本發(fā)明屬于遙感數(shù)據(jù)的時空分析領(lǐng)域，尤其是公開了一種多尺度嵌套的空間統(tǒng)計(jì)單元構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

在大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析愈來愈顯得至關(guān)重要，特別是在地學(xué)領(lǐng)域，隨著對地觀測技術(shù)的迅猛發(fā)展，積累了海量的時空數(shù)據(jù)。目前全球共發(fā)射了320顆對地觀測衛(wèi)星，包括陸地、大氣和海洋等各個領(lǐng)域。通過對地觀測衛(wèi)星所攜帶的各類傳感器，可以對大氣和地球表面的各類物理和化學(xué)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。經(jīng)過50多年的發(fā)展，采集積累了大量的衛(wèi)星遙感時空觀測數(shù)據(jù)，但目前對于遙感數(shù)據(jù)的分析處理能力還需要進(jìn)一步加強(qiáng)，特別是對于時空大數(shù)據(jù)的挖掘分析。盡管目前計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)快速發(fā)展，但也難以追趕數(shù)據(jù)量的幾何級增長。對于時空大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，若簡單以最小觀測單元（如像元）為統(tǒng)計(jì)單元，則無疑會帶來巨大的計(jì)算負(fù)擔(dān)，同時也存在信息冗余的問題，換句話說，并不是統(tǒng)計(jì)單元越小越合理，目前人們在對時空遙感數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析時，大都慣以像元為空間統(tǒng)計(jì)單元，這樣做不但難以將復(fù)雜的時空分析方法引入時空大數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域，而且在理論上也難以站住腳。

對于遙感數(shù)據(jù)的時空分析問題，一般都以固定的像元尺度進(jìn)行時空統(tǒng)計(jì)分析，通常以3*3像元的一階空間鄰接考慮空間相關(guān)性，而這樣并不能反映時空過程中的多尺度耦合效應(yīng)，其對時空格局的探測和研究結(jié)果可能存在偏差。

現(xiàn)有空間統(tǒng)計(jì)單元選取或構(gòu)建技術(shù)的一個共同缺點(diǎn)是：擬通過固定尺度的空間統(tǒng)計(jì)單元來測度多尺度耦合的時空變化過程，顯然有失合理性和科學(xué)性。再者，若以原始像元為空間統(tǒng)計(jì)單元，不但在存在上述理論缺陷，而且還會帶來巨大的冗余計(jì)算負(fù)擔(dān)，致使很多時空分析方法無法實(shí)施；而若以固定的較大尺度格網(wǎng)單元為空間統(tǒng)計(jì)單元，也同樣會存在上述理論缺陷，且會降低原始數(shù)據(jù)的精度，丟失很多有用的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種在不降低原始時空遙感大數(shù)據(jù)精度和不丟失有用信息的前提下，一種多尺度嵌套的空間統(tǒng)計(jì)單元構(gòu)建方法，為進(jìn)一步深入分析打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為順利將眾多復(fù)雜、科學(xué)、優(yōu)良的時空分析技術(shù)順利引入時空遙感大數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域創(chuàng)造有利條件。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種多尺度嵌套的空間統(tǒng)計(jì)單元構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：確定格網(wǎng)局部均質(zhì)閾值，即變異系數(shù)閾值；先計(jì)算原始遙感數(shù)據(jù)的變異系數(shù)，根據(jù)原始遙感數(shù)據(jù)變異系數(shù)確定格網(wǎng)局部均質(zhì)閾值；

步驟2：構(gòu)建第n階尺度正方形格網(wǎng)；假設(shè)原來像元尺度為，則n階尺度正方形格網(wǎng)的尺度為；

步驟3，構(gòu)建（n-1）階尺度正方形格網(wǎng)單元；計(jì)算每一個n階尺度正方形格網(wǎng)包含像元屬性值的變異系數(shù)，記第個n階尺度正方形格網(wǎng)對應(yīng)的變異系數(shù)為,若,則對第個n階尺度正方形格網(wǎng)進(jìn)行四叉樹剖分，若，則保持n階尺度正方形格網(wǎng)；

按照上述過程遍歷完所有的n階尺度正方形格網(wǎng)后，則已經(jīng)構(gòu)建出n階和（n-1）階兩個尺度嵌套的空間統(tǒng)計(jì)單元，前者尺度為，后者為，經(jīng)過此步驟后，所有沒被剖分的n階尺度正方形格網(wǎng)所包含像素的變異系數(shù)都小于；

步驟4，構(gòu)建（n-2），（n-3），......，2，1階尺度正方形格網(wǎng)單元；在步驟3的基礎(chǔ)上，計(jì)算每一個（n-1）階尺度正方形格網(wǎng)包含像元屬性值的變異系數(shù)，若其包含像元屬性值的變異系數(shù)大于，則對其進(jìn)行四叉樹剖分，形成（n-2）階尺度正方形格網(wǎng)，對應(yīng)尺度為，若其包含像元屬性值的變異系數(shù)，則保持（n-1）階尺度正方形格網(wǎng)；重復(fù)上述過程，直至所有的正方形格網(wǎng)包含的像元屬性值的變異系數(shù)均小于，最低階尺度可能剖分至原始數(shù)據(jù)中的單個像元單元，即為1階尺度正方形格網(wǎng)。

優(yōu)選的，所述步驟1中計(jì)算原始遙感數(shù)據(jù)的變異系數(shù)的公示為：

變異系數(shù)=平均值/標(biāo)準(zhǔn)差。

優(yōu)選的，所述步驟1中確定格網(wǎng)局部均質(zhì)閾值的參考表如下表1：

表1不同原始數(shù)據(jù)變異系數(shù)條件下的格網(wǎng)局部均質(zhì)閾值選取參考表

優(yōu)選的，所述步驟2中n的取值為4-6。

優(yōu)選的，所述步驟2中的正方形格網(wǎng)需要滿足兩個條件：

第一，正方形格網(wǎng)邊界須與像素邊界齊整，即須恰好包含個像素單元；

第二，所有正方形格網(wǎng)包含的像素屬性值計(jì)算的變異系數(shù)不能都大于格網(wǎng)局部均質(zhì)閾值,否則需減少n取值。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有以下有益效果：

現(xiàn)有技術(shù)中以像元為統(tǒng)計(jì)單元進(jìn)行時空統(tǒng)計(jì)分析，不僅難以描述多尺度耦合的時間過程，同時巨大的計(jì)算負(fù)擔(dān)也使得很多時空分析方法難以實(shí)施，而按照本發(fā)明的多尺度嵌套的空間統(tǒng)計(jì)單元構(gòu)建后，空間統(tǒng)計(jì)單元數(shù)縮減少，同時嵌套的多尺度空間統(tǒng)計(jì)格網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)與原始數(shù)據(jù)基本一致，也就是并不影響時空變化規(guī)律的探測與挖掘。其次，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)建的多尺度嵌套的空間統(tǒng)計(jì)單元則巧妙地解決了以上問題，有效過濾了冗余信息，在提高計(jì)算效率的同時，突破了原來以固定尺度統(tǒng)計(jì)分析時空現(xiàn)象，既保證了理論的合理性和科學(xué)性，也使得一些復(fù)雜和優(yōu)良的時空分析方法（如貝葉斯時空交互模型）順利應(yīng)用到遙感大數(shù)據(jù)的分析領(lǐng)域中。

附圖說明

圖1展示了一個包含4階尺度剖分的格網(wǎng)示例;

圖2是根據(jù)2014年亞洲pm2.5年均濃度遙感反演數(shù)據(jù)情況進(jìn)行的多尺度嵌套的空間統(tǒng)計(jì)格網(wǎng)單元構(gòu)建結(jié)果；

圖3是2014年全球pm2.5年均濃度遙感反演數(shù)據(jù)多尺度空間統(tǒng)計(jì)單元構(gòu)建結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述，以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

一種多尺度嵌套的空間統(tǒng)計(jì)單元構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟：

將對2014年全球pm2.5年均濃度遙感反演數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度嵌套的空間統(tǒng)計(jì)單元積進(jìn)行構(gòu)建。原始數(shù)據(jù)空間分辨率為0.10.1，共有1,455,488個像元。

以下將按照本發(fā)明技術(shù)方案對其進(jìn)行多尺度空間統(tǒng)計(jì)單元構(gòu)建：

步驟1：確定格網(wǎng)局部均質(zhì)閾值----變異系數(shù)閾值。根據(jù)公式變異系數(shù)=平均值/標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算原始遙感數(shù)據(jù)的變異系數(shù)為0.7012,再根據(jù)參考表1，確定的格網(wǎng)剖分閾值為8.0%；

步驟2：將n值確定為5，即最高階尺度格網(wǎng)為5階尺度正方形格網(wǎng)，其空間尺度分辨率為1.6°′1.6°；

步驟3：構(gòu)建4階尺度正方形格網(wǎng)單元；計(jì)算每一個5階尺度正方形格網(wǎng)包含像元屬性值的變異系數(shù)，記第個5階尺度正方形格網(wǎng)對應(yīng)的變異系數(shù)為,若,則對第個5階尺度正方形格網(wǎng)進(jìn)行四叉樹剖分，若，則保持5階尺度正方形格網(wǎng)；按照上述過程遍歷完所有的5階尺度正方形格網(wǎng)后，則已經(jīng)構(gòu)建出5階和4階兩個尺度嵌套的空間統(tǒng)計(jì)單元，前者尺度為1.6°′1.6°，后者為0.8°′0.8°，經(jīng)過此步驟后，所有沒被剖分的5階尺度正方形格網(wǎng)所包含像素的變異系數(shù)都小于8.0%；

步驟4：構(gòu)建3、2、1階尺度正方形格網(wǎng)單元；在步驟3的基礎(chǔ)上，計(jì)算每一個4階尺度正方形格網(wǎng)包含像元屬性值的變異系數(shù)，若其包含像元屬性值的變異系數(shù)大于8.0%,則對其進(jìn)行四叉樹剖分，形成3階尺度正方形格網(wǎng)，對應(yīng)尺度為0.4°′0.4°，若其包含像元屬性值的變異系數(shù)，則保持4階尺度正方形格網(wǎng)；重復(fù)上述過程，直至所有的正方形格網(wǎng)包含的像元屬性值的變異系數(shù)均小于8.0%；

對于本實(shí)例而言，到3階尺度正方形格網(wǎng)剖分后，其所有的空間統(tǒng)計(jì)單元包含的像元屬性值的變異系數(shù)都小于8.0%，因此，最小尺度的空間統(tǒng)計(jì)單元為3階尺度正方形格網(wǎng)，尺度為0.4°′0.4°。最終，共構(gòu)建了10314個多尺度空間統(tǒng)計(jì)單元格網(wǎng)，具體如圖3所示，其中5階尺度格網(wǎng)有5547個，4階尺度格網(wǎng)有4131個，3階尺度格網(wǎng)有636個，其中彩色圖為原遙感數(shù)據(jù)。

圖2顯示的是根據(jù)2014年亞洲pm2.5年均濃度遙感反演數(shù)據(jù)情況進(jìn)行的多尺度嵌套的空間統(tǒng)計(jì)格網(wǎng)單元構(gòu)建結(jié)果，底圖是2014年亞洲pm2.5年均濃度遙感反演原數(shù)據(jù)的平均值分布圖。原始遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.1°′0.1°，具有70,656個像元單元，如果以像元為統(tǒng)計(jì)單元進(jìn)行時空統(tǒng)計(jì)分析，不僅難以描述多尺度耦合的時間過程，同時巨大的計(jì)算負(fù)擔(dān)也使得很多時空分析方法難以實(shí)施，而按照本發(fā)明的多尺度嵌套的空間統(tǒng)計(jì)單元構(gòu)建后，空間統(tǒng)計(jì)單元數(shù)縮減為為4481個，其中1587個4階尺度格網(wǎng)，2286個3階尺度格網(wǎng)，608個2階尺度格網(wǎng)，同時嵌套的多尺度空間統(tǒng)計(jì)格網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)與原始數(shù)據(jù)基本一致，也就是并不影響時空變化規(guī)律的探測與挖掘。

若以原有像元單位為空間統(tǒng)計(jì)單元的話，由于巨大的計(jì)算負(fù)擔(dān)，性質(zhì)良好的貝葉斯時空交互模型統(tǒng)將難以進(jìn)行實(shí)施，如若通過平均值池化到較大尺度格網(wǎng)后計(jì)算，則又損失了原始遙感數(shù)據(jù)的精度，也會丟失很多有用信息，而且計(jì)算出的結(jié)果也會存在一定的偏差。而根據(jù)本發(fā)明構(gòu)建的多尺度嵌套的空間統(tǒng)計(jì)單元則巧妙地解決了以上問題，有效過濾了冗余信息，在提高計(jì)算效率的同時，突破了原來以固定尺度統(tǒng)計(jì)分析時空現(xiàn)象，既保證了理論的合理性和科學(xué)性，也使得一些復(fù)雜和優(yōu)良的時空分析方法（如貝葉斯時空交互模型）順利應(yīng)用到遙感大數(shù)據(jù)的分析領(lǐng)域中。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。