一種地表溫度-植被指數(shù)特征空間干濕限選擇的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種地表溫度-<u />植被指數(shù)特征空間干濕限選擇的方法及裝置，其中方法步驟包括：1、確定研究區(qū)大小，對衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、重采樣和剪切等預(yù)處理；2、剔除受云和地形差異影響的像元數(shù)據(jù)；3、利用余下的像元數(shù)據(jù)，構(gòu)建地表溫度-植被指數(shù)二維散點圖特征空間；4、對由步驟3得到的不同植被指數(shù)條件所對應(yīng)的最高地表溫度進(jìn)行采樣；5、通過閾值設(shè)定和迭代算法，線性擬合最高地表溫度和植被指數(shù)得到特征空間的干限；6、假定濕限溫度為一常數(shù)并且等于干限在全植被覆蓋處的溫度得到濕限溫度。采用上述方案，克服了目前地表溫度-植被指數(shù)特征空間干濕限選擇具有較強主觀隨意性、較大不確定性等問題。
【專利說明】一種地表溫度-植被指數(shù)特征空間干濕限選擇的方法及裝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于蒸散發(fā)或土壤水分遙感反演的【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種有效選擇地表溫度-植被指數(shù)特征空間干濕限的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]地表蒸散發(fā)和土壤水分是水循環(huán)的關(guān)鍵要素，決定了土壤-植被-大氣系統(tǒng)中的水、熱傳輸，其定量估算是評價陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、區(qū)域耗水、作物產(chǎn)量以及土地利用/土地規(guī)劃的基礎(chǔ)，更是全球或區(qū)域氣候變化研究的重要內(nèi)容?；谶b感可反演參數(shù)發(fā)展發(fā)展全遙感的蒸散發(fā)和土壤水分估算方法已成為定量遙感領(lǐng)域一個重要的研究方向。在土壤水分和植被覆蓋度全范圍變化條件下，由遙感地表溫度(或溫差，或歸一化地表溫度)-植被指數(shù)/反照率(NDV1、土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)(SAVI)、歸一化的NDV1、植被覆蓋度(Fr)和地表反照率)構(gòu)建的特征空間，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于土壤水分含量與區(qū)域蒸散發(fā)估算等方面的研究。
[0003]地表溫度-植被指數(shù)/反照率特征空間由兩個具有物理意義的邊界控制:逐漸下降的干限和近似水平的濕限。這兩條邊界分別代表不同植被指數(shù)情況下土壤水分和蒸發(fā)比的極限狀況(干限代表表層土壤沒有可利用的水分用于蒸散發(fā)；濕限代表地表具有充足的水分)。在基于地表溫度-植被指數(shù)/反照率特征空間進(jìn)行地表蒸散發(fā)和表層土壤水分遙感反演時，已有研究主要利用如下兩種方式開展特征空間干濕限的選擇:
[0004]通過模型操作者的經(jīng)驗人為選擇干濕限
[0005]由于模型操作者經(jīng)驗的差異，針對同一個地表溫度-植被指數(shù)/反照率特征空間，不同的操作者會得到不同的干濕限，給地表蒸散發(fā)/ 土壤水分的遙感反演帶來很大的不確定性。一般來說，這種干濕限選擇方法需要用戶具有豐富的模型操作和干濕限選擇經(jīng)驗。此外，該方法由于需要用戶逐一檢查地表溫度-植被指數(shù)/反照率二維散點圖，具有耗時長、實用性不強、不易業(yè)務(wù)化運行的缺點。
[0006]通過一般的線性回歸方法擬合干濕限的溫度與植被指數(shù)/反照率的關(guān)系
[0007]利用一般的線性回歸方法進(jìn)行干濕邊的選擇需要在不同的植被指數(shù)/反照率條件下采樣足夠多的最高和最低地表溫度，以使采樣數(shù)據(jù)具有代表性和統(tǒng)計性。為使利用線性回歸方法擬合的干濕限可靠，需要用于構(gòu)建特征空間的像元數(shù)據(jù)在不同的植被指數(shù)條件下均能達(dá)到表層相對土壤含水量為O和I的條件。如果某些采樣的最高和最低地表溫度對應(yīng)像元的相對含水量偏離O和I較遠(yuǎn)時，這些所謂的“假”干點和“假”濕點會顯著影響這種一般的線性回歸方法結(jié)果，使得最終選擇的干濕限嚴(yán)重偏離真實情況。簡言之，這種一般的線性擬合方法在特征空間干濕限選擇時具有易受“假”干點和“假”濕點影響的缺點。
[0008]此外，在干旱和半干旱地區(qū)，對于某一給定的植被指數(shù)，衛(wèi)星遙感傳感器更容易探測到具有較低土壤含水量、較高地表溫度的像元。對于這些地區(qū)，從衛(wèi)星遙感傳感器觀測到的干限像元可以代表表層土壤含水量為O的真實干限，而由于土壤含水量的虧缺，觀測濕限的地表溫度可能會比真實濕限(對應(yīng)于水分充分條件)的地表溫度要高。雖然水體或全植被覆蓋的表面溫度可以假定為濕限溫度，但在很多地區(qū)(如干旱和半干旱地區(qū))，這兩類地表類型很難從遙感傳感器識別到，甚至可能是不存在的因而需要一個實用的可以自動選擇干限和濕限的算法進(jìn)行特征空間內(nèi)的干濕限的確定，以便實現(xiàn)區(qū)域蒸散發(fā)和表層相對土壤含水量的遙感反演。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種植被指數(shù)特征空間干濕限選擇的方法及裝置。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0011]一種地表溫度-植被指數(shù)特征空間干濕限選擇的方法，其中，包括以下步驟:
[0012]步驟1:確定研究區(qū)大小和像元的空間分辨率大小，初步構(gòu)建地表溫度-植被指數(shù)特征空間的輸入數(shù)據(jù)集；
[0013]步驟2:通過質(zhì)量控制，剔除受云污染的像元數(shù)據(jù)，并通過數(shù)字高程模型與高程閾值的設(shè)定，進(jìn)一步剔除與感興趣區(qū)像元高程差異較大的像元數(shù)據(jù)，并將余下的像元數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理；
[0014]步驟3:余下的像元數(shù)據(jù)，以植被指數(shù)為橫坐標(biāo)、地表溫度為縱坐標(biāo)，構(gòu)建植被指數(shù)二維散點圖特征空間；
[0015]步驟4:進(jìn)行植被指數(shù)二維散點圖特征空間的干濕限選擇。
[0016]所述的干濕限選擇的方法，其中，所述步驟I中，所述確定研究區(qū)大小為滿足表層相對土壤含水量和植被覆蓋度均具有全范圍變化的條件；所述像元空間分辨率與地表溫度的空間分辨率相同。
[0017]所述的干濕限選擇的方法，其中，所述步驟3中，所述構(gòu)建植被指數(shù)二維散點圖特征空間由分別代表表層相對土壤含水量為O和I的干限和濕限控制。
[0018]所述的干濕限選擇的方法，其中，所述步驟4的具體步驟為:對地表溫度-植被指數(shù)二維散點圖特征空間的“假”干點數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。
[0019]所述的干濕限選擇的方法，其特征在于，所述進(jìn)行剔除的具體步驟為:
[0020]步驟4011:將地表溫度-植被指數(shù)二維散點圖特征空間內(nèi)的植被指數(shù)VI平均劃分為M個區(qū)間，M個區(qū)間對應(yīng)M個植被指數(shù)，然后對每一個植被指數(shù)區(qū)間再劃分為N個子區(qū)間；
[0021]步驟4012:從第一個區(qū)間開始到最后一個區(qū)間結(jié)束，通過迭代算法，獲得所有M個區(qū)間內(nèi)的最大地表溫度；
[0022]步驟4013:線性擬合經(jīng)過步驟4012所保存的M個植被指數(shù)與相應(yīng)的M個區(qū)間內(nèi)的最大地表溫度；
[0023]步驟4014:利用由步驟4013所得線性方程估算在各個植被指數(shù)區(qū)間內(nèi)的最大地表溫度Tp，并計算最大地表溫度實際值與估算值之間的均方根誤差RMSD ；
[0024]步驟4015:如果某一或多個植被指數(shù)區(qū)間內(nèi)的最大地表溫度小于相應(yīng)的最大地表溫度Tp與2倍的RMSD之差，則舍棄該一個或多個植被指數(shù)區(qū)間，進(jìn)入步驟4016 ;否則，迭代結(jié)束，進(jìn)入步驟4019;[0025]步驟4016:重新線性擬合經(jīng)過步驟4015所剩余的植被指數(shù)與相應(yīng)的最大地表溫度；
[0026]步驟4017:重新利用由步驟4016所得線性方程估算在各個植被指數(shù)區(qū)間內(nèi)的最大地表溫度Tp，并計算最大地表溫度實際值與估算值之間的均方根誤差RMSD ；
[0027]步驟4018:回到步驟4015 ;
[0028]步驟4019:通過上述迭代步驟，得到以下的干限線性回歸方程，公式一:
[0029]Tmax = a+bVI
[0030]其中，VI為植被指數(shù)，Tmax為不同植被指數(shù)條件下的干限溫度，a為截距，b為斜率；
[0031]步驟4020:根據(jù)由步驟4019得到的線性回歸方程，在不同的植被指數(shù)條件下，分別得到相應(yīng)的地表溫度，即為干限溫度；
[0032]步驟4021:假定濕限溫度為一常數(shù)并且等于干限在全植被覆蓋處的溫度，即濕限溫度為a+bVImax，其中VImax為全植被覆蓋時的植被指數(shù)。
[0033]所述的干濕限選擇的方法，其中，所述步驟4011中，所述區(qū)間M≤ 20 ;所述子區(qū)間N≥5
[0034]所述的干濕限選擇的方法，其中，所述步驟4012的具體步驟為:
[0035]a)對于一個給定的植被指數(shù)區(qū)間m，尋找并保存該區(qū)間內(nèi)所有子區(qū)間的最大地表溫度，并分別計為Th，Tm,2，…，Tffl,N ;所述植被指數(shù)區(qū)間m小于等于區(qū)間個數(shù)M ;
[0036]b)計算植被指數(shù)區(qū)間m內(nèi)所有子區(qū)間最大地表溫度的平均值Tav?,m和標(biāo)準(zhǔn)偏差σ m作為初始狀態(tài)估計，如下公式二及公式三:
[0037]
【權(quán)利要求】
1.一種地表溫度-植被指數(shù)特征空間干濕限選擇的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:確定研究區(qū)大小和像元的空間分辨率大小，初步構(gòu)建地表溫度-植被指數(shù)特征空間的輸入數(shù)據(jù)集； 步驟2:通過質(zhì)量控制，剔除受云污染的像元數(shù)據(jù)，并通過數(shù)字高程模型與高程閾值的設(shè)定，進(jìn)一步剔除與感興趣區(qū)像元高程差異較大的像元數(shù)據(jù)，并將余下的像元數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理； 步驟3:余下的像元數(shù)據(jù)，以植被指數(shù)為橫坐標(biāo)、地表溫度為縱坐標(biāo)，構(gòu)建植被指數(shù)二維散點圖特征空間； 步驟4:進(jìn)行植被指數(shù)二維散點圖特征空間的干濕限選擇。
2.如權(quán)利要求1所述的干濕限選擇的方法，其特征在于，所述步驟I中，所述確定研究區(qū)大小為滿足表層相對土壤含水量和植被覆蓋度均具有全范圍變化的條件；所述像元空間分辨率與地表溫度的空間分辨率相同。
3.如權(quán)利要求1所述的干濕限選擇的方法，其特征在于，所述步驟3中，所述構(gòu)建地表溫度-植被指數(shù)二維散點圖特征空間由分別代表表層相對土壤含水量為O和I的干限和濕限控制。
4.如權(quán)利要求1所述的干濕限選擇的方法，其特征在于，所述步驟4的具體步驟為:對地表溫度-植被指數(shù)二維散點圖特征空間的“假”干點數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。
5.如權(quán)利要求4所述的干濕限選擇的方法，其特征在于，所述進(jìn)行剔除的具體步驟為: 步驟4011:將地表溫度-植被指數(shù)二維散點圖特征空間內(nèi)的植被指數(shù)VI平均劃分為M個區(qū)間，M個區(qū)間對應(yīng)M個植被指數(shù)，然后對每一個植被指數(shù)區(qū)間再劃分為N個子區(qū)間；步驟4012:從第一個區(qū)間開始到最后一個區(qū)間結(jié)束，通過迭代算法，獲得所有M個區(qū)間內(nèi)的最大地表溫度； 步驟4013:線性擬合經(jīng)過步驟4012所保存的M個植被指數(shù)與相應(yīng)的M個區(qū)間內(nèi)的最大地表溫度； 步驟4014:利用由步驟4013所得線性方程估算在各個植被指數(shù)區(qū)間內(nèi)的最大地表溫度Tp，并計算最大地表溫度實際值與估算值之間的均方根誤差RMSD ； 步驟4015:如果某一或多個植被指數(shù)區(qū)間內(nèi)的最大地表溫度小于相應(yīng)的最大地表溫度Tp與2倍的RMSD之差，則舍棄該一個或多個植被指數(shù)區(qū)間，進(jìn)入步驟4016 ;否則，迭代結(jié)束，進(jìn)入步驟4019 ； 步驟4016:重新線性擬合經(jīng)過步驟4015所剩余的植被指數(shù)與相應(yīng)的最大地表溫度；步驟4017:重新利用由步驟4016所得線性方程估算在各個植被指數(shù)區(qū)間內(nèi)的最大地表溫度Τρ，并計算最大地表溫度實際值與估算值之間的均方根誤差RMSD ； 步驟4018:回到步驟4015 ； 步驟4019:通過上述迭代步驟，得到以下的干限線性回歸方程，公式一:
Tmax = a+bVI 其中，VI為植被指數(shù)，Tfflax為不同植被指數(shù)條件下的干限溫度，a為截距，b為斜率；步驟4020:根據(jù)由步驟4019得到的線性回歸方程，在不同的植被指數(shù)條件下，分別得到相應(yīng)的地表溫度，即為干限溫度； 步驟4021:假定濕限溫度為一常數(shù)并且等于干限在全植被覆蓋處的溫度，即濕限溫度為a+bVImax，其中VImax為全植被覆蓋時的植被指數(shù)。
6.如權(quán)利要求5所述的干濕限選擇的方法，其特征在于，所述步驟4011中，所述區(qū)間 20 ;所述子區(qū)間N≥5。
7.如權(quán)利要求5所述的干濕限選擇的方法，其特征在于，所述步驟4012的具體步驟為: a)對于一個給定的植被指數(shù)區(qū)間m，尋找并保存該區(qū)間內(nèi)所有子區(qū)間的最大地表溫度，并分別計為Tn^ Tm,2，…，Tffl,N ;所述植被指數(shù)區(qū)間m小于等于區(qū)間個數(shù)M ; b)計算植被指數(shù)區(qū)間m內(nèi)所有子區(qū)間最大地表溫度的平均值Tav?,m和標(biāo)準(zhǔn)偏差0111作為初始狀態(tài)估計，如下公式二及公式三:
8.如權(quán)利要求7所述的干濕限選擇的方法，其特征在于，所述步驟a)中所述區(qū)間m≤M，其中M為區(qū)間個數(shù)。
9.如權(quán)利要求5所述的干濕限選擇的方法，其特征在于，所述步驟4013、 步驟4016中，所述最大地表溫度Tp為因變量，所述植被指數(shù)為自變量。
10.一種包括如權(quán)利要求1所述干濕限選擇的方法的裝置，其特征在于，包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備模塊、剔除模塊、構(gòu)建特征空間模塊及干濕限選擇模塊相互連接及相互通訊；所述數(shù)據(jù)準(zhǔn)備模塊，用于在確定研究區(qū)大小和像元空間分辨率大小以后準(zhǔn)備構(gòu)建地表溫度-植被指數(shù)特征空間的輸入數(shù)據(jù)集；所述剔除模塊，用于通過質(zhì)量控制，剔除受云污染的像元數(shù)據(jù)，并通過數(shù)字高程模型與高程閾值的設(shè)定，進(jìn)一步剔除與感興趣區(qū)像元高程差異較大的像元數(shù)據(jù)，并將余下的像元數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理；所述構(gòu)建特征空間模塊，用于將余下的像元數(shù)據(jù)，以植被指數(shù)為橫坐標(biāo)、地表溫度為縱坐標(biāo)，構(gòu)建地表溫度-植被指數(shù)二維散點圖特征空間；所述干濕限選擇模塊，用于進(jìn)行地表溫度-植被指數(shù)二維散點圖特征空間的干濕限選擇。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述構(gòu)建模塊中，所述確定研究區(qū)大小為滿足表層相對土壤含水量和植被覆蓋度均具有全范圍變化的條件；所述像元空間分辨率與地表溫度的空間分辨率相同；所述構(gòu)建特征空間模塊中，所述構(gòu)建的地表溫度-植被指數(shù)二維散點圖特征空間由分別代表表層相對土壤含水量為O和I的干限和濕限控制。
12.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述干濕限選擇模塊進(jìn)行干濕限選擇的具體步驟為:對地表溫度-植被指數(shù)二維散點圖特征空間的“假”干點數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述進(jìn)行剔除的具體步驟為: 步驟4011:將地表溫度-植被指數(shù)二維散點圖特征空間內(nèi)的植被指數(shù)VI平均劃分為M個區(qū)間，M個區(qū)間對應(yīng)M個植被指數(shù)，然后對每一個植被指數(shù)區(qū)間再劃分為N個子區(qū)間；步驟4012:從第一個區(qū)間開始到最后一個區(qū)間結(jié)束，通過迭代算法，獲得所有M個區(qū)間內(nèi)的最大地表溫度； 步驟4013:線性擬合經(jīng)過步驟4012所保存的M個植被指數(shù)與相應(yīng)的M個區(qū)間內(nèi)的最大地表溫度； 步驟4014:利用由步驟4013所得線性方程估算在各個植被指數(shù)區(qū)間內(nèi)的最大地表溫度Tp，并計算最大地表溫度實際值與估算值之間的均方根誤差RMSD ； 步驟4015:如果某一或多個植被指數(shù)區(qū)間內(nèi)的最大地表溫度小于相應(yīng)的最大地表溫度Tp與2倍的RMSD之差，則舍棄該一個或多個植被指數(shù)區(qū)間，進(jìn)入步驟4016 ;否則，迭代結(jié)束，進(jìn)入步驟4019 ； 步驟4016:重新線性擬合經(jīng)過步驟4015所剩余的植被指數(shù)與相應(yīng)的最大地表溫度；步驟4017:重新利用由步驟4016所得線性方程估算在各個植被指數(shù)區(qū)間內(nèi)的最大地表溫度Τρ，并計算最大地表溫度實際值與估算值之間的均方根誤差RMSD ； 步驟4018:回到步驟4015 ； 步驟4019:通過上述迭代步驟，得到以下的干限線性回歸方程，公式一:
Tmax = a +bVi 其中，VI為植被指數(shù)，Tfflax為不同植被指數(shù)條件下的干限溫度，a為截距，b為斜率；步驟4020:根據(jù)由步驟4019得到的線性回歸方程，在不同的植被指數(shù)條件下，分別得到相應(yīng)的地表溫度，即為干限溫度； 步驟4021:假定濕限溫度為一常數(shù)并且等于干限在全植被覆蓋處的溫度，即濕限溫度為a+bVImax，其中VImax為全植被覆蓋時的植被指數(shù)； 所述步驟4011中，所述區(qū)間M < 20 ;所述子區(qū)間N≥5 ; 所述步驟4012的具體步驟為: a)對于一個給定的植被指數(shù)區(qū)間m，尋找并保存該區(qū)間內(nèi)所有子區(qū)間的最大地表溫度，并分別計為Tn^ Tm,2，…，Tffl,N ;所述植被指數(shù)區(qū)間m小于等于區(qū)間個數(shù)M ; b)計算植被指數(shù)區(qū)間m內(nèi)所有子區(qū)間最大地表溫度的平均值Tav?,m和標(biāo)準(zhǔn)偏差0111作為初始狀態(tài)估計，如下公式二及公式三:
【文檔編號】G06F19/00GK103793596SQ201410014678
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月14日
【發(fā)明者】唐榮林, 李召良, 唐伯惠, 吳驊 申請人:中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所