基于表观热惯性的卫星土壤水分产品空间降尺度分析方法及系统

本发明涉及遥感，特别是一种基于表观热惯性的卫星土壤水分产品空间降尺度分析方法及系统。

背景技术：

1、土壤水分是土壤、水、气候和植被相互作用的关键组成部分,对农业管理、干旱监测有着深远影响。自20世纪70年代末以来，被动和主动微波遥感卫星已被广泛用于地面sm检索，如用于地球观测系统的先进微波扫描辐射计e(amsr-e)和先进微波扫描辐射计2(amsr2)，扫描多通道微波辐射计(smmr)，欧洲遥感卫星(ers)1号和2号上的主动微波仪器风散射计(ami-ws)和气象业务卫星(metop)-a和b上的先进散射计(ascat)。

2、这些微波传感器可以穿透云、雨、雾在全天候条件下监测土壤水分，同时对土壤水分信息更敏感，从而可靠地估算空间土壤水分。欧洲航天局的水循环多任务观测战略和气候变化倡议(esa cci)项目将不同的被动和主动微波产品合并成一个全球、一致和长期的微波数据产品。不过cci sm的25公里空间分辨率适用于全球和大尺度土壤湿度监测，但不足以满足农业监测和干旱预测等小尺度或局部区域的土壤水分监测需求，这些应用通常需要1-10公里的高空间分辨率。

3、因此，被动微波土壤水分空间降尺度逐渐成为近年来土壤水分研究领域的热点方向之一，从而能快速、准确地估算和监测土壤水分时空信息。而光学/热红外(tir)传感器凭借其能在更高的空间分辨率上提供土壤水分的补充信息，在粗分辨率sm降尺度中发挥着重要作用。已有研究证实：地表温度、植被指数和反照率是土壤水分动态的良好指标，通过这些参数能间接探测土壤水分状态。目前，被动微波遥感土壤水分降尺度方法有很多，从经验回归方法到基于物理的模型再到深度学习，这些方法大多都是基于地表温度与植被指数的关系。这主要是因为vi和lst构成的特征空间可以用来解释陆表水热交换过程差异，尤其是不同植被覆盖条件下地表土壤水分和蒸散发与地表温度之间的相互作用关系。

4、大量研究证明，在绘制非均质研究区的遥感地表温度(lst)和植被指数(vi)时，由于lst对裸地和植被覆盖区的sm变化的敏感性不同，散点图的形状通常类似于具有物理意义的三角形或梯形特征空间；进而提出了空间降尺度关系模型的尺度不变性。在特征空间内，土壤水分的增加使得植物的蒸腾效率提升，从而导致地表温度降低，即越接近湿边；反之土壤水分的减少地表温度在特征空间中更接近干边。基于这一特征空间，利用lst和vi可计算与土壤水分相关的温度/植被指数，并将其应用于空间权重分解法ucla中，如温度植被干旱指数(tvdi)、条件温度植被指数(vcti)和植被温度条件指数(vtci)。凌自苇等在改进传统ucla法的基础上，使用了两种常用于估算土壤湿度的温度/植被指数——tvdi和vtci代替原方法的sw指数,结果表明：这三种指数均能得出合理的降尺度结果，而tvdi和vtci的降尺度结果稍优于sw，说明tvdi和vtci更适合作为ucla法的降尺度因子。

5、由于蒸散发和土壤水分对lst的不确定性敏感，同时热惯性(ti)已被发现与近表面sm或表面成分密切相关。综合考虑蒸散发和土壤湿度的相互作用，将热惯性与所谓的“三角法”结合来估算遥感观测的土壤湿度，显示出了很大的应用潜力。而ti难以计算且参数难以获取，研究已经开发了许多替代ti的方案，其中，ati相对于ti在应用上的优势在于可以根据卫星数据的地表反照率和地表日温差来计算ati。lu等提出了一种基于ati-ndvi空间估算土壤水分的方法，结果表明该方法适用于从裸露土壤到完全植被，表面含水量从湿到干的整个范围的区域。

6、另一方面，研究人员对不同的植被指数(如ndvi、evi和ndwi)进行了评估，以表征sm与植被之间的三角/梯形空间关系。但在实际应用选择植被指数时，应重视指数的光谱灵敏度和特性，优先选取能够减弱或消除土壤背景影响的指数；并评估植被指数在土壤水分降尺度应用中的适用性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供基于表观热惯性的卫星土壤水分产品空间降尺度分析方法及系统，该方法利用改进的自动边缘确定算法构建ati-vi空间进行土壤水分降尺度分析。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供的基于表观热惯性的卫星土壤水分产品空间降尺度分析方法，包括以下步骤：

4、s1：基于表观热惯性和植被参数构建三角空间；

5、s2：基于三角空间计算得到表观热惯性/植被干旱指数；

6、s3：通过敏感性分析确定最优配置的avdi；

7、s4：将最优配置的avdi应用于权重分解降尺度模型，得到预设分辨率的土壤水分数据。

8、进一步，所述三角空间采用改进的迭代拟合算法，具体包括以下步骤：

9、(1)首先将三角空间中的植被指数的取值范围平均分为10个大区间，再将每个大个区间划分为5个子区间。

10、(2)接着找出并保存每个子区间ati的最大值和最小值。

11、(3)然后，每个大区间的最值就是其子区间的均值。

12、a.由于干边的数据分布较平稳，故采用三倍标准差剔除异常值后，对数据取平均得到每个大区间的atimin。

13、b.而湿边数据存在较多离群值。为了减少异常或虚假观测对确定湿边缘的影响，采用的迭代拟合方法如下：1.计算5个子区间的atimax均值(μ)和标准偏差(σ)。2.如果每个子区间的atimax小于μ-σ，则丢弃该子区间，然后回到上一步。直到所有子区间的atimax都大于μ-σ，或达到最小区间数η＝2。3.对湿边数据进行拟合，并计算拟合后结果的均方根误差rmse。4.如果某个区间的atimax是rmse的2倍或以上，则丢弃该区间，并回到上一步。直到所有区间满足要求或达到最小区间数。

14、(4)最后针对10个大区间的最值分别进行干湿边拟合，从而得到干湿边的拟合系数a和b。

15、进一步，所述表观热惯性是由地表温度和地表反照率估计的，其计算公式如下：

16、

17、δt＝tday-tnight

18、其中ati为表观热惯性，a为实际地表反照率，δt是每日温差，tday是8天平均日间地表温度，tnight是8天平均夜间地表温度，这些参数可直接从rs数据中计算得到。本文取白天和夜晚地表反照率的均值作为实际地表反照率。

19、进一步，所述三角空间为ati-vi特征空间，所述ati-vi特征空间是基于研究区内全范围的植被覆盖和土壤水分可用性下，由表观热惯性ati与植被指数vi的散点图形成的特征空间，所述表观热惯性/植被干旱指数avdi按照以下公式计算：

20、

21、其中，atii为像元i的表观热惯性；

22、atii,min为与像元i具有相同vi值的最小表观热惯性；

23、atii,max为与像元i具有相同vi值的最大表观热惯性。

24、进一步，所述最优配置的avdi是利用lai和ati估计avdi，具体包括以下步骤：

25、1.ati是由myd11a2 lst数据和glass02a06 albedo数据根据公式计算得到8天时间分辨率、1公里分辨率结果。

26、2.将mcd15a2h lai的空间分辨率由500米重采样至1公里。

27、3.在时空分辨率一致的情况下，基于ati-lai空间，利用公式计算得到最优配置的avdi。

28、进一步，所述植被指数vi包括归一化植被指数ndvi、增强植被指数evi和改进的土壤调整植被指数msavi、植被近红外反射率nirv、叶面积指数lai和光合有效辐射吸收比例(fpar)；

29、所述表观热惯性ati是植被指数vi的线性函数：

30、atii＝ai×vi+bi；

31、其中，ai和bi表示拟合系数。

32、本发明提供的基于表观热惯性的卫星土壤水分产品空间降尺度分析系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法。

33、本发明的有益效果在于：

34、本发明提供的基于表观热惯性的卫星土壤水分产品空间降尺度分析方法，土壤水分是陆面生态水文循环的重要组成部分，对于农业生产、生态规划、干旱监测等具有极其重要的意义。为了提高卫星土壤水分产品的空间分辨率，将其应用于农业监测之类的区域水文研究，目前常用的降尺度方法是地表温度-植被指数(lst-vi)，基于lst-vi空间，利用改进的自动边缘确定算法构建了一种ati-vi空间的土壤水分降尺度方法。并在澳大利亚土壤水分监测网络(msmmn)和欧空局水循环多任务观测战略和气候变化倡议(esa cci)土壤水分数据上验证了该方法的有效性和稳健性。此外，许多sm降尺度研究都是使用一种或几种植被指数进行的，却没有评估和分析过不同类型植被指数的效果。为此，本实施例在进行降尺度之前，还分析了不同植被指数(包括ndvi、evi、nirv、msavi、lai和fpar)参与估计的avdi的性能，并发现lai是最能反映植被覆盖度的指标。通过与cci sm数据的时空格局对比以及对季节和土地利用分析，结果表明，降尺度的1km sm在复制cci sm精度的同时，显著改善了cci sm的空间细节，并表现出了精细尺度的空间变异性。与原位sm测量值相比，降尺度的精度达到0.694，偏差为0.027。通过时间序列分析，发现cci sm及其降尺度sm比原位sm对降雨更敏感。本方法中的降尺度方法在半干旱地区如澳大利亚murrumbidgee流域展现出了显著的应用潜力，能为小流域的农田管理和水文分析提供数据支撑。该方法操作简单，不涉及复杂的物理变量，在半干旱地区如澳大利亚murrumbidgee流域及其类似地区的土壤水分降尺度研究中展现出了显著的应用潜力。

35、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。