基于成對hj-1b影像時空信息的地表溫度反演方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于成對HJ-1B影像時空信息的地表溫度反演方法。該方法是針對現(xiàn)有的單窗（或單通道）算法在應(yīng)用中所存在的參數(shù)獲取困難而提出的一種新策略。實(shí)現(xiàn)該方法的步驟為：S1：獲取研究區(qū)兩個成對時相的HJ-1B影像，并進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理；S2：對預(yù)處理后的影像以對稱的方式進(jìn)行邊界延拓處理；S3：識別相似像元及其數(shù)目，確定相應(yīng)的反演方法；S4：依據(jù)S3的判定結(jié)果，構(gòu)建輻射傳輸方程組，并求解地表輻射值；S5：循環(huán)進(jìn)行S3~S4,得的整個研究區(qū)在兩個時相的地表輻射值，進(jìn)行異常值識別和處理；S6：由處理后的地表輻射值反演地表溫度。本發(fā)明能在相關(guān)參數(shù)無法準(zhǔn)確獲取的情況下準(zhǔn)確反演地表溫度，將有效促進(jìn)HJ-1B熱紅外數(shù)據(jù)的定量應(yīng)用。
【專利說明】基于成對HJ-1B影像時空信息的地表溫度反演方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及熱紅外遙感【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體的是在地表比輻射率和大氣參數(shù)均未知 的情況下，利用兩個成對時相HJ-IB影像的時空信息，從單一熱紅外波段的輻射亮度直接 定量反演地表溫度的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 地表溫度是影響生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵因子之一，它與許多地表過程有關(guān)。熱紅外衛(wèi)星 遙感技術(shù)被認(rèn)為是現(xiàn)階段獲取區(qū)域和全球尺度地表溫度信息的一個可行且有效的手段。為 了實(shí)現(xiàn)從熱紅外衛(wèi)星遙感影像準(zhǔn)確提取地表溫度信息，國內(nèi)外研究人員提出了一系列的反 演方法，如單窗(或單通道)算法、劈窗算法、溫度/比輻射率分離算法、白天/晝夜法。與其 它方法相比，單窗(或單通道）算法的優(yōu)勢在于它能從單一熱紅外波段影像反演地表溫度。 因此，在實(shí)際應(yīng)用中，對于Landsat TM/ETM+，CBERS，HJ-IB等僅具有單一熱紅外波段的傳 感器，單窗(或單通道)算法是唯一的選擇。由輻射傳輸方程可知，為了從單一熱紅外波段影 像準(zhǔn)確地反演地表溫度，需要同時對大氣影響和地表比輻射率進(jìn)行校正。已有的研究通過 大量的模擬實(shí)驗(yàn)和簡化假設(shè)提出了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)算法模型及其改進(jìn)形式（Qin和Karnieli， 2001 ; Jimenez-Munoz 和 Sobrino, 2003;張勇等，2006;段四波等，2008 ;Jimenez_Munoz 等，2009;Cristobal 等，2009)。
[0003] 然而,這些經(jīng)驗(yàn)的算法均以地表比輻射率和大氣參數(shù)(如大氣平均溫度、大氣水分 含量）已知為前提。目前，對地表比輻射率的估算主要采用地表覆蓋分類賦值法（Synder 等，1998)和植被指數(shù)法（Valor 和 Caselles，1996 ;覃志豪等，2004 ;Sobrino 等，2008)。 基于地表覆蓋分類的方法需要預(yù)先知道不同地類的比輻射率，并認(rèn)為每個類別的比輻射率 是固定不變的，這顯然是不合理的；盡管基于植被指數(shù)的方法考慮了像元的組分差異，但依 然需要預(yù)先確定代表性組分的比輻射率，如土壤，植被等。另外，受準(zhǔn)確大氣參數(shù)獲取條件 的限制，很多研究多假定整個研究區(qū)域的大氣狀態(tài)是均一分布的，在地表溫度反演過程中 不考慮大氣的影響，如Artis和Carnahan (1982)在早期所提出的一個單窗算法就沒有考 慮大氣的影響，因此利用該算法不能得到真實(shí)的地表溫度。由于大氣狀態(tài)往往存在一定程 度的空間異質(zhì)性，假定大氣狀況均質(zhì)，不進(jìn)行大氣校正，或以某一點(diǎn)代替整個區(qū)域必將給遙 感地表溫度反演帶來誤差（陳峰等，2010)。理論上，可以從MODIS的大氣產(chǎn)品（如MOD 05) 提取現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)算法所需的大氣參數(shù)，但是該產(chǎn)品自身的不確定性可能會在有些情況下給最 終的地表溫度結(jié)果帶來不利影響?？梢?，由于在準(zhǔn)確獲取相關(guān)參數(shù)方面存在的困難，將在一 定程度上限制現(xiàn)有的單窗(或單通道）算法實(shí)施，從而也將影響HJ-IB單一熱紅外波段數(shù)據(jù) 的定量應(yīng)用。
[0004] 本發(fā)明針對HJ-IB星的高回訪頻率的特點(diǎn)，利用兩個成對時相HJ-IB影像的時空 信息，基于兩個合理的假設(shè)，提出一種直接從單一熱紅外波段影像反演地表溫度的方法，而 無需過度依賴準(zhǔn)確的地表比輻射率和大氣參數(shù)信息。因此，該新方法可以視為對現(xiàn)有的單 窗(或單通道）算法的有益補(bǔ)充。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 要解決的技術(shù)問題本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是：在無法準(zhǔn)確獲取研究區(qū)地表 比輻射率和大氣參數(shù)(如大氣水分含量，大氣平均作用溫度）的情況下，即無法有效實(shí)施現(xiàn) 有的單窗(或單通道）算法時，實(shí)現(xiàn)從HJ-IB影像準(zhǔn)確反演地表溫度。
[0006] 技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種基于成對HJ-IB影像時空 信息的地表溫度反演方法，包括以下步驟： Sl獲取研究區(qū)兩個時相的HJ-IB影像(含C⑶多光譜和IRS熱紅外影像)，結(jié)合官方公 布資料和影像頭文件信息，相應(yīng)地，計(jì)算C⑶影像的各波段的星上反射率值和IRS熱紅外 影像輻射亮度值；并對HJ-IB C⑶反射率影像和熱紅外波段輻射影像進(jìn)行地理校正等預(yù)處 理； S2對預(yù)處理后的影像以對稱的方式進(jìn)行邊界延拓處理； S3依據(jù)每個目標(biāo)像元所在的滑動窗口范圍內(nèi)各像元的光譜相似度指數(shù)，識別相似像 元及其數(shù)目，確定相應(yīng)的反演方法； S4依據(jù)S3的結(jié)果，相應(yīng)地提取相似或準(zhǔn)相似像元的輻射值，構(gòu)建一個簡化的輻射傳 輸方程組，通過一個帶約束的非線性優(yōu)化模型實(shí)現(xiàn)對該方程組的求解，得到目標(biāo)像元在兩 個成對時相的地表輻射值； S5對延拓后的影像循環(huán)進(jìn)行S3~S4，得的整個研究區(qū)兩個時相的地表輻射值，并對其 進(jìn)行異常值識別和處理； S6利用普朗克反方程或其簡化模型從處理后的地表輻射值反演地表溫度，并同時保 存反演方法的標(biāo)識信息。
[0007] 有益效果本發(fā)明可以在地表比輻射率和大氣參數(shù)均無法準(zhǔn)確獲取的情況下，僅 利用兩個成對時相HJ-IB影像的時空信息實(shí)現(xiàn)對地表溫度的準(zhǔn)確反演，克服了現(xiàn)有的方法 對輔助信息過于依賴的問題，進(jìn)而能在一定程度上促進(jìn)單一熱紅外波段影像的定量應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 圖1是一種基于成對時相HJ-IB影像時空信息的地表溫度反演方法示意圖。
[0009] 圖2是基于本發(fā)明的兩個時相HJ-IB地表溫度反演結(jié)果圖。

【具體實(shí)施方式】
[0010] 以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對本發(fā)明提供的基于成對HJ-IB影像時空信息的地 表溫度反演方法進(jìn)行詳細(xì)描述。以下實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，而不是用來限制本發(fā)明的 范圍。如圖1所示，本發(fā)明基于成對HJ-IB影像時空信息的地表溫度反演方法，主要包括以 下步驟： Sl獲取研究區(qū)影像，并進(jìn)行輻射校正、地理校正、重采樣和裁剪預(yù)處理 在本實(shí)施例中，獲取時相相近的兩景HJ-IB IRS影像(獲取時相分別為2011年12月 18日和2011年12月22 (path/row :452/91)，后文分別記為時相T18和T22)，并以珠江三 角洲的主要區(qū)域?yàn)閷?shí)驗(yàn)區(qū)。由于數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，僅有與T18相同時相的一景HJ-IB CCD2 多光譜影像（path/row: 454/90)是可用的(均來自http://www.cresda.cn)。因此，本實(shí) 施例中假定兩個時相的地表狀態(tài)相同，則可用T18時相的CCD影像充當(dāng)T22時相的影像，而 不對最終的結(jié)果產(chǎn)生影響。一景Landsat5 TM影像（獲取時相為2009年1月2日，path/ row: 122/44)，作為地理校正的參考影像。將HJ-IB CXD影像和IRS熱紅外波段的DN值轉(zhuǎn) 換為輻射值，并進(jìn)一步將C⑶輻射值影像轉(zhuǎn)換為星上反射率值。以Landsat5 TM為參考影 像，在ENVI軟件平臺上，通過人工目視解譯和對比判別，在Landsat5 TM影像、以上各HJ-IB CCD星上反射率和IRS熱紅外輻射影像選取15個均勻分布的特征同名點(diǎn)，并采用二次多項(xiàng) 式模型對HJ-IB CXD星上反射率和IRS熱紅外輻射影像進(jìn)行地理校正。由于HJ-IB C⑶影 像和IRS熱紅外影像存在空間分辨率差異，這里將HJ-IB C⑶星上反射率（30mX30m)結(jié)果 重采樣到300mX 300m，并裁剪確定最終的研究區(qū)影像； S2對預(yù)處理后的影像進(jìn)行邊界延拓處理 為了得到研究區(qū)完整的反演結(jié)果，采用對稱的方式對Sl中預(yù)處理后的CCD星上反射率 影像和IRS熱紅外輻射亮度值影像均進(jìn)行邊界延拓處理，在本實(shí)施例中延拓寬度取值為3 個像元； S3識別相似像元及其數(shù)目，確定相應(yīng)的反演方法 依據(jù)每個目標(biāo)像元所在的滑動窗口范圍(本實(shí)施例中定義為7X7像元的范圍）內(nèi)各像 元的光譜相似度指數(shù)，識別相似像元及其數(shù)目，確定相應(yīng)的反演方法。本發(fā)明中采用RMSD 指數(shù)（Chen等，2011)來度量某個像元與目標(biāo)像元的光譜相似度，RMSD指數(shù)通過下式計(jì)算：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于成對HJ-1B影像時空信息的地表溫度反演方法，其特征在于包括以下步 驟： S1:獲取研究區(qū)兩個成對時相的HJ-1B影像(含(XD多光譜和IRS熱紅外影像)，結(jié)合 官方公布資料和影像頭文件信息，相應(yīng)地，計(jì)算CCD影像的各波段的星上反射率值和IRS熱 紅外影像輻射亮度值；并對HJ-1B C⑶反射率影像和熱紅外波段輻射影像進(jìn)行地理校正等 預(yù)處理； S2:對預(yù)處理后的影像以對稱的方式進(jìn)行邊界延拓處理； S3:依據(jù)每個目標(biāo)像元所在的滑動窗口范圍內(nèi)各像元的光譜相似度指數(shù)，識別相似像 元及其數(shù)目，確定相應(yīng)的反演方法； S4:依據(jù)S3的結(jié)果，相應(yīng)地提取相似或準(zhǔn)相似像元的輻射值，構(gòu)建一個簡化的輻射傳 輸方程組，通過一個帶約束的非線性優(yōu)化模型實(shí)現(xiàn)對方程組的求解，得到目標(biāo)像元在兩個 時相的地表福射估計(jì)值； S5:對延拓后的影像循環(huán)進(jìn)行S3飛4，得的整個研究區(qū)兩個時相的地表輻射值，并對 其進(jìn)行異常值識別和處理； S6:利用普朗克反方程或其簡化模型從處理后的地表輻射值反演地表溫度，并同時保 存與反演方法相關(guān)的標(biāo)識信息。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于成對HJ-1B影像時空信息的地表溫度反演方法，其特征 在于利用了兩個成對HJ-1B影像的時空信息，輸入影像包括：HJ-1B C⑶多光譜星上反射率 影像和HJ-1B IRS熱紅外輻射亮度值影像，所述步驟S1中需分別將C⑶多光譜和IRS熱 紅外的原始DN值影像分別轉(zhuǎn)換為星上反射率和輻射亮度，并進(jìn)行地理校正、C⑶影像重采 樣和研究區(qū)裁剪處理；由于目前HJ-1B衛(wèi)星在地理定位方面存在的偏差問題，因此采用與 HJ-1B影像相近時相的Landsat TM/ ETM+作為參考影像，進(jìn)一步對HJ-1B C⑶星上反射率 影像和IRS熱紅外波段輻射亮度值影像進(jìn)行地理校正；為了解決HJ-1B C⑶影像和IRS熱 紅外影像在空間分辨率方面存在的差異，這里將HJ-1B C⑶星上反射率（30mX 30m)結(jié)果重 采樣到300mX 300m，與熱紅外影像同空間分辨率，并裁剪影像確定最終的研究區(qū)影像。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于成對HJ-1B影像時空信息的地表溫度反演方法，其特征 在于，所述步驟S2中，為了得到研究區(qū)完整的反演結(jié)果，采用對稱的方式對S1中預(yù)處理后 的C⑶星上反射率影像和IRS熱紅外輻射亮度值影像均進(jìn)行邊界延拓處理，延拓寬度為像 元大小(為反演方法中所采用滑動窗口的大小，如3, 5, 7,9,…;鑒于HJ-1B IRS熱紅外影 像的300mX 300m的空間分辨率，結(jié)合我們以往的研究，我們建議取7個像元，這樣延拓寬度 為3個像元)。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于成對時相HJ-1B影像時空信息的地表溫度反演方法，其 特征在于，所述步驟S3中，定義了滑動窗口范圍內(nèi)的相似或準(zhǔn)相似像元，并認(rèn)為它們具有 相同的光譜和熱輻射特性，進(jìn)而在每個像元所在的滑動窗口內(nèi)選取合理的像元參與對目標(biāo) 像元地表輻射值的優(yōu)化求解；具體而言，采用了 RMSD指數(shù)來度量某個像元與目標(biāo)像元的相 似程度，通過與閾值比較來確定該像元是否為相似像元。
5. 如權(quán)利要求1所述的基于成對HJ-1B影像時空信息的地表溫度反演方法，其特征 在于，所述步驟S3中，統(tǒng)計(jì)滑動窗口內(nèi)目標(biāo)像元的相似像元數(shù)N，并依據(jù)N確定相應(yīng)的求解 策略。
6. 如權(quán)利要求1所述的基于成對時相HJ-1B影像時空信息的地表溫度反演方法，其 特征在于，本發(fā)明中的兩個合理假設(shè)：（a)在正常天氣狀況下，短時間內(nèi)在同一空間位置， 地表比輻射率不變；（b)小空間范圍內(nèi)（本發(fā)明中用滑動窗口來表示）的大氣條件相同或差 異可以忽略；并且某一目標(biāo)像元，在一定空間范圍內(nèi)存在N個與其類別相同（或相似）的像 元（即相似像元）；在具體的實(shí)施中，本發(fā)明的特征還在于，所述步驟S4中，利用目標(biāo)像元和 所選取的相似或準(zhǔn)相似像元的輻射亮度值信息，構(gòu)建一個簡化的輻射傳輸方程組，通過建 立一個帶約束的非線性優(yōu)化模型實(shí)現(xiàn)對該方程組的求解，得到目標(biāo)像元在兩個成對時相的 地表輻射值。
7. 如權(quán)利要求1所述的基于成對時相HJ-1B影像時空信息的地表溫度反演方法，其 特征在于，所述步驟S5中，依據(jù)滑動窗口內(nèi)相似像元(或準(zhǔn)相似像元）具有相同的地表比輻 射率，且受到的大氣影響相同，則該空間范圍內(nèi)各相似像元間的輻射亮度觀測量差異僅與 地表溫度的差異有關(guān)，基于這一原則可判定，對某目標(biāo)像元的地表輻射的估計(jì)是否異常。
【文檔編號】G01J5/00GK104236716SQ201310238628
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月17日
【發(fā)明者】陳 峰, 趙小鋒, 全元 申請人:中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所