動態(tài)監(jiān)測，并能夠根據(jù)草原雪災等級做出預警。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種草原雪災遙感監(jiān)測與災情評估系統(tǒng)，其特 征在于，包括
預處理模塊，用于讀取并處理MODIS LlB數(shù)據(jù)、AMSR-E LlB數(shù)據(jù)，得到MODIS反射 率、MODIS亮度溫度數(shù)據(jù)、AMSR-E亮度溫度數(shù)據(jù)；
積雪區(qū)域融合模塊，連接所述預處理模塊，用于根據(jù)所述MODIS反射率、所述 MODIS亮度溫度數(shù)據(jù)進行MODIS積雪像元識別，根據(jù)所述AMSR-E亮度溫度數(shù)據(jù)進行AMSR-E 積雪像元識別，并對得到的識別結果進行數(shù)據(jù)融合處理，得到單日積雪區(qū)域；
積雪深度估算模塊，連接所述預處理模塊，用于根據(jù)所述AMSR-E亮度溫度數(shù)據(jù)進 行AMSR-E積雪深度估算，得到單日積雪深度；
積雪覆蓋率估算模塊，連接所述預處理模塊，用于根據(jù)所述MODIS反射率、所述 MODIS亮度溫度數(shù)據(jù)進行MODIS積雪覆蓋率估算，得到單日積雪覆蓋率；
草群高度估算模塊，連接所述預處理模塊，用于根據(jù)所述MODIS反射率、所述 MODIS亮度溫度數(shù)據(jù)進行MODIS草群高度估算，得到單日草群高度；
積雪合成模塊，連接所述積雪區(qū)域融合模塊、所述積雪深度估算模塊、所述積雪覆 蓋率估算模塊、所述草群高度估算模塊，用于根據(jù)所述單日積雪區(qū)域、所述單日積雪覆蓋 率、所述單日積雪深度、所述單日草群高度，對多日的總積雪區(qū)域、總積雪覆蓋率、積雪深度、草群高度進行統(tǒng)計合成，得到積雪持續(xù)日數(shù)、平均積雪覆蓋率、平均積雪深度、平均草群 高度；
雪災等級評價模塊，連接所述積雪合成模塊，用于根據(jù)所述積雪持續(xù)日數(shù)、所述平 均積雪覆蓋率、所述平均積雪深度、所述平均草群高度，對草原區(qū)域的雪災等級進行評價。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了應用上述系統(tǒng)的草原雪災遙感監(jiān)測與災情評 估方法，其特征在于，包括
數(shù)據(jù)預處理步驟，讀取并處理MODIS LlB數(shù)據(jù)、AMSR-E LlB數(shù)據(jù)，得到MODIS反射 率、MODIS亮度溫度數(shù)據(jù)、AMSR-E亮度溫度數(shù)據(jù)；
積雪區(qū)域融合步驟，根據(jù)所述MODIS反射率、所述MODIS亮度溫度數(shù)據(jù)進行MODIS 積雪像元識別，根據(jù)所述AMSR-E亮度溫度數(shù)據(jù)進行AMSR-E積雪像元識別，并對得到的識別 結果進行數(shù)據(jù)融合處理，得到單日積雪區(qū)域；
積雪深度估算步驟，根據(jù)所述AMSR-E亮度溫度數(shù)據(jù)進行AMSR-E積雪深度估算，得 到單日積雪深度；
積雪覆蓋率估算步驟，根據(jù)所述MODIS反射率、所述MODIS亮度溫度數(shù)據(jù)進行 MODIS積雪覆蓋率估算，得到單日積雪覆蓋率；
草群高度估算步驟，根據(jù)所述MODIS反射率、所述MODIS亮度溫度數(shù)據(jù)進行MODIS草群高度估算，得到單日草群高度；
積雪合成步驟，根據(jù)所述單日積雪區(qū)域、所述單日積雪覆蓋率、所述單日積雪深 度、所述單日草群高度，對多日的積雪區(qū)域、積雪覆蓋率、積雪深度、草群高度進行統(tǒng)計合 成，得到積雪持續(xù)日數(shù)、平均積雪覆蓋率、平均積雪深度、平均草群高度；
雪災等級評價步驟，根據(jù)所述積雪持續(xù)日數(shù)、所述平均積雪覆蓋率、所述平均積雪 深度、所述平均草群高度，對草原區(qū)域的雪災等級進行評價。
所述的草原雪災遙感監(jiān)測與災情評估方法，其中，所述預處理步驟中，進一步包 括
以如下公式得到所述MODIS反射率
R = scale(Si-offset)
式中，R為MODIS反射率，scale，offset為比例系數(shù)，可從HDF屬性數(shù)據(jù)中獲得， SI為MODIS LlB數(shù)據(jù)中單個像元的灰度值；
以如下公式得到所述MODIS亮度溫度數(shù)據(jù)
權利要求
1.一種草原雪災遙感監(jiān)測與災情評估系統(tǒng)，其特征在于，包括預處理模塊，用于讀取并處理MODIS LlB數(shù)據(jù)、AMSR-E LlB數(shù)據(jù)，得到MODIS反射率、 MODIS亮度溫度數(shù)據(jù)、AMSR-E亮度溫度數(shù)據(jù)；積雪區(qū)域融合模塊，連接所述預處理模塊，用于根據(jù)所述MODIS反射率、所述MODIS亮 度溫度數(shù)據(jù)進行MODIS積雪像元識別，根據(jù)所述AMSR-E亮度溫度數(shù)據(jù)進行AMSR-E積雪像 元識別，并對得到的識別結果進行數(shù)據(jù)融合處理，得到單日積雪區(qū)域；積雪深度估算模塊，連接所述預處理模塊，用于根據(jù)所述AMSR-E亮度溫度數(shù)據(jù)進行 AMSR-E積雪深度估算，得到單日積雪深度；積雪覆蓋率估算模塊，連接所述預處理模塊，用于根據(jù)所述MODIS反射率、所述MODIS 亮度溫度數(shù)據(jù)進行MODIS積雪覆蓋率估算，得到單日積雪覆蓋率；草群高度估算模塊，連接所述預處理模塊，用于根據(jù)所述MODIS反射率、所述MODIS亮 度溫度數(shù)據(jù)進行MODIS草群高度估算，得到單日草群高度；積雪合成模塊，連接所述積雪區(qū)域融合模塊、所述積雪深度估算模塊、所述積雪覆蓋率 估算模塊、所述草群高度估算模塊，用于根據(jù)所述單日積雪區(qū)域、所述單日積雪覆蓋率、所 述單日積雪深度、所述單日草群高度，對多日的積雪區(qū)域、積雪覆蓋率、積雪深度、草群高度 進行統(tǒng)計合成，得到積雪持續(xù)日數(shù)、平均積雪覆蓋率、平均積雪深度、平均草群高度；雪災等級評價模塊，連接所述積雪合成模塊，用于根據(jù)所述積雪持續(xù)日數(shù)、所述平均積 雪覆蓋率、所述平均積雪深度、所述平均草群高度，對草原區(qū)域的雪災等級進行評價。
2.根據(jù)權利要求1所述的草原雪災遙感監(jiān)測與災情評估系統(tǒng)，其特征在于，所述預處 理模塊以如下公式得到所述MODIS反射率
3.根據(jù)權利要求2所述的草原雪災遙感監(jiān)測與災情評估系統(tǒng)，其特征在于，所述積雪 區(qū)域融合模塊進一步包括MODIS云識別模塊，用于根據(jù)所述MODIS反射率、所述MODIS亮度溫度數(shù)據(jù)進行云識別， 區(qū)分無云、有云區(qū)域MODIS LIB數(shù)據(jù)；MODIS積雪像元識別模塊，連接所述MODIS云識別模塊，用于根據(jù)所述無云區(qū)域MODISLlB數(shù)據(jù)進行MODIS積雪像元識別，得到MODIS識別積雪區(qū)域；AMSR-E積雪像元識別模塊，用于根據(jù)所述AMSR-E亮度溫度數(shù)據(jù)進行AMSR-E積雪像元 識別，得到AMSR-E識別積雪區(qū)域；數(shù)據(jù)融合模塊，連接所述MODIS積雪像元識別模塊、所述AMSR-E積雪像元識別模塊，用 于對所述MODIS識別積雪區(qū)域、所述AMSR-E識別積雪區(qū)域進行多源數(shù)據(jù)融合，得到所述單 日積雪區(qū)域。
4.根據(jù)權利要求3所述的草原雪災遙感監(jiān)測與災情評估系統(tǒng)，其特征在于，所述MODIS 云識別模塊通過判斷所述MODIS LlB數(shù)據(jù)中每個像元是否滿足云識別條件獲取所述無云區(qū) 域MODIS LlB數(shù)據(jù)，云識別條件的表達式為
5.根據(jù)權利要求1或2所述的草原雪災遙感監(jiān)測與災情評估系統(tǒng)，其特征在于，所述積 雪深度估算模塊進一步包括AMSR-E積雪像元識別模塊，用于根據(jù)所述AMSR-E亮度溫度數(shù)據(jù)進行AMSR-E積雪像元 識別，得到AMSR-E識別積雪區(qū)域；積雪深度計算模塊，連接所述AMSR-E積雪像元識別模塊，用于根據(jù)所述AMSR-E識別積 雪區(qū)域進行AMSR-E積雪深度計算，得到所述單日積雪深度。
6.根據(jù)權利要求5所述的草原雪災遙感監(jiān)測與災情評估系統(tǒng)，其特征在于，所述積雪 深度計算模塊通過構建積雪深度反演模型得到所述單日積雪深度，該積雪深度反演模型的 表達式為
7.根據(jù)權利要求2、3、4、5或6所述的草原雪災遙感監(jiān)測與災情評估系統(tǒng)，其特征在于， 所述積雪覆蓋率估算模塊進一步包括MODIS云識別模塊，用于根據(jù)所述MODIS反射率、所述MODIS亮度溫度數(shù)據(jù)進行云識別， 區(qū)分無云、有云區(qū)域MODIS LIB數(shù)據(jù)；積雪覆蓋率計算模塊，連接所述MODIS云識別模塊，用于根據(jù)無云區(qū)域MODIS LlB數(shù)據(jù) 進行MODIS積雪覆蓋率計算，得到所述單日積雪覆蓋率。
8.根據(jù)權利要求7所述的草原雪災遙感監(jiān)測與災情評估系統(tǒng)，其特征在于，所述積雪 覆蓋率計算模塊通過構建以NDSI為變量的多項式擬合模型得到所述單日積雪覆蓋率，該 多項式擬合模型的表達式為SF = aXNDSI+b 或 SF = cXNDSI2+dXNDSI+e式中，SF為單日積雪覆蓋率，a、b系數(shù)的取值分別為1. 21和0. 06，c、d、e系數(shù)取值分 別為 0. 26,0. 37 和 0. 18。
9.根據(jù)權利要求2、3、4、6或8所述的草原雪災遙感監(jiān)測與災情評估系統(tǒng)，其特征在于， 所述草群高度估算模塊進一步包括MODIS云識別模塊，用于根據(jù)所述MODIS反射率、所述MODIS亮度溫度數(shù)據(jù)進行云識別， 獲取無云區(qū)域MODIS LlB數(shù)據(jù)；草群高度計算模塊，連接所述MODIS云識別模塊，用于根據(jù)所述無云區(qū)域MODIS LlB數(shù) 據(jù)進行MODIS草群高度計算，得到所述單日草群高度。
10.根據(jù)權利要求9所述的草原雪災遙感監(jiān)測與災情評估系統(tǒng)，其特征在于，所述草群 高度計算模塊通過NDVI統(tǒng)計模型法得到所述單日草群高度，NDVI統(tǒng)計模型的表達式為如 下任一種
11.一種草原雪災遙感監(jiān)測與災情評估方法，應用于上述權利要求1 10中任一項所 述的系統(tǒng)，其特征在于，包括數(shù)據(jù)預處理步驟，讀取并處理MODIS LlB數(shù)據(jù)、AMSR-E LlB數(shù)據(jù)，得到MODIS反射率、 MODIS亮度溫度數(shù)據(jù)、AMSR-E亮度溫度數(shù)據(jù)；積雪區(qū)域融合步驟，根據(jù)所述MODIS反射率、所述MODIS亮度溫度數(shù)據(jù)進行MODIS積雪 像元識別，根據(jù)所述AMSR-E亮度溫度數(shù)據(jù)進行AMSR-E積雪像元識別，并對得到的識別結果 進行數(shù)據(jù)融合處理，得到單日積雪區(qū)域；積雪深度估算步驟，根據(jù)所述AMSR-E亮度溫度數(shù)據(jù)進行AMSR-E積雪深度估算，得到單 日積雪深度；積雪覆蓋率估算步驟，根據(jù)所述MODIS反射率、所述MODIS亮度溫度數(shù)據(jù)進行MODIS積 雪覆蓋率估算，得到單日積雪覆蓋率；草群高度估算步驟，根據(jù)所述MODIS反射率、所述MODIS亮度溫度數(shù)據(jù)進行MODIS草群 高度估算，得到單日草群高度；積雪合成步驟，根據(jù)所述單日積雪區(qū)域、所述單日積雪覆蓋率、所述單日積雪深度、所 述單日草群高度，對多日的積雪區(qū)域、積雪覆蓋率、積雪深度、草群高度進行統(tǒng)計合成，得到 積雪持續(xù)日數(shù)、平均積雪覆蓋率、平均積雪深度、平均草群高度；雪災等級評價步驟，根據(jù)所述積雪持續(xù)日數(shù)、所述平均積雪覆蓋率、所述平均積雪深 度、所述平均草群高度，對草原區(qū)域的雪災等級進行評價。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種草原雪災遙感監(jiān)測與災情評估系統(tǒng)及方法，其中該系統(tǒng)包括預處理模塊，用于讀取并處理MODIS L1B數(shù)據(jù)、AMSR-E L1B數(shù)據(jù)，得到預處理結果；積雪區(qū)域融合模塊，用于根據(jù)預處理結果進行數(shù)據(jù)融合處理，得到單日總積雪區(qū)域；積雪深度估算模塊，用于得到單日積雪深度；積雪覆蓋率估算模塊，用于得到單日總積雪覆蓋率；草群高度估算模塊，用于得到單日草群高度；積雪合成模塊，用于得到積雪持續(xù)日數(shù)、平均積雪覆蓋率、平均積雪深度、平均草群高度；雪災等級評價模塊，用于對雪災等級進行評價。本發(fā)明能夠對草原積雪情況進行全天候動態(tài)監(jiān)測，并能夠根據(jù)草原雪災等級做出預警。
文檔編號G01S7/48GK102034337SQ20091009397
公開日2011年4月27日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權日2009年9月25日
發(fā)明者徐斌, 曹云剛, 朱曉華, 楊秀春, 王道龍 申請人:中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所