CN113656419B - 全球地表反射率数据集构建及更新方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全球地表反射率数据集构建及更新方法及装置。该方法包括：以固定大小的网格，利用全球范围地物背景在12个月份、5个波段的反射率数据，构建全球月度地表反射率数据集；根据查询点位置、查询月份和成像波段，向构建的全球月度地表反射率数据集查询所需的反射率；根据新获得的地表反射率及其地理位置、月份和波段，完成全球月度地表反射率数据集的更新。本发明提供的全球地表反射率数据集构建及更新方法及装置能够支持全球地表覆盖、12个月度、空间分辨率为0.01°×0.01°，能够实现反射率数据更新。

Description

全球地表反射率数据集构建及更新方法及装置

技术领域

本发明涉及遥感卫星成像技术领域，特别是涉及一种全球地表反射率数据集构建及更新方法及装置。

背景技术

地表反射率是指地面反射辐射量与入射辐射量之比，表征地面对太阳辐射的吸收和反射能力。反射率越大，地面吸收太阳辐射越少；反射率越小，地面吸收太阳辐射越多。对于光学卫星CCD相机而言，设置合适的调光参数(积分时间和增益)，需要根据成像范围内的地表反射率数据来计算最佳参数。此外，地表反射率是随着时间变化的。因此，为了实现卫星调光参数精确设置，可以通过卫星遥感反演技术获取大范围地表反射率数据，构建全球范围内、不同时期的反射率数据集。此外，由于地表状态时刻会发生变化，从而导致构建的全球地表反射率数据集无法准确刻画地表反射特性，因此，可以利用后续卫星获得的反射率数据对数据库进行更新，以提高反射率数据库的准确度。

文献《地表反射率数据库的构建及其应用》(地表反射率数据库的构建及其应用，2018年。DOI：10.16251/j.cnki.1009-2307.2018.03.026)针对卫星对地观测的自适应多模态需求，根据成像区域地表覆盖类型和反射率来设置成像载荷积分时间,不同压缩比的成像参数设置模型,以选择最优的观测模式。通过中分辨率成像光谱仪(MERIS)地表反射率影像和GlobCover全球陆地覆盖分类图为数据源，构建了以冰雪、沙漠、裸土、岩石、农作物、森林、草地、水体等不同地表覆盖类型及其在不同季节蓝,绿,红,近红外波段的地物反射率数据库。

该技术构建的地表反射率数据存在如下不足。首先，反射率数据的时间尺度太粗，只能获得双月份反射率数据，全年共计6期数据，每一期数据是2个月内的地表反射率数据的平均值，因此无法准确刻画地表反射特性；其次，该方法构建的反射率数据准确率不高，由于是基于地物分类图来实现全球尺度的反射率数据填充，由于所用的地物分类图精度为67.5％，从而导致构建的反射率数据的准确性较差；此外，该方法构建的反射率数据无法进行更新，从而导致反射率数据库时效性较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种全球地表反射率数据集构建及更新方法及装置，能够支持全球地表覆盖、12个月度、空间分辨率为0.01°×0.01°，能够实现反射率数据更新。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种全球地表反射率数据集构建及更新方法，所述方法包括：以固定大小的网格，利用全球范围地物背景在12个月份、5个波段的反射率数据，构建全球月度地表反射率数据集；根据查询点位置、查询月份和成像波段，向构建的全球月度地表反射率数据集查询所需的反射率；根据新获得的地表反射率及其地理位置、月份和波段，完成全球月度地表反射率数据集的更新。

在一些实施方式中，地表背景是指地物特性相对均匀单一的地球表面，通常包括水面、道路、植被、裸土、森林、山区、冰雪、城市等不同地物类型。

在一些实施方式中，网格大小为0.01°×0.01°。

在一些实施方式中，5个波段包括：4个多光谱波段和1个全色波段。

在一些实施方式中，反射率数据存储方式为：将反射率数据乘以10000后取整，转换为0～10000之间的整数。

在一些实施方式中，全球月度地表反射率数据集的存储方式为：采用二进制文件形式存储该反射率数据集。

在一些实施方式中，对于每一个二进制文件，反射率数据存储是按照网格编号以此存储，每一个网格单元存在一个唯一的网格编号，与该网格单元的空间位置相关。

在一些实施方式中，根据查询点位置、查询月份和成像波段，向构建的全球月度地表反射率数据集查询所需的反射率，包括：根据查询月份mm和成像波段xx确定待需要读取的二进制文件名；利用查询点位置来确定对应的网格编号WGBH；从二进制文件起始位置跳过2×wgbh个Byte，读取2个Byte数据，转换为Uint16数据类型。

在一些实施方式中，根据新获得的地表反射率及其地理位置、月份和波段，完成全球月度地表反射率数据集的更新，包括：根据新获得的地表反射率的月份YY和波段BB确定待需要更新的二进制文件名；利用新获得的地表反射率位置来确定对应的网格编号WGBH_new；从二进制文件Ref_YY_BB.dat起始位置跳过2×WGBH_new个Byte，将新获得的反射率Ref_new乘以10000后取整转换成Uint16数据类型，得到Ref_new_Uint16并将其写入文件中。

此外，本发明还提供了一种全球地表反射率数据集构建及更新装置，所述装置包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据前文所述的全球地表反射率数据集构建及更新方法。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

本发明中构建了一种全球月度地表反射率数据集，能够保存全球地表的反射率数据，能够为光学卫星CCD相机设置合适的调光参数(积分时间和增益)提供反射率数据支撑；

本发明中生成的全球月度地表反射率数据集，能够得到地球表面任意一点每个月的反射率数据，能够满足地表反射特性随时间变化的规律；

本发明中生成的全球月度地表反射率数据集，能够基于新获取的反射率数据来对数据集中的数据进行更新，能够提高反射率数据集的时效性要求。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明实施例提供的全球地表反射率数据集构建及更新方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的网格编号规则的示意图；

图3是本发明实施例提供的全球地表反射率数据集构建及更新装置的结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的各种问题，本发明构建了一种新型全球月度地表反射率数据集，支持全球地表覆盖、12个月度、空间分辨率为0.01°×0.01°，能够实现反射率数据更新。

本发明构建一种全球月度地表反射率数据集，能够实现反射率数据查询和更新。参见图1，具体过程如下：

S11，全球月度地表反射率数据集构建。

全球月度地表反射率数据集是包含了全球范围地物背景在12个月份、5个谱段(全色和4个多光谱)的反射率数据，网格大小为0.01°×0.01°。具体过程如下：

(1)地表背景是指地物特性相对均匀单一的地球表面，通常包括水面、道路、植被、裸土、森林、山区、冰雪、城市等不同地物类型。在构建全球月度地表反射率数据集时，按照为0.01°×0.01°的粒度对全球表面进行网格划分，根据每个网格中所含的主要的、有代表性的地形地貌，确定其平均地物反射系数。1°×1°的范围包含10000(100×100)个网格单元，全球地表共计包含了360×180×10000＝6.48亿个网格单元。

(2)按照成像波段划分，可以分为4个多光谱波段和1个全色波段，共计5个波段。其中，4个多光谱波段分别表示为B1波段(波段范围为0.45-0.52μm)、B2波段(波段范围为0.52-0.59μm)、B3波段(波段范围为0.63-0.69μm)、B4波段(波段范围为0.77-0.89μm)，Pan波段为全色谱段，波段范围为0.45～0.90um。

(3)按照月份划分，全年分为12个月，每个月均有一个反射率数据，该反射率数据为月度平均值。

(4)反射率数据存储方式为：反射率为0～1之间的小数，为了节省数据集存储空间，将反射率数据乘以10000后取整，转换为0～10000之间的整数，每一个反射率数据保存为Uint16(2Byte)。

(5)全球月度地表反射率数据集的存储方式为：对于全球地表上任意一个网格单元，包含了5个成像波段、12个月的反射率数据，数据量为5×12×2＝120Byte；则全球月度地表反射率数据集的数据量为6.48亿×120/1024/1024/1024＝74.12Gbyte。为了实现全球月度地表反射率数据集的快速查询和更新，需要构建合适的数据存储形式。本发明采用二进制文件形式存储该反射率数据集。具体为：共计包含60个二进制文件，每个二进制文件包含了某一个成像波段在某个月份的全球地表反射率数据。该二进制文件的命名规则为Ref_MM_XX.dat,其中，MM为月份，分别为01、02、……、11、12；XX为成像波段，分别为Pan、B1、B2、B3、B4。

(6)对于每一个二进制文件，反射率数据存储是按照网格编号以此存储，每一个网格单元存在一个唯一的网格编号(WGBH)，与该网格单元的空间位置相关，具体为：WGBH＝X_off+Y_off*36000,取值范围为0～6.48×108-1。其中：

X_off为当前网格单元距离起始网格单元的横向偏移量，X_off＝ceiling[(X_long-0.005)/0.01],X_long为当前网单元点的经度，范围为-180°～180°，负值为西经，正值为东经；

Y_off为当前网格单元距离起始网格单元的纵向偏移量,Y_off＝ceiling[(90-Y_lat-0.005)/0.01]，Y_lat为当前网单元点的纬度，范围为90°～-90°，正值为北纬，负值为南纬；

起始网格单元为全球地表网格划分的起始网格单元(如图2所示)，对应的网格中心纬度为89.995°，网格中心经度为-179.995°。

S12，全球月度地表反射率数据集查询。

根据查询点位置、查询月份和成像波段查询所需的反射率Ref。具体方式为：

(1)首先，根据查询月份mm和成像波段xx确定待需要读取的二进制文件名Ref_MM_XX.dat；

(2)然后，利用查询点位置来确定对应的网格编号WGBH,WGBH＝X_off+Y_off*36000,其中，X_off＝ceiling[(X_long-0.005)/0.01],Y_off＝ceiling[(90-Y_lat-0.005)/0.01],X_long和Y_lat分别为查询点经度值和纬度值。

(3)最后，从二进制文件Ref_MM_XX.dat起始位置跳过2×WGBH个Byte，读取2个Byte数据，转换为Uint16数据类型Ref_Uint16，得到Ref＝Ref_Uint16/10000。

S13，全球月度地表反射率数据集更新。

根据新获得的地表反射率Ref_new及其地理位置、月份和波段，完成全球月度地表反射率数据集更新。具体方法如下：

(1)首先，根据新获得的地表反射率的月份yy和波段bb确定待需要更新的二进制文件名Ref_YY_BB.dat；

(2)然后，利用新获得的地表反射率位置来确定对应的网格编号WGBH_new,WGBH_new＝X_off_new+Y_off_new*36000，其中，X_off_new＝ceiling[(X_long_new-0.005)/0.01],Y_off_new＝ceiling[(90-Y_lat_new-0.005)/0.01],X_long_new和Y_lat_new分别为新获得的地表反射率位置经度值和纬度值。

最后，从二进制文件Ref_YY_BB.dat起始位置跳过2×WGBH_new个Byte，将新获得的反射率Ref_new乘以10000后取整转换成Uint16数据类型，得到Ref_new_Uint16并将其写入文件中，即完成了数据集更新。

图3示出了全球地表反射率数据集构建及更新装置的结构。参见图3，例如，所述全球地表反射率数据集构建及更新装置300可以用于充当光学遥感卫星成像系统中的反射率数据集构建及更新主机。如本文所述，全球地表反射率数据集构建及更新装置300可以用于在光学遥感卫星成像系统中实现对主轴轴承的反射率数据集构建及更新功能。全球地表反射率数据集构建及更新装置300可以在单个节点中实现，或者全球地表反射率数据集构建及更新装置300的功能可以在网络中的多个节点中实现。本领域的技术人员应意识到，术语全球地表反射率数据集构建及更新装置包括广泛意义上的设备，图3中示出的全球地表反射率数据集构建及更新装置300仅是其中一个示例。包括全球地表反射率数据集构建及更新装置300是为了表述清楚，并不旨在将本发明的应用限制为特定的全球地表反射率数据集构建及更新装置实施例或某一类全球地表反射率数据集构建及更新装置实施例。本发明所述的至少部分特征/方法可以在网络装置或组件，例如，全球地表反射率数据集构建及更新装置300中实现。例如，本发明中的特征/方法可以采用硬件、固件和/或在硬件上安装运行的软件实现。全球地表反射率数据集构建及更新装置300可以是任何通过网络处理，存储和/或转发数据帧的设备，例如，服务器，客户端，数据源等。如图3所示，全球地表反射率数据集构建及更新装置300可以包括收发器(Tx/Rx)310，其可以是发射器，接收器，或其组合。Tx/Rx 310可以耦合到多个端口350(例如上行接口和/或下行接口)，用于从其他节点发送和/或接收帧。处理器330可耦合至Tx/Rx 310，以处理帧和/或确定向哪些节点发送帧。处理器330可以包括一个或多个多核处理器和/或存储器设备332，其可以用作数据存储器，缓冲区等。处理器330可以被实现为通用处理器，或者可以是一个或多个专用集成电路(application specific integrated circuit，简称ASIC)和/或数字信号处理器(digitalsignal processor，简称DSP)的一部分。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种全球地表反射率数据集构建及更新方法，其特征在于，包括：

以固定大小的网格，利用全球范围地物背景在12个月份、5个波段的反射率数据，构建全球月度地表反射率数据集；

根据查询点位置、查询月份和成像波段，向构建的全球月度地表反射率数据集查询所需的反射率；

根据新获得的地表反射率及其地理位置、月份和波段，完成全球月度地表反射率数据集的更新；所述根据新获得的地表反射率及其地理位置、月份和波段，完成全球月度地表反射率数据集的更新，包括：

根据新获得的地表反射率的月份YY和波段BB确定待需要更新的二进制文件名；

利用新获得的地表反射率位置来确定对应的网格编号WGBH_new；

从二进制文件Ref_YY_BB.dat起始位置跳过2×WGBH_new个Byte，将新获得的反射率Ref_new乘以10000后取整转换成Uint16数据类型，得到Ref_new_Uint16并将其写入文件中。

2.根据权利要求1所述的全球地表反射率数据集构建及更新方法，其特征在于，地表背景是指地物特性相对均匀单一的地球表面，包括水面、道路、植被、裸土、森林、山区、冰雪、城市。

3.根据权利要求1所述的全球地表反射率数据集构建及更新方法，其特征在于，网格大小为0.01°×0.01°。

4.根据权利要求1所述的全球地表反射率数据集构建及更新方法，其特征在于，5个谱段包括：4个多光谱波段和1个全色波段。

5.根据权利要求1所述的全球地表反射率数据集构建及更新方法，其特征在于，反射率数据存储方式为：将反射率数据乘以10000后取整，转换为0～10000之间的整数。

6.根据权利要求1所述的全球地表反射率数据集构建及更新方法，其特征在于，全球月度地表反射率数据集的存储方式为：采用二进制文件形式存储该反射率数据集。

7.根据权利要求6所述的全球地表反射率数据集构建及更新方法，其特征在于，对于每一个二进制文件，反射率数据存储是按照网格编号以此存储，每一个网格单元存在一个唯一的网格编号，与该网格单元的空间位置相关。

8.根据权利要求1所述的全球地表反射率数据集构建及更新方法，其特征在于，根据查询点位置、查询月份和成像波段，向构建的全球月度地表反射率数据集查询所需的反射率，包括：

根据查询月份MM和成像波段XX确定待需要读取的二进制文件名；

利用查询点位置来确定对应的网格编号WGBH；

从二进制文件起始位置跳过2×WGBH个Byte，读取2个Byte数据，转换为Uint16数据类型。

9.一种全球地表反射率数据集构建及更新装置，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据权利要求1至8任意一项所述的全球地表反射率数据集构建及更新方法。

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