面向遙感模型的地表信息空間采樣方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種面向遙感模型的地表空間采樣方法。遙感模型反演過程中提供地表數(shù)據(jù)支持的空間采樣方法具有采樣效率低、采樣精度差的問題。本發(fā)明的采樣方法具體過程如下，步驟一：獲取研究區(qū)內(nèi)與目標(biāo)地表參量有密切關(guān)系的遙感變量；步驟二：獲取遙感變量的研究值域，再根據(jù)值域的范圍以及精度要求，按設(shè)定的層數(shù)平均劃分值域，得到分層結(jié)果，將分層結(jié)果作為研究區(qū)目標(biāo)地表參量的分層依據(jù)；步驟三：提取研究區(qū)道路信息，設(shè)定緩沖區(qū)寬度，生成以研究區(qū)道路為中心的道路緩沖區(qū)；步驟四：獲取步驟一中研究區(qū)的柵格數(shù)據(jù)，用步驟三生成的道路緩沖區(qū)的矢量數(shù)據(jù)裁切研究區(qū)柵格數(shù)據(jù)，得到以道路為中心的采樣區(qū)；步驟五：設(shè)定樣本量，在采樣區(qū)內(nèi)按研究區(qū)的分層結(jié)果進(jìn)行采樣得到目標(biāo)地表參量的采樣結(jié)果。本發(fā)明用于實地數(shù)據(jù)的采集。
【專利說明】面向遙感模型的地表信息空間采樣方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種面向遙感模型的地表空間采樣方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著遙感成為生態(tài)學(xué)研究的一種重要工具，人們越來越重視通過衛(wèi)星遙感來測量或估算地表參數(shù)。遙感模型反演因其大面積、高效性而廣泛應(yīng)用于地表參數(shù)的反演中。目前常用的遙感反演方法主要有兩種，分別是經(jīng)驗統(tǒng)計模型方法和物理模型方法。而經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷慕Ｒ约拔锢砟Ｐ偷尿炞C均需要采樣數(shù)據(jù)的支持。但傳統(tǒng)采樣方法旨在推斷總體特征，忽略了采樣效率，因此，針對遙感模型尋求高效的采樣方法具有重大意義。
[0003]傳統(tǒng)空間采樣方法主要有簡單隨機(jī)抽樣、系統(tǒng)抽樣以及分層抽樣。這些采樣方法主要基于概率理論，在野外樣點布設(shè)中，為了保證統(tǒng)計參數(shù)的無偏估計，通?；谡麄€研究區(qū)大量地布設(shè)樣點，以獲取大量樣本數(shù)據(jù)，這使得多數(shù)采樣點位置遠(yuǎn)離道路，采樣路徑難以行走，加大了采樣工作的難度，同時也增加了采樣成本。傳統(tǒng)的空間采樣方案為解決該問題提出了便利采樣方法，即采樣人員本著便利性原則選擇樣本的抽樣方式，比如采樣僅限于路邊或者是其他比較便利的位置，導(dǎo)致該方法采樣的統(tǒng)計特征較弱，缺乏統(tǒng)計基礎(chǔ)，無法保證采樣精度。
[0004]綜上，傳統(tǒng)空間采樣方法的根本問題在于無法兼顧采樣效率和采樣精度:即增加樣本量以提高采樣精度的同時，則采樣效率較差；若通過便利采樣提高采樣效率時則無法保證樣本數(shù)據(jù)的代表性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有遙感模型反演過程中提供地表數(shù)據(jù)支持的空間采樣方法具有采樣效率低、采樣精度差的缺點，而提出一種面向遙感模型的地表空間采樣方法。
[0006]一種面向遙感模型的地表空間采樣方法，其采樣方法的具體過程如下，
[0007]步驟一:獲取研究區(qū)內(nèi)與目標(biāo)地表參量具有相關(guān)關(guān)系的遙感變量；
[0008]步驟二:運用ENVI軟件快速統(tǒng)計工具計算所述遙感變量的研究值域，根據(jù)所述值域的范圍以及精度要求，按設(shè)定的層數(shù)平均劃分所述值域，得到分層結(jié)果，將所述分層結(jié)果作為研究區(qū)目標(biāo)地表參量的分層依據(jù)；
[0009]步驟三:以像元為抽樣單位，提取研究區(qū)道路信息，依據(jù)所述道路信息的分布狀況設(shè)定緩沖區(qū)寬度，生成以研究區(qū)道路為中心的道路緩沖區(qū)；其中，所述緩沖區(qū)寬度為道路中心線到采樣區(qū)的平均距離與采樣區(qū)寬度之和；
[0010]步驟四:獲取步驟一中研究區(qū)的柵格數(shù)據(jù)，用步驟三生成的所述道路緩沖區(qū)的矢量數(shù)據(jù)裁切所述柵格數(shù)據(jù)，得到基于道路緩沖區(qū)采樣區(qū)；
[0011]步驟五:根據(jù)精度要求設(shè)定樣本量，在步驟四得到的所述基于道路緩沖區(qū)采樣區(qū)內(nèi)按步驟二獲得的分層結(jié)果進(jìn)行采樣，最終得到目標(biāo)地表參量的采樣結(jié)果。
[0012]本發(fā)明設(shè)計的面向遙感模型的地表空間采樣方法，實現(xiàn)了便利采樣與分層采樣的結(jié)合，兼顧了采樣效率及采樣精度:首次提出基于研究區(qū)道路空間分布信息，生成以道路為中心的采樣區(qū)，縮小采樣的空間范圍，形成以道路作為采樣路徑的方法便于采樣，能夠提高采樣效率；并將遙感變量作為分層標(biāo)志對研究區(qū)分層，將分層結(jié)果應(yīng)用于采樣區(qū)，保證樣本數(shù)據(jù)的代表性。為遙感經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷慕⑦^程中實地數(shù)據(jù)采集，以及物理模型的驗證過程中實地數(shù)據(jù)的采集提供準(zhǔn)確的統(tǒng)計基礎(chǔ)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明涉及的采樣方法的流程圖；
[0014]圖2為實施例1中涉及的紅星農(nóng)場的玉米地塊NDVI數(shù)據(jù)及道路分布圖；
[0015]圖3為實施例1中涉及的試驗區(qū)域的采樣區(qū)圖；
[0016]圖4為實施例1中涉及的試驗區(qū)域的采樣結(jié)果樣點分布圖。

【具體實施方式】
[0017]【具體實施方式】一:本實施方式的面向遙感模型的地表空間采樣方法，其采樣方法的具體過程如下，
[0018]步驟一:獲取研究區(qū)內(nèi)與目標(biāo)地表參量具有相關(guān)關(guān)系的遙感變量，所述遙感變量能夠通過經(jīng)驗統(tǒng)計模型直接反演目標(biāo)地表參量，因此遙感變量的數(shù)值分布代表了目標(biāo)地表參量的數(shù)值分布狀況作為進(jìn)行遙感經(jīng)驗統(tǒng)計模型的反演對象；
[0019]步驟二:運用ENVI軟件快速統(tǒng)計工具計算所述遙感變量的研究值域，根據(jù)所述值域的范圍以及精度要求，按設(shè)定的層數(shù)平均劃分所述值域，得到分層結(jié)果，將所述分層結(jié)果作為研究區(qū)目標(biāo)地表參量的分層依據(jù)；
[0020]依據(jù)遙感變量分層是因為研究區(qū)的目標(biāo)變量為未知，由于遙感變量與研究區(qū)的目標(biāo)變量高度相關(guān)，遙感變量的空間分布代表著研究區(qū)的目標(biāo)變量的空間分布狀況，用遙感變量代替目標(biāo)變量作為分層依據(jù)能合理劃分層次；同時，分層采樣能夠使樣本均勻或按研究區(qū)各層遙感變量分布比例分配至各層中，防止樣本抽取偏離其分布；
[0021]步驟三:以像元為抽樣單位，提取研究區(qū)道路信息，依據(jù)所述道路信息的分布狀況設(shè)定緩沖區(qū)寬度，生成以研究區(qū)道路為中心的道路緩沖區(qū)；其中，所述緩沖區(qū)寬度為道路中心線到采樣區(qū)的平均距離與采樣區(qū)寬度之和；
[0022]步驟三中所述緩沖區(qū)寬度取決于遙感變量空間分辨率與研究區(qū)遙感變量分布的逼近程度，以及采樣區(qū)域遙感變量分布與研究區(qū)遙感變量分布的逼近程度，為保證所述采樣區(qū)內(nèi)像元具有一定的代表性，所述研究區(qū)寬度是根據(jù)研究區(qū)內(nèi)遙感變量的分布情況，道路及其附屬設(shè)施對抽樣變量的影響而確定，如道路兩側(cè)樹木陰影對采樣區(qū)域像元的遮擋作用等，調(diào)整采樣區(qū)域的寬度，以減小這些因素對抽樣變量的影響，擴(kuò)大研究區(qū)寬度以減小這些因素對抽樣變量的影響；
[0023]步驟四:獲取步驟一中研究區(qū)的柵格數(shù)據(jù)，用步驟三生成的所述道路緩沖區(qū)的矢量數(shù)據(jù)裁切所述柵格數(shù)據(jù)，得到基于道路緩沖區(qū)采樣區(qū)，該采樣區(qū)內(nèi)遙感變量的變化范圍與整個研究區(qū)內(nèi)遙感變量的變化范圍一致，因此，將其代替研究區(qū)作為采樣區(qū)進(jìn)行分層采樣，所得的采樣數(shù)據(jù)符合整體研究區(qū)地表參數(shù)的分布；
[0024]步驟五:根據(jù)精度要求設(shè)定樣本量，在步驟四得到的所述基于道路緩沖區(qū)采樣區(qū)內(nèi)按步驟二獲得的分層結(jié)果進(jìn)行采樣，最終得到目標(biāo)地表參量的采樣結(jié)果。
[0025]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:本實施方式的所述面向遙感模型的地表空間采樣方法，本實施方式的所述面向遙感模型的地表空間采樣方法，所述采樣緩沖區(qū)首先需考慮遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率，步驟三中所述采樣緩沖區(qū)首先需考慮遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率，步驟三中所述緩沖區(qū)寬度為所述像元寬度的整數(shù)倍。
[0026]其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一相同。
[0027]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二不同的是:本實施方式的所述面向遙感模型的地表空間采樣方法，步驟三中生成以研究區(qū)道路為中心的道路緩沖區(qū)，是將當(dāng)前緩沖區(qū)寬度下遙感變量的值域與研究區(qū)內(nèi)遙感變量的值域?qū)Ρ?，若兩者相同，則直接設(shè)定該緩沖區(qū)寬度內(nèi)遙感變量的值域為緩沖區(qū)寬度，生成以研究區(qū)道路為中心的道路緩沖區(qū)；若不相同，則擴(kuò)大當(dāng)前緩沖區(qū)寬度直到兩者一致為止，再將擴(kuò)大后的緩沖區(qū)寬度的值域設(shè)定為緩沖區(qū)寬度，生成以研究區(qū)道路為中心的道路緩沖區(qū)。
[0028]其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一或二相同。
[0029]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】三不同的是:本實施方式的所述面向遙感模型的地表空間采樣方法，步驟三中所述緩沖區(qū)寬度為所述像元寬度的數(shù)倍為4-7倍。
[0030]其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】三相同。
[0031]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】四不同的是:本實施方式的所述面向遙感模型的地表空間采樣方法，步驟三中所述緩沖區(qū)寬度為所述像元寬度的數(shù)倍為5倍。
[0032]其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】四相同。
[0033]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】四不同的是:本實施方式的所述面向遙感模型的地表空間采樣方法，步驟三中所述緩沖區(qū)寬度為所述像元寬度的數(shù)倍為6倍。
[0034]其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】四相同。
[0035]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】一、二、四、五或六不同的是:本實施方式的所述面向遙感模型的地表空間采樣方法，步驟二中根據(jù)所述值域的范圍以及精度要求，設(shè)定層數(shù)為4-7層。
[0036]其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一、二、四、五或六相同。
[0037]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】七不同的是:本實施方式的所述面向遙感模型的地表空間采樣方法，步驟二中根據(jù)所述值域的范圍以及精度要求，設(shè)定層數(shù)為5層。
[0038]其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】七相同。
[0039]【具體實施方式】九:本實施方式與【具體實施方式】七不同的是:本實施方式的所述面向遙感模型的地表空間采樣方法，步驟二中根據(jù)所述值域的范圍以及精度要求，設(shè)定層數(shù)為6層。
[0040]其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】七相同。
[0041]【具體實施方式】十:本實施方式與【具體實施方式】一、二、四、五、六、八或九不同的是:本實施方式的所述面向遙感模型的地表空間采樣方法，所述遙感變量包括植被指數(shù)或光譜指數(shù)或反射率；所述目標(biāo)地表參量包括與所述植被指數(shù)對應(yīng)的葉面積指數(shù)或與所述光譜指數(shù)對應(yīng)的葉片含水量或與所述反射率對應(yīng)的生物量。
[0042]其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一、二、四、五、六、八或九相同。
[0043]實施例1:利用本發(fā)明的面向遙感模型的地表空間采樣方法實現(xiàn)的黑龍江省紅星農(nóng)場玉米地塊的葉面積指數(shù)(LAI)的采樣，圖1為實現(xiàn)采樣的具體步驟。
[0044](I)LAI經(jīng)驗統(tǒng)計模型反演方法是通過建立植被指數(shù)與葉面積指數(shù)的統(tǒng)計關(guān)系來反演葉面積指數(shù)LAI，因此植被指數(shù)與葉面積指數(shù)LAI之間存在著一定的定量關(guān)系。選擇NDVI (歸一化植被指數(shù))作為葉面積指數(shù)LAI空間采樣的輔助變量。
[0045]在ENVI軟件環(huán)境下，基于紅星農(nóng)場Landsat8數(shù)據(jù)提取NDVI，由于7月中旬玉米長勢最為旺盛，其NDVI值與其他作物有明顯的差異，結(jié)合地塊邊界紋理及實地調(diào)查，通過目視解譯得到玉米地塊。同時，道路作為人造地物有其特有的形狀，結(jié)合農(nóng)場地圖，通過目視解譯可準(zhǔn)確提取出農(nóng)場道路，見圖2。
[0046]⑵NDVI數(shù)據(jù)空間像元分辨率為30m，根據(jù)農(nóng)場玉米NDVI的分布情況，為保證采樣數(shù)據(jù)的代表性，采樣區(qū)寬度至少為150m;考慮到研究區(qū)道路兩側(cè)種植了農(nóng)田防護(hù)林，對采樣區(qū)像元具有一定的遮擋作用，將采樣區(qū)寬度拓寬兩個像元，2*30m即60m;分析研究區(qū)道路空間分布狀況，道路中心線到采樣區(qū)的平均距離約為90m。綜上得到緩沖區(qū)寬度為300m，生成以道路為中心的緩沖區(qū)，用其裁切研究區(qū)NDVI數(shù)據(jù)，得到采樣區(qū)。由于得到的采樣區(qū)NDVI值域與研究區(qū)NDVI值域一致，則該采樣區(qū)為最終采樣區(qū)，如圖3所示。若不一致則不斷增大緩沖區(qū)寬度，直到兩者一致，最終得到采樣區(qū)。
[0047](3)根據(jù)研究區(qū)NDVI變化范圍，將NDVI等間隔劃分為5層，將分層結(jié)果應(yīng)用于上述采樣區(qū)，設(shè)定樣本量為30，對采樣區(qū)每層NDVI分別隨機(jī)抽取6個樣點，完成采樣，最終得到樣點分布數(shù)據(jù)。如圖4所示。
【權(quán)利要求】
1.一種面向遙感模型的地表信息空間采樣方法，其特征在于:其采樣方法的具體過程如下， 步驟一:獲取研究區(qū)內(nèi)與目標(biāo)地表參量具有相關(guān)關(guān)系的遙感變量； 步驟二:運用ENVI軟件快速統(tǒng)計工具計算所述遙感變量的研究值域，根據(jù)所述值域的范圍以及精度要求，按設(shè)定的層數(shù)平均劃分所述值域，得到分層結(jié)果，將所述分層結(jié)果作為研究區(qū)目標(biāo)地表參量的分層依據(jù)； 步驟三:以像元為抽樣單位，提取研究區(qū)道路信息，依據(jù)所述道路信息的分布狀況設(shè)定緩沖區(qū)寬度，生成以研究區(qū)道路為中心的道路緩沖區(qū)；其中，所述緩沖區(qū)寬度為道路中心線到采樣區(qū)的平均距離與采樣區(qū)寬度之和； 步驟四:獲取步驟一中研究區(qū)的柵格數(shù)據(jù)，用步驟三生成的所述道路緩沖區(qū)的矢量數(shù)據(jù)裁切所述柵格數(shù)據(jù)，得到基于道路緩沖區(qū)采樣區(qū)； 步驟五:根據(jù)精度要求設(shè)定樣本量，在步驟四得到的所述基于道路緩沖區(qū)采樣區(qū)內(nèi)按步驟二獲得的分層結(jié)果進(jìn)行采樣，最終得到目標(biāo)地表參量的采樣結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述面向遙感模型的地表信息空間采樣方法，其特征在于:步驟三中所述緩沖區(qū)寬度為所述像元寬度的整數(shù)倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述面向遙感模型的地表信息空間采樣方法，其特征在于:步驟三中所述生成以研究區(qū)道路為中心的道路緩沖區(qū)的過程為:是將當(dāng)前緩沖區(qū)寬度下遙感變量的值域與研究區(qū)內(nèi)遙感變量的值域?qū)Ρ龋魞烧呦嗤?，則直接設(shè)定該緩沖區(qū)寬度內(nèi)遙感變量的值域為緩沖區(qū)寬度，生成以研究區(qū)道路為中心的道路緩沖區(qū)；若不相同，則擴(kuò)大當(dāng)前緩沖區(qū)寬度直到兩者一致為止，再將擴(kuò)大后的緩沖區(qū)寬度的值域設(shè)定為緩沖區(qū)寬度，生成以研究區(qū)道路為中心的道路緩沖區(qū)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述面向遙感模型的地表信息空間采樣方法，其特征在于:步驟三中所述緩沖區(qū)寬度為所述像元寬度的數(shù)倍為4-7倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述面向遙感模型的地表信息空間采樣方法，其特征在于:步驟三中所述緩沖區(qū)寬度為所述像元寬度的數(shù)倍為5倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述面向遙感模型的地表信息空間采樣方法，其特征在于:步驟三中所述緩沖區(qū)寬度為所述像元寬度的數(shù)倍為6倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4、5或6所述面向遙感模型的地表信息空間采樣方法，其特征在于:步驟二中根據(jù)所述值域的范圍以及精度要求，設(shè)定層數(shù)為4-7層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述面向遙感模型的地表信息空間采樣方法，其特征在于:步驟二中根據(jù)所述值域的范圍以及精度要求，設(shè)定層數(shù)為5層。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述面向遙感模型的地表信息空間采樣方法，其特征在于:步驟二中根據(jù)所述值域的范圍以及精度要求，設(shè)定層數(shù)為6層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4、5、6、8或9所述面向遙感模型的地表信息空間采樣方法，其特征在于:所述遙感變量包括植被指數(shù)或光譜指數(shù)或反射率；所述目標(biāo)地表參量包括與所述植被指數(shù)對應(yīng)的葉面積指數(shù)或與所述光譜指數(shù)對應(yīng)的葉片含水量或與所述反射率對應(yīng)的生物量。
【文檔編號】G06F17/50GK104182567SQ201410359980
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】王丹萍, 劉兆禮, 鄧彩群 申請人:中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所