一种遥感产品像元尺度真值的获取方法与流程
本发明涉及一种方法，尤其涉及一种遥感产品像元尺度真值的获取方法。
背景技术：
遥感技术能够实时快速地获取大范围的地球表层空间信息，为资源调查、环境监测、灾害预报等提供了有效的技术支持。利用先进的遥感技术能够迅速、准确、高效、全面地获取地学信息，为地学研究提供了有力的数据保障。然而，利用遥感技术进行遥感产品的获取是一个复杂的处理过程，其是在基于模型知识的基础上，依据遥感观测数据和遥感反演模型去反推目标的状态参数。在这一过程中，随着遥感观测数据的空间分辨率的降低，相应的尺度误差日益突显出来，制约了定量遥感反演精度的提高，限制了定量遥感应用的发展。尺度误差存在的根本原因在于大多数的遥感反演模型都是通过分析特定波长处遥感观测数据同实际目标状态参数之间的关系而建立起来的，亦即这些遥感反演模型通常都只适合于空间分辨率较高，地表下垫面可以理解为近似均一的情况。但是在实际应用中，特别对于中低分辨率而言，从卫星上获取到的遥感观测多数都是混合像元，不加任何改正就使用这些遥感反演模型有可能因为尺度的改变而带来较大的尺度误差，从而降低了遥感产品像元尺度的精度，造成遥感产品难以解译分析和有效利用，可能会造成对事物发生、发展过程的监测、预报得出截然不同的结论，严重影响了我国遥感产品的推广应用，使得相应的遥感应用难以再上新的台阶。
现有遥感产品像元尺度真值获取方法中，主要以泰勒级数展开数学工具为基础，通过计算遥感反演模型的二阶导项以及空间异质性来估算尺度误差，进而对大尺度遥感产品的尺度误差进行纠正，从而得到遥感产品像元尺度的真值。现有方法主要存在两大技术缺陷：
第一，基于泰勒级数展开式的像元尺度真值获取方法需要有小尺度先验数据作为支持，以获取像元尺度内的空间异质性作为尺度误差改正的必要输入。由于在实际应用过程中，要获取与大尺度遥感产品成像时间、观测几何等条件完全一致的配套小尺度数据难度相当大，一旦缺乏小尺度先验数据的支持，将无法对尺度误差进行准确估算，从而影响遥感产品真值的获取。
第二，基于泰勒级数展开式的像元尺度真值获取方法将展开式中三阶以及高于三阶的展开项忽略不计，而当遥感反演模型非线性程度较大时，空间尺度误差的估算将产生较大的误差，从而影响尺度误差的纠正精度。此外，该方法在尺度误差估算过程中要求遥感反演模型连续可导，而实际应用中遥感反演模型形式各异，当反演模型不连续或者不可导时，就无法应用该方法进行空间尺度误差的估算。
技术实现要素：
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种遥感产品像元尺度真值的获取方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种遥感产品像元尺度真值的获取方法，方法的整体步骤为：
1)、获取大尺度遥感产品；
2)、确定反演模型上包络线(面)和下包络线(面)；
3)、遥感产品真值计算模型的构建；
4)、确定上包络线(面)和下包络线(面)的权重系数；
5)、计算遥感产品像元尺度真值。
步骤1)中的大尺度遥感产品的获取方法为：下载大尺度遥感观测数据r，大尺度遥感观测数据r的空间分辨率为j米；选择在小尺度纯像元条件下发展构建的遥感反演模型f，遥感反演模型f的空间分辨率为i米；将大尺度遥感观测数据r作为遥感反演模型的输入变量，代入小尺度上建立的遥感反演模型f中，得到尺度误差未校正的大尺度粗略遥感产品p，如公式ⅰ所示：
p＝f(r)公式ⅰ
其中p为分辨率为j米的大尺度空间遥感反演产品；f为空间分辨率为i米的小尺度上发展构建的遥感反演模型；r为空间分辨率为j米的大尺度遥感观测数据。
步骤2)的具体方法为：遥感反演产品像元尺度真值的合理分布值域由反演函数的上、下包络线(面)所确定；在像元尺度内遥感观测值的分布情况如公式ⅱ所示：
p∈[f∨(r),f∧(r)]公式ⅱ
其中p为空间分辨率为j米的大尺度遥感反演产品；f∨(r)是空间分辨率为i米的小尺度遥感反演模型f在空间域中所对应的下包络线(面)；f∧(r)是空间分辨率为i米的小尺度遥感反演模型在f空间域中所对应的上包络线(面)；r为空间分辨率为j米的大尺度遥感观测数据。
步骤3)中的具体方法为：遥感观测数据在像元尺度内的分布不同，遥感产品像元尺度真值会向上包络线(面)或者下包络线(面)靠近；遥感产品像元尺度真值可按一定比例的权重分布在上、下包络线(面)之间，因此在空间分辨率为j米的大尺度中低分辨率遥感产品真值计算模型如公式ⅲ所示：
f(r)≈w×f∨(r)+(1-w)×f∧(r)公式ⅲ
其中f(r)是空间分辨率为j米的大尺度遥感产品真值计算模型；f∨(r)是空间分辨率为i米的小尺度遥感反演模型f在空间域中所对应的下包络线(面)；f∧(r)是空间分辨率为i米的小尺度遥感反演模型f在空间域中所对应的上包络线(面)；w是小尺度遥感反演模型上、下包络线(面)的权重系数；r为空间分辨率为j米的大尺度遥感观测数据。
步骤4)的具体方法为：
a、根据空间分辨率为i米的小尺度遥感反演模型建立的尺度与空间分辨率为j米的大尺度遥感产品的尺度二者之间的比例关系，将大尺度遥感产品进一步聚合成更大一级尺度，更大一阶尺度的空间分辨率k可由公式ⅳ确定：
其中，k为大尺度遥感反演产品进一步尺度上推聚合到的空间分辨率；n为大尺度遥感反演产品进一步尺度上推的聚合倍数；i为小尺度遥感反演模型建立尺度的分辨率；j为大尺度遥感反演产品的分辨率；mod为数学上四舍五入的取整符号；
b、根据公式ⅳ获取的尺度上推聚合的分辨率k，可以将大尺度遥感产品p以及大尺度遥感观测数据r通过n×n个像元的算术平均聚合进行尺度上推，获取模拟的更大尺度的遥感产品
其中，
c、利用步骤2)能够获取到小尺度遥感反演模型上、下包络线(面)的上、下边界凸包值，如公式ⅵ所示：
其中，
d、根据公式ⅴ和公式ⅵ可以获取到经上述模拟后空间分辨率为k米的更大一级尺度上遥感产品
其中，
e、结合公式ⅲ，遥感产品像元尺度的理论真值与上包络线(面)和下包络线(面)获取的上、下边界凸包值间的关系以公式ⅷ表示：
其中，
f、确定小尺度遥感反演模型上、下包络线(面)的权重系数，如公式ⅸ所示：
其中，w是小尺度遥感反演模型上、下包络线(面)的权重系数；
步骤5)的具体方法为：在已知权重系数w的基础上，将大尺度上的各个像元对应的上包络线(面)和下包络线(面)的值f∧(r)和f∨(r)代入公式ⅲ中，即可得到空间分辨率为j米的各个像元尺度上遥感产品的真值。
本发明提出了一种遥感产品像元尺度真值的获取方法，完全摆脱现有技术对小尺度数据高度需求的条件束缚，突破对遥感反演模型的连续可导且非线性程度低的要求限制，进一步提升像元尺度真值的获取能力，实现一个简便适用性广的大尺度中低分辨率遥感产品像元尺度真值的获取方法。
附图说明
图1为本发明的总体步骤流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种遥感产品像元尺度真值的获取方法，方法的整体步骤为：
1)、获取大尺度遥感产品；
2)、确定反演模型上包络线(面)和下包络线(面)；
3)、遥感产品真值计算模型的构建；
4)、确定上包络线(面)和下包络线(面)的权重系数；
5)、计算遥感产品像元尺度真值。
步骤1)中的大尺度遥感产品的获取方法为：根据待获取的遥感产品的空间分辨率和时空范围需求，下载对应的大尺度遥感观测数据r，大尺度遥感观测数据r的空间分辨率为j米；随后，选择在小尺度纯像元条件下发展构建的遥感反演模型f，遥感反演模型f的空间分辨率为i米；将大尺度遥感观测数据r作为遥感反演模型的输入变量，代入小尺度上建立的遥感反演模型f中，得到尺度误差未校正的大尺度粗略遥感产品p，如公式ⅰ所示：
p＝f(r)公式ⅰ
其中p为分辨率为j米的大尺度空间遥感反演产品，由于尺度效应的存在，p带有一定的尺度误差；f为空间分辨率为i米的小尺度上发展构建的遥感反演模型；r为空间分辨率为j米的大尺度遥感观测数据，即反演模型的输入变量。
步骤2)的具体方法为：根据凸集理论，遥感反演产品像元尺度真值的合理分布值域由反演函数的上、下包络线(面)所确定；无论在像元尺度内遥感观测值如何分布，公式ⅱ恒成立，公式ⅱ如下所示：
p∈[f∨(r),f∧(r)]公式ⅱ
其中p为空间分辨率为j米的大尺度遥感反演产品，由于尺度效应的存在p带有一定的尺度误差；f∨(r)是空间分辨率为i米的小尺度遥感反演模型f在空间域中所对应的下包络线(面)；f∧(r)是空间分辨率为i米的小尺度遥感反演模型在f空间域中所对应的上包络线(面)；r为空间分辨率为j米的大尺度遥感观测数据，即反演模型的输入变量；本质上而言，包络线或包络面就是由选定曲线或面相切的最小曲线或面所构成，包络线或包络面的确定可以利用凸集理论自行获取，也可以用成熟的商业化软件获取，例如美国mathworks公司出品的商业数学软件matlab提供的有关凸包的convhulln算法可以实现任意维空间模型对应的上、下包络线(面)的提取。
步骤3)中的具体方法为：由于遥感反演模型f的上包络线(面)与下包络线(面)之差是尺度效应导致的最大误差，即f∧(r)-f∨(r)；伴随着遥感观测数据在像元尺度内的不同分布，遥感产品像元尺度真值会向上包络线(面)或者下包络线(面)靠近；理论上而言对应某种特定分布，遥感产品像元尺度真值将按一定比例的权重分布在上、下包络线(面)之间，因此在空间分辨率为j米的大尺度中低分辨率遥感产品真值计算模型如公式ⅲ所示：
f(r)≈w×f∨(r)+(1-w)×f∧(r)公式ⅲ
其中f(r)是空间分辨率为j米的大尺度中低分辨率遥感产品真值计算模型；f∨(r)是空间分辨率为i米的小尺度遥感反演模型f在空间域中所对应的下包络线(面)；f∧(r)是空间分辨率为i米的小尺度遥感反演模型f在空间域中所对应的上包络线(面)；w是小尺度遥感反演模型上、下包络线(面)的权重系数；r为空间分辨率为j米的大尺度遥感观测数据，即反演模型的输入变量。
对于同一区域，在尺度域范围内，小尺度遥感反演模型上、下包络线(面)的权重系数与像元尺度内遥感观测数据的实际分布情况密切相关，但其与空间尺度的变化情况相关性不大，亦即对于同一区域权重系数基本不变；相应的，利用这一特性，可以直接通过大尺度数据自身确定上、下包络线(面)的权重系数。
因此步骤4)中上、下包络线(面)的权重系数确定的具体方法为：
a、根据空间分辨率为i米的小尺度遥感反演模型建立的尺度与空间分辨率为j米的大尺度遥感产品的尺度二者之间的比例关系，将大尺度遥感产品进一步聚合成更大一级尺度，更大一阶尺度的空间分辨率k可由公式ⅳ确定：
其中，k为大尺度遥感反演产品进一步尺度上推聚合到的空间分辨率；n为大尺度遥感反演产品进一步尺度上推的聚合倍数；i为小尺度遥感反演模型建立尺度的分辨率；j为大尺度遥感反演产品的分辨率；mod为数学上四舍五入的取整符号。
b、根据公式ⅳ获取的尺度上推聚合的分辨率k，可以将大尺度遥感产品p以及大尺度遥感观测数据r通过n×n个像元的算术平均聚合进行尺度上推，获取模拟的更大尺度的遥感产品
其中，
c、相应的，利用步骤2)能够获取到小尺度遥感反演模型上、下包络线(面)获取到的上、下边界凸包值，如公式ⅵ所示：
其中，
d、根据公式ⅴ和公式ⅵ可以获取到经上述模拟后空间分辨率为k米的更大一级尺度上遥感产品
其中，
e、结合公式ⅲ，遥感产品像元尺度的理论真值与上包络线(面)和下包络线(面)获取的上、下边界凸包值间的关系以公式ⅷ表示：
其中，
f、利用基于最小二乘数学最优化技术的线性回归方法即可确定所需的权重系数，如公式ⅸ所示：
其中，w是小尺度遥感反演模型上、下包络线(面)的权重系数；
步骤5)的具体方法为：由于大尺度中低分辨率遥感像元内存在空间异质性，这使得利用大尺度数据直接应用于小尺度反演模型f反演得到的遥感产品p将可能带有一定的尺度误差，因此需要校正尺度误差以获取遥感产品像元尺度的真值；在已知权重系数w的基础上，将大尺度上的各个像元对应的上包络线(面)和下包络线(面)的值f∧(r)和f∨(r)代入公式ⅲ中，即可得到空间分辨率为j米的各个像元尺度上遥感产品的真值。
本发明相比现有技术主要有以下优点：
a、本发明构建了基于凸集理论的遥感产品像元尺度真值计算模型，该模型不需要配套小尺度先验知识的辅助，克服了现有方法对配套小尺度数据的高度依赖所带来的弊端，节省了用于获取配套小尺度数据的成本，遥感产品像元尺度真值获取的实现过程简单方便；
b、本发明适用于各种形式的反演模型，不再受反演模型的特性所限制，反演模型是否连续可导不影响尺度误差的校正处理过程，确保了遥感产品像元尺度真值获取方法的通用性。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。
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