一種基于多源遙感數(shù)據(jù)的高分辨率衛(wèi)星遙感估算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多源遙感數(shù)據(jù)的高分辨率衛(wèi)星遙感估算方法。本發(fā)明首先把1km的環(huán)境變量因子包括植被指數(shù)、數(shù)字高程模型、白天地表溫、晚上地表溫、地形濕度指數(shù)、坡度、地表粗糙度、地表反射率和谷底平坦指數(shù)9個(gè)數(shù)據(jù)聚合計(jì)算到25km，作為自變量，對(duì)應(yīng)25km分辨率的TMPA 3B43 v7降水?dāng)?shù)據(jù)作為因變量進(jìn)行建模，并將建立的模型應(yīng)用到相應(yīng)地理區(qū)域的1km環(huán)境變量因子上，最終得出1km的高精度降水預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。本發(fā)明基于多源遙感數(shù)據(jù)，提出了一種高分辨率衛(wèi)星遙感估算方法，最終得到1km空間分辨率的降水預(yù)測(cè)值。該方法預(yù)測(cè)精度較高,且方法簡便易行。
【專利說明】
-種基于多源遙感數(shù)據(jù)的高分辨率衛(wèi)星遙感估算方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種氣象衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的高精度制圖算法，具體設(shè)及到基于TMPA 3B43 v7的高精度降水?dāng)?shù)據(jù)建模預(yù)測(cè)算法。 技術(shù)背景
[0002] 降水在水文學(xué)、氣象學(xué)、生態(tài)學(xué)W及農(nóng)業(yè)研究等領(lǐng)域擔(dān)任了重要角色，特別是全球 尺度物質(zhì)能量交換主要驅(qū)動(dòng)力之一。地面觀測(cè)站是一種應(yīng)用廣泛的降水測(cè)量手段，并且具 有精度高和技術(shù)成熟的特點(diǎn)。但是地面觀測(cè)站監(jiān)測(cè)的降水量僅代表地表觀測(cè)站及周邊一定 距離的降水狀況，因此很難表述大面積降水分布特征，尤其是在地面觀測(cè)站布網(wǎng)密度稀疏 的高原地區(qū)。而衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠提供較高時(shí)空分辨率的降水?dāng)?shù)據(jù)，覆蓋空間范圍更廣，很 好的克服了地面降水觀測(cè)站和測(cè)雨雷達(dá)的局限，為全球降水監(jiān)測(cè)提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。
[0003] 近年來，隨著氣象衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，全球尺度高時(shí)空分辨率的測(cè)雨衛(wèi)星產(chǎn)品應(yīng)運(yùn) 而生，如美國熱帶降水測(cè)量衛(wèi)星（Tropical Rainfall Measuring Mission)降水產(chǎn)品TMPA 3B43 v7。TMPA降水衛(wèi)星提供覆蓋全球50° S~50° N W內(nèi)的區(qū)域的降水?dāng)?shù)據(jù)。但是，TRMM衛(wèi)星 的原始分辨率較低（空間分辨率為0.25%約25km)，在預(yù)測(cè)區(qū)域尺度降水方面具有一定的局 限性和偏差，因此需要針對(duì)TMPA數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分辨率的提高，從而得到分辨率較高的降水 測(cè)量值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，并提供一種基于多源遙感數(shù)據(jù)的 高分辨率衛(wèi)星遙感估算方法。
[0005] 本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：
[0006] -種基于多源遙感數(shù)據(jù)的高分辨率衛(wèi)星遙感估算方法，包括W下步驟：
[0007] 步驟1)數(shù)據(jù)獲取:獲取待測(cè)區(qū)域的TMPA 3B43 v7降水?dāng)?shù)據(jù)、MODIS衛(wèi)星遙感影像數(shù) 據(jù)W及ASTER GDEM衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，同時(shí)收集待測(cè)區(qū)域內(nèi)地面觀測(cè)站點(diǎn)的日降水量觀測(cè) 值;其中MODIS衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)包括MODl 1A2數(shù)據(jù)產(chǎn)品和MODl 3A2數(shù)據(jù)產(chǎn)品；
[000引步驟2)數(shù)據(jù)預(yù)處理:將步驟1)獲取的TMPATMPA 3B43 v7降水?dāng)?shù)據(jù)的時(shí)間分辨率處 理為月；將ASTER GDEM衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合計(jì)算分別得到空間分辨率為Ikm和25km 的呢M數(shù)據(jù);從MODI 1A2數(shù)據(jù)產(chǎn)品中提取白天地表溫度和晚上地表溫度參量，并通過聚合計(jì) 算分別得到空間分辨率為Ikm和25km的白天地表溫度數(shù)據(jù)W及空間分辨率為Ikm和25km的 晚上地表溫度數(shù)據(jù);從M0D13A2數(shù)據(jù)產(chǎn)品中提取植被指數(shù)參量，經(jīng)過異常值剔除處理后，通 過聚合計(jì)算分別得到空間分辨率為Ikm和25km的植被指數(shù)數(shù)據(jù);從ASTER GDEM衛(wèi)星遙感影 像數(shù)據(jù)中提取、聚合計(jì)算分別得到Ikm和25km的坡度、地形濕度指數(shù)、坡長坡度、谷底平坦指 數(shù)、地表粗糖度和地表反射率數(shù)據(jù)；
[0009]步驟3)進(jìn)行建模及參數(shù)率定:將步驟2)處理后的25kmTMPATMPA 3B43 v7降水?dāng)?shù)據(jù) 作為因變量，W空間分辨率為25km的植被指數(shù)、數(shù)字高程模型、白天地表溫、晚上地表溫、地 形濕度指數(shù)、坡度、地表粗糖度、地表反射率和谷底平坦指數(shù)9個(gè)數(shù)據(jù)作為自變量進(jìn)行建模 及參數(shù)率定。
[0010]步驟4)高精度降水?dāng)?shù)據(jù)預(yù)測(cè)制圖：基于步驟3)在25km空間分辨率下建立的模型應(yīng) 用到空間分辨率為Ikm的環(huán)境變量中進(jìn)行建模預(yù)測(cè)，從而得到Ikm的高精度降水?dāng)?shù)據(jù)；同時(shí) 將空間分辨率為25km的降水殘差值進(jìn)行重采樣得到空間分辨率為1km，并將其與空間分辨 率為Ikm地面降水量預(yù)測(cè)值數(shù)據(jù)相加，得到空間分辨率為Ikm的高精度降水?dāng)?shù)據(jù)。
[00川所述的步驟1)中，TMPA 3B43 v7降水?dāng)?shù)據(jù)的空間分辨率為0.25° XO. 25°，時(shí)間分 辨率為月；所述的ASTER GDEM衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)的空間分辨率為90m;所述的MODIS衛(wèi)星遙 感影像數(shù)據(jù)的空間分辨率為1km，時(shí)間分辨率為8天。
[0012]所述的步驟3)中建模所采用的參數(shù)估算模型的通用形式為：
[001引其中，N表示參數(shù)估算模型中自變量個(gè)數(shù);an表示第n個(gè)環(huán)境變量的系數(shù);a質(zhì)示模 型參數(shù)的常數(shù)項(xiàng)系數(shù);yn表示降雨量預(yù)測(cè)值;Xn表示第n個(gè)環(huán)境變量；
[0014] a日和an的計(jì)算公式如下：
[0015]
[0016] 其中：k代表地面觀測(cè)站點(diǎn)個(gè)數(shù);Xin代表第i個(gè)地面觀測(cè)站點(diǎn)的第n個(gè)環(huán)境變量的 值，yi代表的是第i個(gè)地面觀測(cè)站點(diǎn)的日降水量觀測(cè)值,?代表第n個(gè)環(huán)境變量因子的均值， 京代表所有地面觀測(cè)站點(diǎn)的日降水量觀測(cè)值的均值。
[0017] 本發(fā)明中所述的步驟3)中參數(shù)率定后的模型為：
[001 8] Yprecip = 210.088+0.102 X Xdem-20.7 X Xlst_day+40.4 X Xlst_night-8.4 X Xslope+0.54 X Xrug+1201 XXndvi~23 X Xtwi+0.0005 XXrad+31 XXmrvbf
[0019] 其中Yprecip是Ikm地面降雨預(yù)測(cè)值，Xdem代表的是Ikm數(shù)字高程模型的柵格值， Xlst_day代表的是Ikm白天地表溫度柵格值，Xlst_night代表的是1 km晚上地表溫度柵格值，Xslope 代表的是Ikm坡度柵格值，Xndvi代表的是Ikm植被指數(shù)柵格值，Xtwi代表的是Ikm地形濕度指 數(shù)柵格值，Xrug代表的是Ikm地表粗糖度，Xrad代表的是Ikm地表反射率，Xmrvbf代表的是Ikm谷 底平坦指數(shù)。
[0020] 本發(fā)明基于多源遙感數(shù)據(jù)，提出了一種高分辨率衛(wèi)星遙感估算方法，最終得到Ikm 空間分辨率的降水預(yù)測(cè)值。該方法預(yù)測(cè)精度較高，且方法簡便易行。
【具體實(shí)施方式】
[0021 ]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0022] 選取中國作為研究區(qū)域，對(duì)2008-2012年的月降雨量進(jìn)行高精度預(yù)測(cè)制圖研究，最 終得到1 km空間分辨率的降水預(yù)測(cè)值。
[0023] 步驟1)數(shù)據(jù)獲取:獲取待測(cè)區(qū)域的TMPA 3B43 v7降水?dāng)?shù)據(jù)、MODIS衛(wèi)星遙感影像數(shù) 據(jù)W及ASTER GDEM衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，同時(shí)收集待測(cè)區(qū)域內(nèi)地面觀測(cè)站點(diǎn)的日降水量觀測(cè) 值;其中MODIS衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)包括M0D11A2數(shù)據(jù)產(chǎn)品和M0D13A2數(shù)據(jù)產(chǎn)品；TMPA 3B43 v7 降水?dāng)?shù)據(jù)的空間分辨率為0.25° XO.25°，時(shí)間分辨率為月；所述的ASTER GDEM衛(wèi)星遙感影 像數(shù)據(jù)的空間分辨率為90m;所述的MODIS衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)的空間分辨率為1km，時(shí)間分辨 率為8天。
[0024] 步驟2)數(shù)據(jù)預(yù)處理:將步驟1)獲取的TMPATMPA 3B43 v7降水?dāng)?shù)據(jù)的時(shí)間分辨率處 理為月；將ASTER GDEM衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合計(jì)算分別得到空間分辨率為Ikm和25km 的呢M數(shù)據(jù);從MODI 1A2數(shù)據(jù)產(chǎn)品中提取白天地表溫度和晚上地表溫度參量，并通過聚合計(jì) 算分別得到空間分辨率為Ikm和25km的白天地表溫度數(shù)據(jù)W及空間分辨率為Ikm和25km的 晚上地表溫度數(shù)據(jù);從M0D13A2數(shù)據(jù)產(chǎn)品中提取植被指數(shù)參量，經(jīng)過異常值剔除處理后，通 過聚合計(jì)算分別得到空間分辨率為Ikm和25km的植被指數(shù)數(shù)據(jù);從ASTER GDEM衛(wèi)星遙感影 像數(shù)據(jù)中提取、聚合計(jì)算分別得到Ikm和25km的坡度、地形濕度指數(shù)、坡長坡度、谷底平坦指 數(shù)、地表粗糖度和地表反射率數(shù)據(jù)；
[0025] 步驟3)進(jìn)行建模及參數(shù)率定:將步驟2)處理后的25kmTMPATMPA 3B43 v7降水?dāng)?shù)據(jù) 作為因變量，W空間分辨率為25km的植被指數(shù)、數(shù)字高程模型、白天地表溫、晚上地表溫、地 形濕度指數(shù)、坡度、地表粗糖度、地表反射率和谷底平坦指數(shù)9個(gè)數(shù)據(jù)作為自變量進(jìn)行建模 及參數(shù)率定。
[00%]建模所采用的參數(shù)估算模型形式為：
[0027] 其中，N表示參數(shù)估算模型中自變量個(gè)數(shù);an表示第n個(gè)環(huán)境變量的系數(shù);a質(zhì)示模 型參數(shù)的常數(shù)項(xiàng)系數(shù);yn表示降雨量預(yù)測(cè)值;Xn表示第n個(gè)環(huán)境變量；
[0028] a日和an的計(jì)算公式如下：
[0029]
[0030] 其中：k代表地面觀測(cè)站點(diǎn)個(gè)數(shù);Xin代表第i個(gè)地面觀測(cè)站點(diǎn)的第n個(gè)環(huán)境變量的 值，yi代表的是第i個(gè)地面觀測(cè)站點(diǎn)的日降水量觀測(cè)值,?代表第n個(gè)環(huán)境變量因子的均值， I代表所有地面觀測(cè)站點(diǎn)的日降水量觀測(cè)值的均值。
[0031 ]本發(fā)明參數(shù)率定后的模型為：
[0032] Yprecip = 210.088+0.102 X Xdem-20.7 X Xlst_day+40.4 X Xlst_night-8.4 X Xslope+0.54 X Xrug+1201 XXndvi~23 X Xtwi+0.0005 XXrad+31 XXmrvbf
[003引其中Yprecip是Ikm地面降雨預(yù)測(cè)值，Xdem代表的是Ikm數(shù)字高程模型的柵格值， Xlst_day代表的是Ikm白天地表溫度柵格值，Xlst_night代表的是1 km晚上地表溫度柵格值，Xslope 代表的是Ikm坡度柵格值，Xndvi代表的是Ikm植被指數(shù)柵格值，Xtwi代表的是Ikm地形濕度指 數(shù)柵格值，Xrug代表的是Ikm地表粗糖度，Xrad代表的是Ikm地表反射率，Xmrvbf代表的是Ikm谷 底平坦指數(shù)。
[0034] 步驟4)高精度降水?dāng)?shù)據(jù)預(yù)測(cè)制圖：基于步驟3)在25km空間分辨率下建立的模型應(yīng) 用到空間分辨率為Ikm的環(huán)境變量中進(jìn)行建模預(yù)測(cè)，從而得到Ikm的高精度降水?dāng)?shù)據(jù)；同時(shí) 將空間分辨率為25km的降水殘差值進(jìn)行重采樣得到空間分辨率為1km，并將其與空間分辨 率為Ikm地面降水量預(yù)測(cè)值數(shù)據(jù)相加，得到空間分辨率為Ikm的高精度降水?dāng)?shù)據(jù)。
[0035] 步驟5)降水量預(yù)測(cè)值的精度分析:利用地面降水實(shí)測(cè)點(diǎn)對(duì)步驟4)中的Ikm空間分 辨率的降水量預(yù)測(cè)值進(jìn)行預(yù)測(cè)精度驗(yàn)證分析，交叉檢驗(yàn)選用均方根誤差、平均絕對(duì)誤差W
[0036] 及相關(guān)系數(shù)作為評(píng)價(jià)因子。各指標(biāo)的計(jì)算公式如下：
[0037]
[00；3 引
[0039] 式中MAE代表的是平均絕對(duì)誤差，RMSE代表的是均方根誤差，R2代表的是回歸相關(guān) 系數(shù)，Yk是地面觀測(cè)站點(diǎn)k的觀測(cè)值，Ok是通過模型降尺度后在站點(diǎn)k處的預(yù)測(cè)值，/是所有 地面降水觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均值，臺(tái)是在所有站點(diǎn)的模型預(yù)測(cè)值的平均值。
[0040] 最終，相關(guān)系數(shù)R2為0.676，均方根誤差RMSE為37.928mm，平均絕對(duì)誤差MEA為 28.654mm。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于多源遙感數(shù)據(jù)的高分辨率衛(wèi)星遙感估算方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1)數(shù)據(jù)獲取:獲取待測(cè)區(qū)域的TMPA 3B43 V7降水?dāng)?shù)據(jù)、MODIS衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)以 及ASTERGDEM衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，同時(shí)收集待測(cè)區(qū)域內(nèi)地面觀測(cè)站點(diǎn)的日降水量觀測(cè)值;其 中MODIS衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)包括MODI 1A2數(shù)據(jù)產(chǎn)品和MODI 3A2數(shù)據(jù)產(chǎn)品； 步驟2)數(shù)據(jù)預(yù)處理:將步驟1)獲取的TMPATMPA 3B43 v7降水?dāng)?shù)據(jù)的時(shí)間分辨率處理為 月；將ASTER⑶EM衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合計(jì)算分別得到空間分辨率為Ikm和25km的DEM 數(shù)據(jù);從MODI 1A2數(shù)據(jù)產(chǎn)品中提取白天地表溫度和晚上地表溫度參量，并通過聚合計(jì)算分別 得到空間分辨率為Ikm和25km的白天地表溫度數(shù)據(jù)以及空間分辨率為Ikm和25km的晚上地 表溫度數(shù)據(jù);從M0D13A2數(shù)據(jù)產(chǎn)品中提取植被指數(shù)參量，經(jīng)過異常值剔除處理后，通過聚合 計(jì)算分別得到空間分辨率為Ikm和25km的植被指數(shù)數(shù)據(jù);從ASTER GDEM衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù) 中提取、聚合計(jì)算分別得到Ikm和25km的坡度、地形濕度指數(shù)、坡長坡度、谷底平坦指數(shù)、地 表粗糙度和地表反射率數(shù)據(jù)； 步驟3)進(jìn)行建模及參數(shù)率定:將步驟2)處理后的25kmTMPATMPA 3B43v7降水?dāng)?shù)據(jù)作為 因變量，以空間分辨率為25km的植被指數(shù)、數(shù)字高程模型、白天地表溫、晚上地表溫、地形濕 度指數(shù)、坡度、地表粗糙度、地表反射率和谷底平坦指數(shù)9個(gè)數(shù)據(jù)作為自變量進(jìn)行建模及參 數(shù)率定； 步驟4)高精度降水?dāng)?shù)據(jù)預(yù)測(cè)制圖：基于步驟3)在25km空間分辨率下建立的模型應(yīng)用到 空間分辨率為Ikm的環(huán)境變量中進(jìn)行建模預(yù)測(cè)，從而得到Ikm的高精度降水?dāng)?shù)據(jù)；同時(shí)將空 間分辨率為25km的降水殘差值進(jìn)行重采樣得到空間分辨率為lkm，并將其與空間分辨率為 Ikm地面降水量預(yù)測(cè)值數(shù)據(jù)相加，得到空間分辨率為Ikm的高精度降水?dāng)?shù)據(jù)。2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于多源遙感數(shù)據(jù)的高分辨率衛(wèi)星遙感估算方法，其特征 在于，所述的步驟1)中，TMPA 3B43 v7降水?dāng)?shù)據(jù)的空間分辨率為0.25° X0.25°，時(shí)間分辨率 為月；所述的ASTER⑶EM衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)的空間分辨率為90m;所述的MODIS衛(wèi)星遙感影 像數(shù)據(jù)的空間分辨率為I km，時(shí)間分辨率為8天。3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于多源遙感數(shù)據(jù)的高分辨率衛(wèi)星遙感估算方法，其特征 在于，所述的步驟3)中建模所采用的參數(shù)估算模型形式為其中，N表示參數(shù)估算模型中自變量個(gè)數(shù);an表示第η個(gè)環(huán)境變量的系數(shù);ao表示模型參 數(shù)的常數(shù)項(xiàng)系數(shù);yn表示降雨量預(yù)測(cè)值;Xn表示第η個(gè)環(huán)境變量； ao和an的計(jì)算公式如下：其中：k代表地面觀測(cè)站點(diǎn)個(gè)數(shù);Xin代表第i個(gè)地面觀測(cè)站點(diǎn)的第η個(gè)環(huán)境變量的值，yi 代表的是第i個(gè)地面觀測(cè)站點(diǎn)的日降水量觀測(cè)值，^代表第η個(gè)環(huán)境變量因子的均值，？代表 所有地面觀測(cè)站點(diǎn)的日降水量觀測(cè)值的均值。4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于多源遙感數(shù)據(jù)的高分辨率衛(wèi)星遙感估算方法，其特征 在于，所述的步驟3)中參數(shù)率定后的模型為： Yprecip = 210 · 088+0 · 102 X Xdem_20 · 7 X Xlst-day+40 · 4 X Xlst-night_8 · 4 X Xslope+O · 54 X Xrug+ 1201 X Xndvi-23 X Xtwi+0.0005 X Xrad+31 X Xmrvbf 其中￥^_是I km地面降雨預(yù)測(cè)值，Xde?代表的是I km數(shù)字高程模型的柵格值，Xist_day代表 的是Ikm白天地表溫度柵格值，Xist_night代表的是Ikm晚上地表溫度柵格值，Xsic ipA表的是 Ikm坡度柵格值，Xndvi代表的是Ikm植被指數(shù)柵格值，Xtwi代表的是Ikm地形濕度指數(shù)柵格值， Xrug代表的是Ikm地表粗糙度，Xrad代表的是Ikm地表反射率，Xmrvbf代表的是Ikm谷底平坦指 數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01W1/10GK106019408SQ201610307332
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月10日
【發(fā)明人】史舟, 劉用, 馬自強(qiáng), 楊亞輝
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)