基于modis遙感影像的高分辨率遙感影像植被指數(shù)時(shí)間序列校正方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于MODIS遙感影像的高分辨率遙感影像植被指數(shù)時(shí)間序列校正方法，該方法包括HJ?NDVI及中低空間分辨率遙感影像NDVI時(shí)間序列的構(gòu)建、HJ及中低空間分辨率遙感影像對(duì)應(yīng)像元的時(shí)間序列協(xié)整檢驗(yàn)、HJ?NDVI時(shí)間序列異常區(qū)段檢驗(yàn)、HJ?NDVI時(shí)間序列異常區(qū)段校正四個(gè)階段。該方法能夠修正HJ?NDVI時(shí)間序列因氣候原因造成序列曲線形態(tài)的異常，提高其正確性和可用性，為在高時(shí)空分辨率下研究生物地球化學(xué)模型提供有效數(shù)據(jù)。同時(shí)本法也適用于源于其它中高分辨率遙感影像的某種植被指數(shù)的時(shí)間序列。
【專利說明】基于MODIS遙感影像的高分辨率遙感影像植被指數(shù)時(shí)間序列校正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于MODIS遙感影像的高分辨率遙感影像植被指數(shù)時(shí)間序列校正方法，屬于地理信息系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]遙感影像時(shí)間序列是利用一系列的遙感影像數(shù)據(jù)原始影像或者其衍生的指數(shù)影像，按照時(shí)間順序排列起來，使之能夠表達(dá)遙感對(duì)象在時(shí)間上變化特性的一種影像序列。為從時(shí)間維度上分析使用遙感影像提供了數(shù)據(jù)源。
[0003]目前應(yīng)用最為廣泛的，是中低空間分辨率遙感影像的植被指數(shù)時(shí)間序列。中低空間分辨率遙感衛(wèi)星 Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)提供的NDVI (即歸一化植被指數(shù)，英文是Normalized Difference Vegetation Index)時(shí)間序列產(chǎn)品是全球廣泛使用的植被指數(shù)產(chǎn)品。該產(chǎn)品來源于每日的、經(jīng)過大氣校正和表面二向性反射的遙感影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)使用了針對(duì)性的方法，保證了數(shù)據(jù)質(zhì)量的穩(wěn)定、可靠，能夠提供持續(xù)的、覆蓋全球的高時(shí)間分辨率NDVI時(shí)間序列產(chǎn)品。但是MODIS NDVI的最高空間分辨率為250m,較低的空間分辨率為研究更加精細(xì)的地物情況帶來了困難。而高空間分辨率和高時(shí)間分辨率是一對(duì)矛盾體，擁有更高空間分辨率的衛(wèi)星(如Landsat、SP0T系列衛(wèi)星)不能提供足夠高的重返周期，無法構(gòu)建高時(shí)間分辨率的時(shí)間序列。對(duì)此，很多學(xué)者展開了數(shù)據(jù)融合的研究，利用不同傳感器影像進(jìn)行空間、時(shí)間的融合來彌補(bǔ)這個(gè)矛盾，使得融合后的影像盡可能保留高時(shí)間分辨率和高空間分辨率的雙重特點(diǎn)。Pohl and Van Genderen (1998), Amolinsand Zhang (2007), Thomas and Ranchin (2008)已對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行了綜述。雖然現(xiàn)在不斷有新的研究成果涌現(xiàn)，但仍無法完全保留融合影像具有親本影像的所有細(xì)節(jié)。
[0004]隨著2008年9月由中國發(fā)射的環(huán)境減災(zāi)小衛(wèi)星星座(HJ-1A/1B small satelliteconstellations,HJ-1A/1B)的發(fā)射，為構(gòu)建高空間分辨率和高時(shí)間分辨率的遙感影像時(shí)間序列提供了另外一種解決方案。HJ-1A/1B能夠提供空間分辨率為30m的、重訪周期可達(dá)2天的多光譜遙感影像，所以，可以利用HJ-1A/1B遙感影像生成較高時(shí)空分辨率的NDVI時(shí)間序列(以下簡(jiǎn)稱HJ NDVI時(shí)間序列)而不需要進(jìn)行高時(shí)間分辨率和高空間分辨率影像的融合處理。理論上，這樣的時(shí)間分辨率應(yīng)該能夠滿足用于植被研究的NDVI時(shí)間序列的需求，一些學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行過應(yīng)用研究。但HJ NDVI時(shí)間序列仍存在以下問題:(1)HJ衛(wèi)星單位時(shí)間內(nèi)獲取影像數(shù)遠(yuǎn)小于M0DIS，無法使用最大值合成(MVC)方法消除噪聲對(duì)NDVI值降低的影響；(2) HJ-1A/1B遙感影像不提供像元質(zhì)量評(píng)價(jià)的產(chǎn)品，無法依據(jù)自身平臺(tái)對(duì)生成的NDVI時(shí)間序列進(jìn)行調(diào)整，減弱被噪聲污染時(shí)相的影響。(3)所下載影像沒有進(jìn)過輻射校正和大氣校正，也造成HJ NDVI時(shí)間序列的不穩(wěn)定。以上問題，造成了 HJ NDVI時(shí)間序列在應(yīng)用中出現(xiàn)NDVI值持續(xù)性偏低、不正常的波動(dòng)等現(xiàn)象。為了能夠準(zhǔn)確地使用HJ NDVI時(shí)間序列，必須對(duì)其進(jìn)行校正。對(duì)于植被指數(shù)時(shí)間序列的校正研究，已有針對(duì)不同數(shù)據(jù)源的多種方法，比如最佳指數(shù)斜率提取算法(BISE)、傅里葉擬合法、Savitzky-Golay濾波和非對(duì)稱高斯函數(shù)擬合法。但這些都不能很好地解決HJ NDVI時(shí)間序列的上述問題。
[0005]NDVI雖然不是一種內(nèi)在的物理量，但是它與植被的物理性質(zhì)相關(guān)(如葉面積指數(shù)、植被覆蓋度、植被生長(zhǎng)條件、生物量等)。因而不論哪種傳感器計(jì)算出來的NDVI時(shí)間序列往往都呈現(xiàn)以季節(jié)或年為周期的季節(jié)性變化，在同一地區(qū)的同一時(shí)間段上，不同傳感器的NDVI時(shí)間序列也應(yīng)該具有相同的變化趨勢(shì)。由于中低空間分辨率遙感影像NDVI時(shí)間序列質(zhì)量相對(duì)可靠，所以可以參考中低空間分辨率遙感影像NDVI時(shí)間序列對(duì)HJ NDVI時(shí)間序列的異常區(qū)段進(jìn)行校正，修正其因氣候原因造成的時(shí)間序列的異常，得其符合應(yīng)用要求，為在更高空間分辨率下研究生物地球化學(xué)模型提供有效數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:提出一種精度高的基于MODIS遙感影像的高分辨率遙感影像植被指數(shù)時(shí)間序列校正方法，該方法能夠?qū)J NDVI時(shí)間序列的異常區(qū)段進(jìn)行校正，修正其因氣候原因造成的時(shí)間序列的異常，為在更高空間分辨率下研究生物地球化學(xué)模型提供有效數(shù)據(jù)。
[0007]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是:一種基于MODIS遙感影像的高分辨率遙感影像植被指數(shù)時(shí)間序列校正方法，包括以下步驟:
[0008]I)獲取預(yù)定區(qū)域、預(yù)定時(shí)間段的HJ-1A/1B遙感影像數(shù)據(jù)以及該區(qū)域同時(shí)間段的MODIS遙感數(shù)據(jù)；
[0009]2)讀取MODIS遙感數(shù)據(jù)，獲得MODIS遙感影像中每個(gè)像元的NDVI值、實(shí)際成像日和質(zhì)量評(píng)價(jià)值，其中所述質(zhì)量評(píng)價(jià)值分為以下幾類:“_1”表示沒有評(píng)價(jià)結(jié)果，“0”表示數(shù)據(jù)質(zhì)量非常好，“ I”表示數(shù)據(jù)可用但是質(zhì)量一般，“2”表示有雪冰覆蓋，“3”表示有云層干擾；
[0010]3)分別將所有MODIS遙感影像中具有相同坐標(biāo)值的像元的NDVI值按實(shí)際成像日的時(shí)間順序組合成第一 MODIS NDVI時(shí)間序列，將所述第一 MODIS NDVI時(shí)間序列中質(zhì)量評(píng)價(jià)值不等于0和I的像元的NDVI值用該序列中其相鄰的NDVI值的插值進(jìn)行代替，得到第二 MODIS NDVI時(shí)間序列；
[0011 ] 4)對(duì)每幅HJ-1A/1B遙感影像像元的植被指數(shù)進(jìn)行歸一化處理，得到為HJ NDVI影像；
[0012]5)分別將所有HJ NDVI影像中具有相同坐標(biāo)值的像元的NDVI值按實(shí)際成像日的時(shí)間順序組合成與坐標(biāo)值對(duì)應(yīng)的第一 HJ NDVI時(shí)間序列，并依照第二 MODIS NDVI時(shí)間序列的實(shí)際成像日對(duì)第一 HJ NDVI時(shí)間序列按最相鄰的NDVI值進(jìn)行插值，得到與第二 MODISNDVI時(shí)間序列的實(shí)際成像日相一致的第二 HJ NDVI時(shí)間序列；
[0013]6)對(duì)所述預(yù)定區(qū)域中MODIS遙感影像的每一個(gè)像元，找到在空間上被該像元覆蓋的HJ-1A/1B遙感影像中的像元，兩者存在覆蓋關(guān)系的第二 MODIS NDVI時(shí)間序列和第二 HJNDVI時(shí)間序列構(gòu)成時(shí)間序列對(duì)，對(duì)所述時(shí)間序列對(duì)以第二 MODIS NDVI時(shí)間序列為標(biāo)準(zhǔn)序列做協(xié)整檢驗(yàn)；
[0014]7)通過了協(xié)整檢驗(yàn)的時(shí)間序列對(duì)的第二 MODIS NDVI時(shí)間序列減去相對(duì)應(yīng)的第二HJ NDVI時(shí)間序列得到波動(dòng)序列；對(duì)該波動(dòng)序列進(jìn)行異常區(qū)段檢驗(yàn)得到正常波動(dòng)區(qū)段和異常波動(dòng)區(qū)段，并將第二 HJ NDVI時(shí)間序列按正常波動(dòng)區(qū)段和異常波動(dòng)區(qū)段的實(shí)際成像日劃分為正常HJ NDVI時(shí)間區(qū)段和異常HJ NDVI時(shí)間區(qū)段；[0015]8)對(duì)第二 HJ NDVI時(shí)間序列中的異常HJ NDVI時(shí)間區(qū)段進(jìn)行校正，得到所述預(yù)定區(qū)域、預(yù)定時(shí)間段內(nèi)具有較高時(shí)間分辨率的高分辨率遙感影像時(shí)間序列。
[0016]上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)是:在執(zhí)行第6)步之前，首先將第二 MODIS NDVI時(shí)間序列和和第二 HJ NDVI時(shí)間序列進(jìn)行Savitzky-Golay濾波。
[0017]上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)是:第8)步中，利用正常HJ NDVI時(shí)間區(qū)段與相應(yīng)時(shí)間段的第二 MODIS NDVI時(shí)間序列對(duì)所述異常HJ NDVI時(shí)間區(qū)段進(jìn)行校正。
[0018]上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)是:第4)步中對(duì)每幅HJ-1A/1B遙感影像進(jìn)行歸一化前，先對(duì)每幅HJ-1A/1B遙感影像進(jìn)行輻射校正和幾何精校正。
[0019]作為優(yōu)選方案，第6)步中對(duì)所述時(shí)間序列對(duì)進(jìn)行協(xié)整檢驗(yàn)的方法是:
[0020]1A)使用ADF檢驗(yàn)方法判斷對(duì)應(yīng)的所述時(shí)間序列對(duì)中的第二 MODIS NDVI時(shí)間序列和和第二 HJ NDVI時(shí)間序列是否為同階單整，若同階單整，則轉(zhuǎn)到第1B)步；若非同階單整，則所述時(shí)間序列對(duì)不具備協(xié)整關(guān)系；
[0021]1B)對(duì)同階單整的時(shí)間序列對(duì)進(jìn)行協(xié)整回歸，使用ADF方法檢驗(yàn)回歸殘差的平穩(wěn)性，若殘差平穩(wěn)，則所述時(shí)間序列對(duì)是協(xié)整的，兩者具有相依關(guān)系；否則兩者不具備協(xié)整關(guān)系。
[0022]作為優(yōu)選方案，第7)步中對(duì)波動(dòng)序列進(jìn)行異常區(qū)段檢驗(yàn)的方法是:
[0023]2A)設(shè)第二 MODIS NDVI時(shí)間序列為X，第二 HJ NDVI時(shí)間序列為Y，計(jì)算波動(dòng)序列的中心界限CL和上界限UCL，如下式所示:
[0024]
【權(quán)利要求】
1.一種基于MODIS遙感影像的高分辨率遙感影像植被指數(shù)時(shí)間序列校正方法，包括以下步驟: 1)獲取預(yù)定區(qū)域、預(yù)定時(shí)間段的HJ-1A/1B遙感影像數(shù)據(jù)以及該區(qū)域同時(shí)間段的MODIS遙感數(shù)據(jù)； 2)讀取MODIS遙感數(shù)據(jù)，獲得MODIS遙感影像中每個(gè)像元的NDVI值、實(shí)際成像日和質(zhì)量評(píng)價(jià)值，其中所述質(zhì)量評(píng)價(jià)值分為以下幾類:“_1”表示沒有評(píng)價(jià)結(jié)果，“0”表示數(shù)據(jù)質(zhì)量非常好，“ I”表示數(shù)據(jù)可用但是質(zhì)量一般，“2”表示有雪冰覆蓋，“3”表示有云層干擾； 3)分別將所有MODIS遙感影像中具有相同坐標(biāo)值的像元的NDVI值按實(shí)際成像日的時(shí)間順序組合成第一 MODIS NDVI時(shí)間序列，將所述第一 MODIS NDVI時(shí)間序列中質(zhì)量評(píng)價(jià)值不等于0和I的像元的NDVI值用該序列中其相鄰的NDVI值的插值進(jìn)行代替，得到第二MODIS NDVI時(shí)間序列； 4)對(duì)每幅HJ-1A/1B遙感影像像元的植被指數(shù)進(jìn)行歸一化處理，得到為HJNDVI影像； 5)分別將所有HJNDVI影像中具有相同坐標(biāo)值的像元的NDVI值按實(shí)際成像日的時(shí)間順序組合成與坐標(biāo)值對(duì)應(yīng)的第一HJ NDVI時(shí)間序列，并依照第二MODIS NDVI時(shí)間序列的實(shí)際成像日對(duì)第一 HJ NDVI時(shí)間序列按最相鄰的NDVI值進(jìn)行插值，得到與第二 MODIS NDVI時(shí)間序列的實(shí)際成像日相一致的第二 HJ NDVI時(shí)間序列； 6)對(duì)所述預(yù)定區(qū)域中MODIS遙感影像的每一個(gè)像元，找到在空間上被該像元覆蓋的HJ-1A/1B遙感影像中的像元，兩者存在覆蓋關(guān)系的第二 MODIS NDVI時(shí)間序列和第二 HJNDVI時(shí)間序列構(gòu)成時(shí)間序列對(duì)，對(duì)所述時(shí)間序列對(duì)以第二 MODIS NDVI時(shí)間序列為標(biāo)準(zhǔn)序列做協(xié)整檢驗(yàn)； 7)通過了協(xié)整檢驗(yàn)的時(shí)間序列對(duì)的第二MODIS NDVI時(shí)間序列減去相對(duì)應(yīng)的第二 HJNDVI時(shí)間序列得到波動(dòng)序列；對(duì)該波動(dòng)序列進(jìn)行異常區(qū)段檢驗(yàn)得到正常波動(dòng)區(qū)段和異常波動(dòng)區(qū)段，并將第二 HJ NDVI時(shí)間序列按正常波動(dòng)區(qū)段和異常波動(dòng)區(qū)段的實(shí)際成像日劃分為正常HJ NDVI時(shí)間區(qū)段和異常HJ NDVI時(shí)間區(qū)段； 8)對(duì)第二HJNDVI時(shí)間序列中的異常HJ NDVI時(shí)間區(qū)段進(jìn)行校正，得到所述預(yù)定區(qū)域、預(yù)定時(shí)間段內(nèi)具有較高時(shí)間分辨率的高分辨率遙感影像時(shí)間序列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MODIS遙感影像的高分辨率遙感影像植被指數(shù)時(shí)間序列校正方法，其特征在于:在執(zhí)行第6)步之前，首先將第二 MODIS NDVI時(shí)間序列和和第二 HJNDVI時(shí)間序列進(jìn)行Savitzky-Golay濾波。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MODIS遙感影像的高分辨率遙感影像植被指數(shù)時(shí)間序列校正方法，其特征在于:第8)步中，利用正常HJ NDVI時(shí)間區(qū)段與相應(yīng)時(shí)間段的第二 MODISNDVI時(shí)間序列對(duì)所述異常HJ NDVI時(shí)間區(qū)段進(jìn)行校正。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MODIS遙感影像的高分辨率遙感影像植被指數(shù)時(shí)間序列校正方法，其特征在于:第4)步中對(duì)每幅HJ-1A/1B遙感影像進(jìn)行歸一化前，先對(duì)每幅HJ-1A/1B遙感影像進(jìn)行輻射校正和幾何精校正。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MODIS遙感影像的高分辨率遙感影像植被指數(shù)時(shí)間序列校正方法，其特征在于，第6)步中對(duì)所述時(shí)間序列對(duì)進(jìn)行協(xié)整檢驗(yàn)的方法是: 1A)使用ADF檢驗(yàn)方法判斷對(duì)應(yīng)的所述時(shí)間序列對(duì)中的第二 MODIS NDVI時(shí)間序列和和第二 HJ NDVI時(shí)間序列是否為同階單整，若同階單整，則轉(zhuǎn)到第1B)步；若非同階單整，則所述時(shí)間序列對(duì)不具備協(xié)整關(guān)系； 1B )對(duì)同階單整的時(shí)間序列對(duì)進(jìn)行協(xié)整回歸，使用ADF方法檢驗(yàn)回歸殘差的平穩(wěn)性，若殘差平穩(wěn)，則所述時(shí)間序列對(duì)是協(xié)整的，兩者具有相依關(guān)系；否則兩者不具備協(xié)整關(guān)系。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MODIS遙感影像的高分辨率遙感影像植被指數(shù)時(shí)間序列校正方法，其特征在于，第7)步中對(duì)波動(dòng)序列進(jìn)行異常區(qū)段檢驗(yàn)的方法是: 2A)設(shè)第二 MODIS NDVI時(shí)間序列為X，第二 HJ NDVI時(shí)間序列為Y，計(jì)算波動(dòng)序列的中心界限CL和上界限UCL，如下式所示:

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于MODIS遙感影像的高分辨率遙感影像植被指數(shù)時(shí)間序列校正方法，其特征在于，第8)步中對(duì)所述異常HJ NDVI時(shí)間區(qū)段進(jìn)行校正的具體方法如下: 3A)設(shè)正常波動(dòng)區(qū)段對(duì)應(yīng)的第二 MODIS NDVI時(shí)間序列為Xe，正常波動(dòng)區(qū)段對(duì)應(yīng)的第二HJ NDVI時(shí)間序列為Yc,對(duì)Xc和Yc進(jìn)行協(xié)整回歸，以最小二乘法得到回歸參數(shù)a、β^的估計(jì)值以及殘差序列ec ； 其中協(xié)整回歸公式為:
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MODIS遙感影像的高分辨率遙感影像植被指數(shù)時(shí)間序列校正方法，其特征在于:所述MODIS遙感數(shù)據(jù)是MODIS M0D13Q1和MODIS MYD13Q1數(shù)據(jù)。
【文檔編號(hào)】G01S17/88GK103617629SQ201310690726
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】劉永學(xué), 汪業(yè)成, 張群, 李滿春, 王加勝, 程亮, 張荷霞, 孫超, 趙賽帥, 成王玉, 鄒偉 申請(qǐng)人:南京大學(xué)