CN104406715A - 一种遥感估算地表感热/潜热通量的精度评价方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种遥感估算地表感热/潜热通量的精度评价方法及系统，方法包括以下步骤：S1，利用地表通量观测仪器观测地表，获得参照的地表感热/潜热通量数据，从遥感产品中获得遥感地表感热/潜热通量数据；S2，利用步骤S1地表通量观测仪器得到的数据建立Footprint模型，设置足迹网格分辨率并求解Footprint模型，得到观测地表感热/潜热通量的通量贡献源区，归一化计算，得到每个足迹网格的通量贡献率；S3，通过加权平均计算得到遥感估算值；S4，将遥感估算值与地面实测值进行比较。本发明利用地面仪器观测值对遥感产品进行精度评价，保证遥感产品精度及可靠性，提升用户对遥感产品的信赖。

Description

一种遥感估算地表感热/潜热通量的精度评价方法及系统

技术领域

本发明涉及一种遥感产品的验证技术领域，具体涉及一种遥感估算地表感热/潜热通量的精度评价方法及系统。

背景技术

对地表感热与潜热通量而言，遥感估算结果是以像元排列的，并且每个像元的大小固定不变。而地面仪器观测的通量值，其代表的空间范围的大小与位置并不固定，一般与仪器的架高、风向与风速、大气稳定度以及下垫面状况等有关，并且会随时间不断变化。因此，两者在验证过程中，存在空间代表范围的不匹配的问题，无法从像元尺度上进行一一对应。目前，对于地表通量的验证，多是直接将仪器观测值与其所在位置的遥感像元的单个像元值进行比较。但由于两者空间代表范围的不匹配，这样得到的验证结果是不准确的。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种遥感估算地表感热/潜热通量的精度评价方法及系统。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种遥感估算地表感热/潜热通量的精度评价方法，包括以下步骤：

S1，利用可测量百米级尺度地表通量的观测仪器观测地表，得到可与中高分辨率遥感估算地表感热/潜热通量相匹配的地面参照数据；

利用可测量公里级尺度地表通量的观测仪器观测地表，获得可与低分辨率遥感估算地表感热/潜热通量相匹配的地面参照数据；

利用遥感产品获得遥感估算的地表感热/潜热通量数据；

S2，利用步骤S1中地表通量观测仪器得到的数据建立解析的Footprint模型，设置足迹网格分辨率并求解Footprint模型，得到观测地表感热/潜热通量的通量贡献源区，归一化计算，得到每个足迹网格的通量贡献率；

S3，利用遥感影像与通量贡献源区的地理空间关系，确定遥感影像中与所述通量贡献源区相重合的遥感像元作为验证像元，以所述每个验证像元覆盖的足迹网格的通量贡献率之和作为该验证像元的相对权重，计算所述验证像元的加权平均值作为遥感估算值；

S4，将所述遥感估算值与地面实测值进行比较，利用精度评价指标对估算精度进行评价。

在本发明的一种优选实施方式中，所述遥感影像分辨率不高于足迹网格分辨率。

在本发明的一种优选实施方式中，所述步骤S3中遥感验证像元的相对权重x_i的计算方法：

若遥感影像分辨率与足迹网格分辨率一致，则遥感像元可与足迹网格一一对应，每个足迹网格的通量贡献率即是相对应的遥感验证像元的相对权重值x_i；

若遥感影像分辨率低于足迹网格分辨率，则将每个遥感验证像元覆盖的足迹网格的通量贡献率相加，得到该遥感验证像元的相对权重值x_i。

在本发明的一种优选实施方式中，与地面实测值具有相同空间代表性的遥感估算值的计算方法为：

$Y_{\mathrm{weighted}}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n(x_i\×P_i),$

其中，Y_weighted为加权平均后的遥感估算值，x_i为遥感验证像元的相对权重值，P_i为遥感影像上通量贡献源区内像元i的遥感估算地表通量值，n为源区内的遥感像元总数且为自然数，i为遥感影像上源区内像元的序号且为不大于n的自然数。

在本发明的一种优选实施方式中，所述Footprint模型为：

基于涡动相关仪观测数据，建立单点的解析Footprint模型，具体形式如下：

$f^y(x,z_m)=\frac{1}{\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\μ}\right)}\frac{{\mathrm{\ξ}}^{\mathrm{\μ}}}{x^{1+\mathrm{\μ}}}{e}^{-\mathrm{\ξ}/x}---\left(1\right)$

$D_y(x,y)=\frac{1}{\mathrm{\σ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-\frac{y^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}---\left(2\right)$

f(x，y，z_m)＝D_y(x，y)f^y(x，z_m)        (3)

公式(1)为通量侧向积分函数，公式(2)为侧风向湍流扩散分布函数，公式(3)为涡动相关仪观测通量的足迹函数，

式中x为上风向距离，y为侧风向距离，z_m为仪器观测高度，Γ(μ)为Γ函数，μ＝(1+m)/r，形状因子r＝2+m-n，m、n为风廓线和湍流扩散方程中的指数，

k′为湍流扩散方程中的比例系数，U为风速幂指数廓线方程中的系数，σ＝σ_v·x/u(x)，σ_v为侧风向风速的标准差，u(x)为有效烟云速度；

基于单点观测的解析Footprint模型和大孔径闪烁仪的空间权重函数，建立大孔径闪烁仪的解析Footprint模型，具体形式如下：

$f_{\mathrm{LAS}}(x^{\′},y^{\′},z_m)={\∫}_{x_2}^{x_1}W\left(x\right)f(x-x^{\′},y-y^{\′},z_m)\mathrm{dx},$

其中，f_LAS(x′,y′,z_m)为通量贡献源区，f(x-x′,y-y′,z_m)为地表通量观测仪观测通量的足迹函数，W(x)为地表通量观测仪沿光径路线方向的权重函数，x₁为地表通量观测仪发射器的位置，x₂为地表通量观测仪接收器的位置，x、y为光径路线上点的坐标，x′、y′为每个(x,y)点上风方向各点的坐标，z_m为仪器观测高度。

在本发明的一种优选实施方式中，所述遥感估算值与遥感实测值进行比较，采用如下精度评价指标：

$\mathrm{BIAS}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n(P_i-O_i)/n,$

$\mathrm{RMSE}=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{(P_i-O_i)}^2/n},$

$\mathrm{MAPE}=\frac{100}{n}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\frac{|P_i-O_i|}{\stackrel{\‾}{O}},$

$\mathrm{MRE}=\frac{100}{n}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\frac{P_i-O_i}{\stackrel{\‾}{O}},$

其中，BIAS为平均偏差，RMSE为均方差，MAPE为平均绝对百分比误差，MRE为平均相对误差，O_i为地面实测的地表通量值，为实测的地表通量的平均值，P_i为与实测地表通量具有相同空间代表性的遥感估算值，n为样本数且为自然数，i为样本的序号且为不大于n的自然数。

为了实现本发明的上述目的，本发明还提供了一种遥感估算地表感热/潜热通量的精度评价系统，其包括可测量百米级尺度地表通量的观测仪器、可测量公里级尺度的通量的观测仪器、遥感数据产品，所述地表通量观测仪器用于获得参照的地表感热/潜热通量数据，所述遥感产品用于获得遥感地表感热/潜热通量数据；处理系统接收地表通量观测仪器的观测数据和待验证的遥感产品数据，根据地表通量观测仪器得到的观测数据建立Footprint模型，设置足迹网格分辨率并求解Footprint模型，得到观测地表感热/潜热通量的通量贡献源区，归一化计算，得到每个足迹网格的通量贡献率；处理系统根据遥感影像与通量贡献源区的地理空间关系，确定遥感影像中与所述通量贡献源区相重合的遥感像元作为验证像元，以所述每个验证像元覆盖的足迹网格的通量贡献率之和作为该验证像元的相对权重，计算所述验证像元的加权平均值作为遥感估算值；处理系统将所述遥感估算值与地面实测值进行比较，得到遥感估算地表感热/潜热通量的精度评价结果；处理系统将对比结果通过显示界面进行显示。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明利用地面仪器观测值对遥感产品进行精度评价，借助Footprint模型选取遥感验证像元，使得验证结果更加合理、准确，从而保证了遥感产品精度及其可靠性，提升用户对遥感产品的信赖。

附图说明

图1是本发明基于Footprint模型的遥感估算地表感热/潜热通量的精度评价流程示意图。

具体实施方式

地表感热与潜热通量的地面观测仪器是基于微气象学原理的。微气象学方法观测地表通量的空间范围是指仪器测量值能在多大程度上反映实际地表的平均或累积的状况，可用足迹来表征。

足迹(Footprint)，又称为源权重函数，是描述近地面层表面源或汇的空间分布和仪器观测通量值之间关系的传导函数，反映了仪器观测的范围，可定量或定性地分析仪器观测结果与地面强迫项之间的关系。其中，对通量观测值有主要贡献的区域称之为通量贡献源区。

本发明提供了一种遥感估算地表感热/潜热通量的精度评价方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1，利用可测量百米级尺度地表通量的观测仪器观测地表，在本实施方式中，测量百米级尺度地表通量的观测仪器可采用但不限于采用涡动相关仪，得到可与高分辨率遥感估算地表感热/潜热通量相匹配的地面参照数据；涡动相关仪的观测尺度一般在几十至几百米，通常用于验证中高分辨率的遥感估算地表通量结果(如航空遥感，Landsat、ASTER等遥感产品)。

利用可测量公里级尺度地表通量的观测仪器观测地表，在本实施方式中，测量公里级尺度地表通量的观测仪器可采用但不限于采用大孔径闪烁仪，得到可与低分辨率遥感估算地表感热/潜热通量相匹配的地面参照数据。大孔径闪烁仪可测量公里级尺度(1-5km)的平均地表通量，通常用于验证低分辨率的遥感估算地表通量结果(如MODIS、NOAA/AVHRR等遥感产品)。

利用遥感产品获得遥感估算的地表感热/潜热通量数据。

S2，利用步骤S1地表通量观测仪得到的数据建立Footprint模型，在本实施方式中，Footprint模型为：

基于涡动相关仪观测数据，建立单点的解析Footprint模型，具体形式如下：

$f^y(x,z_m)=\frac{1}{\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\μ}\right)}\frac{{\mathrm{\ξ}}^{\mathrm{\μ}}}{x^{1+\mathrm{\μ}}}{e}^{-\mathrm{\ξ}/x}---\left(1\right)$

$D_y(x,y)=\frac{1}{\mathrm{\σ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-\frac{y^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}---\left(2\right)$

f(x，y，z_m)＝D_y(x，y)f^y(x，z_m)       (3)

公式(1)为通量侧向积分函数，公式(2)为侧风向湍流扩散分布函数，公式(3)为涡动相关仪观测通量的足迹函数，

式中，x为上风向距离，y为侧风向距离，z_m为仪器观测高度，Γ(μ)为Γ函数，μ＝(1+m)/r，形状因子r＝2+m-n，m、n为风廓线和湍流扩散方程中的指数，k′为湍流扩散方程中的比例系数，U为风速幂指数廓线方程中的系数，σ＝σ_v·x/u(x)，σ_v为侧风向风速的标准差，u(x)为有效烟云速度；

基于单点观测的解析Footprint模型和大孔径闪烁仪的空间权重函数，建立大孔径闪烁仪的解析Footprint模型，具体形式如下：

$f_{\mathrm{LAS}}(x^{\′},y^{\′},z_m)={\∫}_{x_2}^{x_1}W\left(x\right)f(x-x^{\′},y-y^{\′},z_m)\mathrm{dx},$

其中，f_LAS(x′,y′,z_m)为通量贡献源区，f(x-x′,y-y′,z_m)为地表通量观测仪观测通量的足迹函数，W(x)为地表通量观测仪沿光径路线方向的权重函数，x₁为地表通量观测仪发射器的位置，x₂为地表通量观测仪接收器的位置，x、y为光径路线上点的坐标，x′、y′为每个(x,y)点上风方向各点的坐标，z_m为仪器观测高度。

设置足迹网格分辨率并求解Footprint模型，得到观测地表感热/潜热通量的通量贡献源区，归一化计算，得到每个足迹网格的通量贡献率。

S3，利用遥感影像与通量贡献源区的地理空间关系，在本实施方式中，遥感影像分辨率不高于足迹网格分辨率，若遥感影像分辨率与足迹网格分辨率一致，则遥感验证像元可与足迹网格一一对应，每个足迹网格的通量贡献率即是相对应的遥感验证像元的相对权重值x_i；

若遥感影像分辨率低于足迹网格分辨率，则将每个遥感像元覆盖的足迹网格的通量贡献率相加，得到该遥感验证像元的相对权重值x_i。

确定遥感影像中与通量贡献源区相重合的遥感像元作为验证像元，以每个验证像元覆盖的足迹网格的通量贡献率之和作为该验证像元的相对权重，计算验证像元的加权平均值作为遥感估算值，该遥感估算值与地面实测值具有相同空间代表性，其计算方法为：

$Y_{\mathrm{weighted}}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n(x_i\×P_i),$

其中，Y_weighted为加权平均后的遥感估算值，x_i为遥感验证像元的相对权重值，P_i为遥感影像上通量贡献源区内像元i的遥感估算地表通量值，n为源区内的遥感像元总数且为自然数，i为遥感影像上源区内像元的序号且为不大于n的自然数。

在本实施方式中，遥感估算值与遥感实测值进行比较，采用如下精度评价指标评价精度：

$\mathrm{BIAS}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n(P_i-O_i)/n,$

$\mathrm{RMSE}=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{(P_i-O_i)}^2/n},$

$\mathrm{MAPE}=\frac{100}{n}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\frac{|P_i-O_i|}{\stackrel{\‾}{O}},$

$\mathrm{MRE}=\frac{100}{n}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\frac{P_i-O_i}{\stackrel{\‾}{O}},$

其中，BIAS为平均偏差，RMSE为均方差，MAPE为平均绝对百分比误差，MRE为平均相对误差，O_i为地面实测的地表通量值，为实测的地表通量的平均值，P_i为与实测地表通量具有相同空间代表性的遥感估算值，n为样本数且为自然数，i为样本的序号且为不大于n的自然数。

上述方法可针对多个样本的情况进行精度统计计算，多个样本既可以是一台仪器的多次观测，如每小时或每天一次的观测，也可以是同一时刻多台仪器的观测。

在本发明的一种优选实施方式中，步骤S4之后还具有以下步骤：

当遥感产品的精度不合格时，可反馈校正遥感估算模型，得到校正后的遥感估算结果后，返回步骤S1重新验证。

本发明公开了一种遥感估算地表感热/潜热通量的精度评价系统，包括可测量百米级尺度地表通量的观测仪器、可测量公里级尺度地表通量的观测仪器、遥感数据产品，所述地表通量观测仪器用于获得参照的地表感热/潜热通量数据，所述遥感产品用于获得遥感地表感热/潜热通量数据；处理系统接收地表通量观测仪器的观测数据和待验证的遥感产品数据，根据地表通量观测仪器得到的观测数据建立Footprint模型，设置足迹网格分辨率并求解Footprint模型，得到观测地表感热/潜热通量的通量贡献源区，归一化计算，得到每个足迹网格的通量贡献率；处理系统根据遥感影像与通量贡献源区的地理空间关系，确定遥感影像中与所述通量贡献源区相重合的遥感像元作为验证像元，以所述每个验证像元覆盖的足迹网格的通量贡献率之和作为该验证像元的相对权重，计算所述验证像元的加权平均值作为遥感估算值；处理系统将所述遥感估算值与地面实测值进行比较，得到遥感估算地表感热/潜热通量的精度情况；处理系统将对比结果通过显示界面进行显示。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种遥感估算地表感热/潜热通量的精度评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，利用可测量百米级尺度地表通量的观测仪器观测地表，获得可与中高分辨率遥感估算地表感热/潜热通量相匹配的地面参照数据；

利用可测量公里级尺度地表通量的观测仪器观测地表，获得可与低分辨率遥感估算地表感热/潜热通量相匹配的地面参照数据；

利用遥感产品获得遥感估算的地表感热/潜热通量数据；

S2，利用步骤S1中地表通量观测仪器得到的数据建立解析的Footprint模型，设置足迹网格分辨率并求解Footprint模型，得到观测地表感热/潜热通量的通量贡献源区，归一化计算，得到每个足迹网格的通量贡献率；

S3，利用遥感影像与通量贡献源区的地理空间关系，确定遥感影像中与所述通量贡献源区相重合的遥感像元作为验证像元，以所述每个验证像元覆盖的足迹网格的通量贡献率之和作为该验证像元的相对权重，计算所述验证像元的加权平均值作为遥感估算值；

S4，将所述遥感估算值与地面实测值进行比较，利用精度评价指标对估算精度进行评价。

2.根据权利要求1所述的遥感估算地表感热/潜热通量的精度评价方法，其特征在于，所述遥感影像分辨率不高于足迹网格分辨率。

3.根据权利要求1所述的遥感估算地表感热/潜热通量的精度评价方法，其特征在于，所述步骤S3中遥感验证像元的相对权重x_i的计算方法：

若遥感影像分辨率与设置的足迹网格分辨率一致，则遥感验证像元可与足迹网格一一对应，每个足迹网格的通量贡献率即是相对应的遥感验证像元的相对权重值x_i；

若遥感影像分辨率低于足迹网格分辨率，则将每个遥感验证像元覆盖的足迹网格的通量贡献率相加，得到该遥感验证像元的相对权重值x_i。

4.根据权利要求1所述的遥感估算地表感热/潜热通量的精度评价方法，其特征在于，与地面实测值具有相同空间代表性的遥感估算值的计算方法为：

$Y_{\mathrm{weighted}}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n(x_i\×P_i),$

其中，Y_weighted为加权平均后的遥感估算值，x_i为遥感验证像元的相对权重值，P_i为遥感影像上通量贡献源区内像元i的遥感估算地表通量值，n为源区内的遥感像元总数且为自然数，i为遥感影像上源区内像元的序号且为不大于n的自然数。

5.根据权利要求1所述的遥感估算地表感热/潜热通量的精度评价方法，其特征在于，所述Footprint模型为：

基于涡动相关仪观测数据，建立单点的解析Footprint模型，具体形式如下：

$f^y(x,z_m)=\frac{1}{\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\μ}\right)}\frac{{\mathrm{\ξ}}^{\mathrm{\μ}}}{x^{1+\mathrm{\μ}}}{e}^{-\mathrm{\ξ}/x}---\left(1\right)$

$D_y(x,y)=\frac{1}{\mathrm{\σ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-\frac{y^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}---\left(2\right)$

f(x，y，z_m)＝D_y(x，y)f^y(x，z_m)        (3)

公式(1)为通量侧向积分函数，公式(2)为侧风向湍流扩散分布函数，公式(3)为涡动相关仪观测通量的足迹函数。

式中x为上风向距离，y为侧风向距离，z_m为仪器观测高度，Γ(μ)为Γ函数，μ＝(1+m)/r，形状因子r＝2+m-n，m、n为风廓线和湍流扩散方程中的指数，k′为湍流扩散方程中的比例系数，U为风速幂指数廓线方程中的系数，σ＝σ_v·x/u(x)，σ_v为侧风向风速的标准差，u(x)为有效烟云速度；

基于单点观测的解析Footprint模型和大孔径闪烁仪的空间权重函数，建立大孔径闪烁仪的解析Footprint模型，具体形式如下：

$f_{\mathrm{LAS}}(x^{\′},y^{\′},z_m)={\∫}_{x_2}^{x_1}W\left(x\right)f(x-x^{\′},y-y^{\′},z_m)\mathrm{dx}$

其中，f_LAS(x′,y′,z_m)为通量贡献源区，f(x-x′,y-y′,z_m)为地表通量观测仪观测通量的足迹函数，W(x)为地表通量观测仪沿光径路线方向的权重函数，x₁为地表通量观测仪发射器的位置，x₂为地表通量观测仪接收器的位置，x、y为光径路线上点的坐标，x′、y′为每个(x,y)点上风方向各点的坐标，z_m为仪器观测高度。

6.根据权利要求1所述的遥感估算地表感热/潜热通量的精度评价方法，其特征在于，所述遥感估算值与遥感实测值进行比较，采用如下精度评价指标：

$\mathrm{BIAS}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n(P_i-O_i)/n$

$\mathrm{RMSE}=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{(P_i-O_i)}^2/n}$

$\mathrm{MAPE}=\frac{100}{n}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\frac{|P_i-O_i|}{\stackrel{\‾}{O}}$

$\mathrm{MRE}=\frac{100}{n}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\frac{P_i-O_i}{\stackrel{\‾}{O}}$

其中，BIAS为平均偏差，RMSE为均方差，MAPE为平均绝对百分比误差，MRE为平均相对误差，O_i为地面实测的地表通量值，为实测的地表通量的平均值，P_i为与实测地表通量具有相同空间代表性的遥感估算值，n为样本数且为自然数，i为样本的序号且为不大于n的自然数。

7.根据权利要求1所述的遥感估算地表感热/潜热通量的精度评价系统，其特征在于，包括可测量百米级尺度地表通量的观测仪器、可测量公里级尺度地表通量的观测仪器、遥感数据产品，所述地表通量观测仪器用于获得参照的地表感热/潜热通量数据，所述遥感产品用于获得遥感地表感热/潜热通量数据；

处理系统接收地表通量观测仪器的观测数据和待验证的遥感产品数据，根据地表通量观测仪器得到的观测数据建立Footprint模型，设置足迹网格分辨率并求解Footprint模型，得到观测地表感热/潜热通量的通量贡献源区，归一化计算，得到每个足迹网格的通量贡献率；处理系统根据遥感影像与通量贡献源区的地理空间关系，确定遥感影像中与所述通量贡献源区相重合的遥感像元作为验证像元，以所述每个验证像元覆盖的足迹网格的通量贡献率之和作为该验证像元的相对权重，计算所述验证像元的加权平均值作为遥感估算值；

处理系统将所述遥感估算值与地面实测值进行比较，得到遥感估算地表感热/潜热通量的精度评价结果；

处理系统将对比结果通过显示界面进行显示。