一种降低卫星遥感地表温度验证不确定性的方法及系统

本发明属于卫星遥感地表温度，尤其涉及一种降低卫星遥感地表温度验证不确定性的方法及系统。

背景技术：

1、地表温度作为一种地表与大气之间能量交换的重要过程参数，广泛的应用在生态环境、气候变化等相关研究中。对大范围区域研究时广泛使用卫星遥感数据反演的地表温度数据。高精度的地表温度数据可为研究生态环境、气候变化等提供良好的数据支持。卫星遥感地表温度在实际应用前需对其精度进行验证。遥感反演地表温度作为一种遥感产品，其验证产生不确定性的主要原因之一是地面实测温度与卫星像元在空间尺度上存在差异。因为地面实测温度往往是点或者小范围内进行测量的，而卫星热红外遥感数据的空间分辨率普遍在60m以上，将两者放在一起进行比较时空间范围差异会对结果产生显著影响，尤其是下垫面异质性较强时这种问题更为突出，所以在用实测的数据对反演结果进行验证时需要经过尺度转换，而不能直接用来验证。

2、现有地表温度验证技术主要分为四类。第一类是使用地面实测温度直接验证。工作人员在研究区内选取若干个测量地点，用试验仪器测量地面温度，然后与卫星遥感地表温度进行对比验证。这种方法操作简便，但是却忽略了地面实测温度与遥感像元的温度之间客观存在的空间范围差异，而是把这种差异与反演结果误差都归因于反演过程中某些参数的估算或算法本身所引起的反演误差，因此难以对算法或反演结果的精度进准确评价。第二类是使用模拟数据验证。使用模拟数据对反演算法本身进行评价，可以不受尺度差异的影响，同时忽略部分参数的估算误差的影响，因此不能反映反演结果真正的误差情况。第三类是使用其他遥感地表温度产品进行交叉验证。这种方法可以在一定程度上体现结果的相对精度，但是没有考虑其他地表温度产品自身的误差。使用这种验证方法并不能对反演结果的精度进行准确计算。第四类是选取特殊区域的实测地表温度进行验证。这种方法与第一种方法类似，但在地表温度测量时只选取异质性弱的区域，如水面、平坦的沙地等。这种方法可以忽略尺度差异给验证带来的影响，但不能准确反映异质性强的区域卫星遥感地表温度的精度。

3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有直接验证技术通常忽略或者规避地面实测温度观测范围与遥感温度像元尺寸之间空间范围差异的影响，在异质性强的区域将给卫星遥感地表温度验证带来较大不确定性，不能准确反映其精度。现有间接验证技术只能评价遥感算法本身精度或遥感产品之间的精度差异，不能全面反映遥感地表温度数据的精度。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种降低卫星遥感地表温度验证不确定性的方法及系统。

2、本发明是这样实现的，一种降低卫星遥感地表温度验证不确定性的方法，所述降低卫星遥感地表温度验证不确定性的方法包括以下步骤：

3、步骤一，计算卫星像元异质性；

4、步骤二，通过高分辨率卫星反射率拟合地表温度；

5、步骤三，基于组分温度加权计算进行拟合地表温度修正。

6、进一步，步骤一中使用分辨率较高的aster和landsat-8反射率数据计算变异系数，定量的表示各个地面测量站点的传感器视场内以及站点所在modis(moderateresolution imaging spectroradiometer)地表温度像元内的异质性。

7、进一步，异质性可由变异系数来量化，由下式表示：

8、

9、式中，cv为变异系数；σ为选取区域内各像元反射率的标准差；μ为选取区域内各像元反射率的平均值。

10、进一步，步骤二中使用高分辨率卫星反射率数据可通过拟合的方式表示地表温度，拟合关系由下式表示：

11、

12、式中，tlst为卫星地表温度，单位k；i为波段编号；j为变量的次数；aij和bij为拟合系数；ri为波段i的反射率；cvi为波段i中像元的3×3、5×5或7×7邻域的变异系数。

13、进一步，步骤三中使用小范围组分温度通过加权计算得到小范围的地表温度t1；然后使用小范围的反射率代入拟合关系得到小范围地表温度t2，t1与t2间的辐射出射度差值δm。

14、进一步，使用小范围内(如30m范围内)获取的δm来对大范围拟合的地表温度进行修正，最后将修正后的拟合计算地表温度重采样到所需的空间分辨率。

15、进一步，修正方法由下式表示：

16、

17、式中，tf'为修正后的拟合温度，单位为k；tf为拟合计算得到的地表温度，单位为k；δm为小范围组分温度加权计算地表温度与拟合地表温度间辐射出射度的差值，此处组分温度获取的空间范围应大于等于反射率数据的空间分辨率。

18、本发明的另一目的在于提供一种降低卫星遥感地表温度验证不确定性的方法的降低卫星遥感地表温度验证不确定性的系统，该系统包括：

19、异质性计算模块，用于计算卫星像元异质性；

20、地表温度拟合模块，用于通过高分辨率卫星反射率拟合地表温度；

21、地表温度修正模块，用于基于组分温度加权计算进行拟合地表温度修正。

22、一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的降低卫星遥感地表温度验证不确定性的方法的步骤。

23、一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现所述的降低卫星遥感地表温度验证不确定性的系统。

24、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

25、第一，本发明通过结合实测地表组分温度加权计算地表温度和拟合地表温度间的辐射出射度差值来修正大范围拟合的地表温度，提升了异质性下垫面小范围实测地表温度向卫星地表温度像元尺度转换的空间代表性。使用修正后的拟合地表温度验证卫星遥感地表温度的不确定性。

26、本发明能够提升地面实测温度空间尺度代表性，能够降低卫星遥感地表物温度验证不确定性。

27、第二，本发明系统成功地提供了一种降低卫星遥感地表温度验证不确定性的新方法。该系统通过三个核心模块的协同工作，包括异质性计算模块、地表温度拟合模块和地表温度修正模块，实现了对地表温度的精确监测。

28、以下是这一系统所取得的主要技术进步：

29、1)异质性计算：该技术可以精确地计算卫星像元内的地表异质性，理解并量化像元内的温度差异，这在以往的技术中是难以实现的。

30、2)高分辨率地表温度拟合：通过分析高分辨率卫星的反射率数据，利用先进的拟合算法模拟出地表温度。这种方法显著提高了温度监测的准确性。

31、3)地表温度修正：该系统通过基于异质性和组分温度的加权平均，能够根据像元内部的实际地表情况调整和修正地表温度，从而降低了遥感温度监测的不确定性。

32、4)实用价值：这种方法对于环境监测、气候变化研究以及农业管理等多个领域具有重要的实用价值。它不仅可以提供更准确的地表温度数据，还能帮助科研人员和决策者更好地理解和预测气候变化。

33、本发明提供的系统结合了高分辨率卫星数据、异质性计算和地表温度修正等多种技术手段，实现了对卫星遥感地表温度监测的准确性大幅提升，是卫星遥感领域的一项重要创新。