基于成对hj-1b影像时空信息的地表温度反演方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于成对HJ-1B影像时空信息的地表温度反演方法。该方法是针对现有的单窗（或单通道）算法在应用中所存在的参数获取困难而提出的一种新策略。实现该方法的步骤为：S1：获取研究区两个成对时相的HJ-1B影像，并进行相应的预处理；S2：对预处理后的影像以对称的方式进行边界延拓处理；S3：识别相似像元及其数目，确定相应的反演方法；S4：依据S3的判定结果，构建辐射传输方程组，并求解地表辐射值；S5：循环进行S3~S4,得的整个研究区在两个时相的地表辐射值，进行异常值识别和处理；S6：由处理后的地表辐射值反演地表温度。本发明能在相关参数无法准确获取的情况下准确反演地表温度，将有效促进HJ-1B热红外数据的定量应用。
【专利说明】基于成对HJ-1B影像时空信息的地表温度反演方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及热红外遥感【技术领域】，更具体的是在地表比辐射率和大气参数均未知 的情况下，利用两个成对时相HJ-IB影像的时空信息，从单一热红外波段的辐射亮度直接 定量反演地表温度的方法。
【背景技术】
[0002] 地表温度是影响生态系统的关键因子之一，它与许多地表过程有关。热红外卫星 遥感技术被认为是现阶段获取区域和全球尺度地表温度信息的一个可行且有效的手段。为 了实现从热红外卫星遥感影像准确提取地表温度信息，国内外研究人员提出了一系列的反 演方法，如单窗(或单通道)算法、劈窗算法、温度/比辐射率分离算法、白天/昼夜法。与其 它方法相比，单窗(或单通道）算法的优势在于它能从单一热红外波段影像反演地表温度。 因此，在实际应用中，对于Landsat TM/ETM+，CBERS，HJ-IB等仅具有单一热红外波段的传 感器，单窗(或单通道)算法是唯一的选择。由辐射传输方程可知，为了从单一热红外波段影 像准确地反演地表温度，需要同时对大气影响和地表比辐射率进行校正。已有的研究通过 大量的模拟实验和简化假设提出了相应的经验算法模型及其改进形式（Qin和Karnieli， 2001 ; Jimenez-Munoz 和 Sobrino, 2003;张勇等，2006;段四波等，2008 ;Jimenez_Munoz 等，2009;Cristobal 等，2009)。
[0003] 然而,这些经验的算法均以地表比辐射率和大气参数(如大气平均温度、大气水分 含量）已知为前提。目前，对地表比辐射率的估算主要采用地表覆盖分类赋值法（Synder 等，1998)和植被指数法（Valor 和 Caselles，1996 ;覃志豪等，2004 ;Sobrino 等，2008)。 基于地表覆盖分类的方法需要预先知道不同地类的比辐射率，并认为每个类别的比辐射率 是固定不变的，这显然是不合理的；尽管基于植被指数的方法考虑了像元的组分差异，但依 然需要预先确定代表性组分的比辐射率，如土壤，植被等。另外，受准确大气参数获取条件 的限制，很多研究多假定整个研究区域的大气状态是均一分布的，在地表温度反演过程中 不考虑大气的影响，如Artis和Carnahan (1982)在早期所提出的一个单窗算法就没有考 虑大气的影响，因此利用该算法不能得到真实的地表温度。由于大气状态往往存在一定程 度的空间异质性，假定大气状况均质，不进行大气校正，或以某一点代替整个区域必将给遥 感地表温度反演带来误差（陈峰等，2010)。理论上，可以从MODIS的大气产品（如MOD 05) 提取现有经验算法所需的大气参数，但是该产品自身的不确定性可能会在有些情况下给最 终的地表温度结果带来不利影响。可见，由于在准确获取相关参数方面存在的困难，将在一 定程度上限制现有的单窗(或单通道）算法实施，从而也将影响HJ-IB单一热红外波段数据 的定量应用。
[0004] 本发明针对HJ-IB星的高回访频率的特点，利用两个成对时相HJ-IB影像的时空 信息，基于两个合理的假设，提出一种直接从单一热红外波段影像反演地表温度的方法，而 无需过度依赖准确的地表比辐射率和大气参数信息。因此，该新方法可以视为对现有的单 窗(或单通道）算法的有益补充。
【发明内容】
[0005] 要解决的技术问题本发明主要解决的技术问题是：在无法准确获取研究区地表 比辐射率和大气参数(如大气水分含量，大气平均作用温度）的情况下，即无法有效实施现 有的单窗(或单通道）算法时，实现从HJ-IB影像准确反演地表温度。
[0006] 技术方案为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于成对HJ-IB影像时空 信息的地表温度反演方法，包括以下步骤： Sl获取研究区两个时相的HJ-IB影像(含C⑶多光谱和IRS热红外影像)，结合官方公 布资料和影像头文件信息，相应地，计算C⑶影像的各波段的星上反射率值和IRS热红外 影像辐射亮度值；并对HJ-IB C⑶反射率影像和热红外波段辐射影像进行地理校正等预处 理； S2对预处理后的影像以对称的方式进行边界延拓处理； S3依据每个目标像元所在的滑动窗口范围内各像元的光谱相似度指数，识别相似像 元及其数目，确定相应的反演方法； S4依据S3的结果，相应地提取相似或准相似像元的辐射值，构建一个简化的辐射传 输方程组，通过一个带约束的非线性优化模型实现对该方程组的求解，得到目标像元在两 个成对时相的地表辐射值； S5对延拓后的影像循环进行S3~S4，得的整个研究区两个时相的地表辐射值，并对其 进行异常值识别和处理； S6利用普朗克反方程或其简化模型从处理后的地表辐射值反演地表温度，并同时保 存反演方法的标识信息。
[0007] 有益效果本发明可以在地表比辐射率和大气参数均无法准确获取的情况下，仅 利用两个成对时相HJ-IB影像的时空信息实现对地表温度的准确反演，克服了现有的方法 对辅助信息过于依赖的问题，进而能在一定程度上促进单一热红外波段影像的定量应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1是一种基于成对时相HJ-IB影像时空信息的地表温度反演方法示意图。
[0009] 图2是基于本发明的两个时相HJ-IB地表温度反演结果图。
【具体实施方式】
[0010] 以下结合附图和具体实施例，对本发明提供的基于成对HJ-IB影像时空信息的地 表温度反演方法进行详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，而不是用来限制本发明的 范围。如图1所示，本发明基于成对HJ-IB影像时空信息的地表温度反演方法，主要包括以 下步骤： Sl获取研究区影像，并进行辐射校正、地理校正、重采样和裁剪预处理 在本实施例中，获取时相相近的两景HJ-IB IRS影像(获取时相分别为2011年12月 18日和2011年12月22 (path/row :452/91)，后文分别记为时相T18和T22)，并以珠江三 角洲的主要区域为实验区。由于数据质量的影响，仅有与T18相同时相的一景HJ-IB CCD2 多光谱影像（path/row: 454/90)是可用的(均来自http://www.cresda.cn)。因此，本实 施例中假定两个时相的地表状态相同，则可用T18时相的CCD影像充当T22时相的影像，而 不对最终的结果产生影响。一景Landsat5 TM影像（获取时相为2009年1月2日，path/ row: 122/44)，作为地理校正的参考影像。将HJ-IB CXD影像和IRS热红外波段的DN值转 换为辐射值，并进一步将C⑶辐射值影像转换为星上反射率值。以Landsat5 TM为参考影 像，在ENVI软件平台上，通过人工目视解译和对比判别，在Landsat5 TM影像、以上各HJ-IB CCD星上反射率和IRS热红外辐射影像选取15个均匀分布的特征同名点，并采用二次多项 式模型对HJ-IB CXD星上反射率和IRS热红外辐射影像进行地理校正。由于HJ-IB C⑶影 像和IRS热红外影像存在空间分辨率差异，这里将HJ-IB C⑶星上反射率（30mX30m)结果 重采样到300mX 300m，并裁剪确定最终的研究区影像； S2对预处理后的影像进行边界延拓处理 为了得到研究区完整的反演结果，采用对称的方式对Sl中预处理后的CCD星上反射率 影像和IRS热红外辐射亮度值影像均进行边界延拓处理，在本实施例中延拓宽度取值为3 个像元； S3识别相似像元及其数目，确定相应的反演方法 依据每个目标像元所在的滑动窗口范围(本实施例中定义为7X7像元的范围）内各像 元的光谱相似度指数，识别相似像元及其数目，确定相应的反演方法。本发明中采用RMSD 指数（Chen等，2011)来度量某个像元与目标像元的光谱相似度，RMSD指数通过下式计算：
【权利要求】
1. 一种基于成对HJ-1B影像时空信息的地表温度反演方法，其特征在于包括以下步 骤： S1:获取研究区两个成对时相的HJ-1B影像(含(XD多光谱和IRS热红外影像)，结合 官方公布资料和影像头文件信息，相应地，计算CCD影像的各波段的星上反射率值和IRS热 红外影像辐射亮度值；并对HJ-1B C⑶反射率影像和热红外波段辐射影像进行地理校正等 预处理； S2:对预处理后的影像以对称的方式进行边界延拓处理； S3:依据每个目标像元所在的滑动窗口范围内各像元的光谱相似度指数，识别相似像 元及其数目，确定相应的反演方法； S4:依据S3的结果，相应地提取相似或准相似像元的辐射值，构建一个简化的辐射传 输方程组，通过一个带约束的非线性优化模型实现对方程组的求解，得到目标像元在两个 时相的地表福射估计值； S5:对延拓后的影像循环进行S3飞4，得的整个研究区两个时相的地表辐射值，并对 其进行异常值识别和处理； S6:利用普朗克反方程或其简化模型从处理后的地表辐射值反演地表温度，并同时保 存与反演方法相关的标识信息。
2. 如权利要求1所述的基于成对HJ-1B影像时空信息的地表温度反演方法，其特征 在于利用了两个成对HJ-1B影像的时空信息，输入影像包括：HJ-1B C⑶多光谱星上反射率 影像和HJ-1B IRS热红外辐射亮度值影像，所述步骤S1中需分别将C⑶多光谱和IRS热 红外的原始DN值影像分别转换为星上反射率和辐射亮度，并进行地理校正、C⑶影像重采 样和研究区裁剪处理；由于目前HJ-1B卫星在地理定位方面存在的偏差问题，因此采用与 HJ-1B影像相近时相的Landsat TM/ ETM+作为参考影像，进一步对HJ-1B C⑶星上反射率 影像和IRS热红外波段辐射亮度值影像进行地理校正；为了解决HJ-1B C⑶影像和IRS热 红外影像在空间分辨率方面存在的差异，这里将HJ-1B C⑶星上反射率（30mX 30m)结果重 采样到300mX 300m，与热红外影像同空间分辨率，并裁剪影像确定最终的研究区影像。
3. 如权利要求1所述的基于成对HJ-1B影像时空信息的地表温度反演方法，其特征 在于，所述步骤S2中，为了得到研究区完整的反演结果，采用对称的方式对S1中预处理后 的C⑶星上反射率影像和IRS热红外辐射亮度值影像均进行边界延拓处理，延拓宽度为像 元大小(为反演方法中所采用滑动窗口的大小，如3, 5, 7,9,…;鉴于HJ-1B IRS热红外影 像的300mX 300m的空间分辨率，结合我们以往的研究，我们建议取7个像元，这样延拓宽度 为3个像元)。
4. 如权利要求1所述的基于成对时相HJ-1B影像时空信息的地表温度反演方法，其 特征在于，所述步骤S3中，定义了滑动窗口范围内的相似或准相似像元，并认为它们具有 相同的光谱和热辐射特性，进而在每个像元所在的滑动窗口内选取合理的像元参与对目标 像元地表辐射值的优化求解；具体而言，采用了 RMSD指数来度量某个像元与目标像元的相 似程度，通过与阈值比较来确定该像元是否为相似像元。
5. 如权利要求1所述的基于成对HJ-1B影像时空信息的地表温度反演方法，其特征 在于，所述步骤S3中，统计滑动窗口内目标像元的相似像元数N，并依据N确定相应的求解 策略。
6. 如权利要求1所述的基于成对时相HJ-1B影像时空信息的地表温度反演方法，其 特征在于，本发明中的两个合理假设：（a)在正常天气状况下，短时间内在同一空间位置， 地表比辐射率不变；（b)小空间范围内（本发明中用滑动窗口来表示）的大气条件相同或差 异可以忽略；并且某一目标像元，在一定空间范围内存在N个与其类别相同（或相似）的像 元（即相似像元）；在具体的实施中，本发明的特征还在于，所述步骤S4中，利用目标像元和 所选取的相似或准相似像元的辐射亮度值信息，构建一个简化的辐射传输方程组，通过建 立一个带约束的非线性优化模型实现对该方程组的求解，得到目标像元在两个成对时相的 地表辐射值。
7. 如权利要求1所述的基于成对时相HJ-1B影像时空信息的地表温度反演方法，其 特征在于，所述步骤S5中，依据滑动窗口内相似像元(或准相似像元）具有相同的地表比辐 射率，且受到的大气影响相同，则该空间范围内各相似像元间的辐射亮度观测量差异仅与 地表温度的差异有关，基于这一原则可判定，对某目标像元的地表辐射的估计是否异常。
【文档编号】G01J5/00GK104236716SQ201310238628
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月17日 优先权日:2013年6月17日
【发明者】陈 峰, 赵小锋, 全元 申请人:中国科学院城市环境研究所