一种时空信息融合的微波遥感土壤水分产品降尺度方法

技术领域

本发明涉及微波遥感技术领域，具体地涉及时空信息融合的微波遥感土壤水分产品降尺度方法。

背景技术

被动微波遥感土壤水分产品像元的空间分辨率一般在10公里至25公里左右。如此低空间分辨率的土壤水分产品无法满足小尺度科学研究和业务应用的需求，从而制约了被动微波遥感土壤水分产品在农业、水利等行业的应用。因此，如何提高被动微波遥感土壤水分产品的空间分辨率成为被动微波遥感土壤水分反演领域的关键和热点问题之一。

传统的土壤水分降尺度方法主要采用插值或引入辅助数据进行空间加权分配，将低空间分辨率的数值按照一定的规则分配到低空间分辨率像元所包含的高空间分辨率像元中。在上述方法中，空间插值的方法没有考虑土壤水分的影响因素，单纯依赖空间距离进行加权，可能会导致土壤水分的空间分配与实际不符的情况；其他引入辅助数据的方法多以植被或土壤温度等信息为主，利用现有的卫星遥感植被产品和温度产品开展降尺度工作，但是没有考虑地形、土壤质地等因素对土壤水分空间分配的影响，在局部区域会产生较大误差，因此辅助因子的全面性仍有待提高。

发明内容

本发明提供一种时空信息融合的微波遥感土壤水分产品降尺度方法，从而解决现有技术的上述问题。

本发明提供了一种时空信息融合的微波遥感土壤水分产品降尺度方法，包括以下步骤：

S1)构建土壤水分与关联地表参数之间的关系表达模型；

S2)根据土壤水分与关联地表参数之间的关系表达模型、并利用时序相近的关联参数对低空间分辨率土壤水分遥感产品进行降尺度，得到时间相近差值以及时序辅助信息的高空间分辨率土壤水分降尺度结果；

S3)根据土壤水分与关联地表参数之间的关系表达模型、并利用空间相邻的关联参数对低空间分辨率土壤水分遥感产品进行降尺度，得到空间相邻差值以及空间辅助信息的高空间分辨率土壤水分降尺度结果；

S4)根据时间相近差值和空间相邻差值、并利用误差加权方法对时序辅助信息的高空间分辨率土壤水分降尺度结果和空间辅助信息的高空间分辨率土壤水分降尺度结果进行融合，获得高空间分辨率土壤水分产品降尺度融合结果。

进一步的，在步骤S1)中，构建土壤水分与关联地表参数之间的关系表达模型，包括如下步骤：

S11)参数化若干个与土壤水分关联的地表参数，若干个与土壤水分关联的地表参数包括植被覆盖参数、地表温度、地形状况参数和土壤质地参数；利用土壤体积含水量表示土壤水分，利用归一化植被指数表示植被覆盖参数，利用地表坡度表示地形状况参数，利用土壤比表面积和容重分别表示土壤质地参数；

S12)获取与若干个与土壤水分关联的地表参数相对应的历史数据，历史数据包括土壤体积含水量、归一化植被指数、地表坡度、土壤容重和土壤比表面积；

S13)利用历史数据对若干个与土壤水分关联的地表参数进行主成分分析，获得贡献值较大且相互独立的前三个分量，将贡献值较大且相互独立的前三个分量作为主成分，获得主成分矩阵

S14)构建土壤水分与所述主成分矩阵之间的关系表达式，将所述土壤水分与所述主成分矩阵之间的关系表达式作为土壤水分与关联地表参数之间的关系表达模型，土壤水分与关联地表参数之间的关系表达模型为

由于与土壤水分关联的地表参数并不独立，相互之间关联度较大，因此本发明对5个与土壤水分关联的地表参数进行主成分分析，将贡献值较大且相互独立的前三个分量作为主成分，并获得三个主成分分量的表达式。土壤水分与关联地表参数之间的关系表达模型的若干个关系表达式系数在不同区域和不同时相可能不同，在后续步骤应用时根据不同的条件进行更新。

进一步的，在步骤S12)中，还包括测量土壤颗粒组成，利用所述土壤颗粒组成计算土壤比表面积S，所述土壤比表面积S＝0.042+4.23·clay+1.12·silt-1.16·sand，clay、silt和sand分别表示土壤的粘粒、粉粒和砂粒含量。

本发明利用地面试验测量的方法或已有遥感产品和数据均可获取各参数，其中，土壤体积含水量、归一化植被指数、地表坡度、土壤容重均能够直接测量或获取，土壤比表面积由测量的土壤颗粒组成计算得到。

进一步的，在步骤S2)中，根据土壤水分与关联地表参数之间的关系表达模型、并利用时序相近的关联参数对低空间分辨率土壤水分遥感产品进行降尺度，得到时间相近差值以及时序辅助信息的高空间分辨率土壤水分降尺度结果，包括如下步骤：

S21)获取低空间分辨率土壤水分遥感产品以及与土壤水分关联的若干个高分辨率关联参数，若干个高分辨率关联参数包括高分辨率的归一化植被指数、地表温度、地表坡度、土壤容重以及土壤比表面积数据；

S22)根据土壤水分与关联地表参数的关系表达模型逐像元建立高分辨率土壤水分产品与若干个高分辨率关联参数之间的关系式υ

S23)逐像元提取与低空间分辨率土壤水分

S24)假定第j个低空间分辨率土壤水分像元相近的n个时相土壤水分与与关联地表参数的关系表达模型关系不变，提取第j个像元低空间分辨率土壤水分的n个时相数据以及与所述第j个像元低空间分辨率土壤水分的n个时相数据分别相对应的进行算数平均聚合后的若干个关联参数数据，所述第j个像元低空间分辨率土壤水分的n个时相数据为

S25)根据土壤水分与关联地表参数的关系表达模型逐像元建立低空间分辨率土壤水分与步骤S24)中进行算数平均聚合后的若干个关联参数数据之间的时间相近关系式，通过所述时间相近关系式获得第j个像元低空间分辨率土壤水分时间相近估计值

S26)利用建立的低空间分辨率土壤水分与步骤S24)中进行算数平均聚合后的若干个关联参数数据之间的时间相近关系式对低分辨率土壤水分产品进行降尺度，获得时序辅助信息的高空间分辨率土壤水分降尺度结果v

在步骤S22)中，<>表示算数平均运算符，

按照步骤S1)构建的土壤水分与关联地表参数之间的关系表达模型建立每个像元土壤水分与关联参数的表达式。方法是假定第j个像元相近的n个时相土壤水分与关联参数的表达式模型关系不变，提取n个时相的土壤水分以及聚合后的关联参数，按照步骤S1)描述的表达式模型构建方法逐像元获取土壤水分与关联参数的时间相近关系式，表示为

进一步的，在步骤S3)中，根据土壤水分与关联地表参数之间的关系表达模型、并利用空间相邻的关联参数对低空间分辨率土壤水分遥感产品进行降尺度，得到空间相邻差值以及空间辅助信息的高空间分辨率土壤水分降尺度结果，包括如下步骤：

S31)按照步骤S21)至步骤S23)逐像元建立高分辨率土壤水分产品与若干个高分辨率关联参数之间的关系式，并对若干个高分辨率关联参数进行算数平均聚合，得到与低空间分辨率土壤水分相同分辨率的关联参数数据；

S32)假定第j个低空间分辨率土壤水分像元空间上相近的K×K个像元土壤水分与关联参数之间的关系表达模型相同，提取除第j个像元外的K

S33)根据土壤水分与关联地表参数的关系表达模型逐像元建立低空间分辨率土壤水分与步骤S32)中进行算数平均聚合后的若干个关联参数数据之间的空间相邻关系式，根据空间相邻关系式获得第j个像元低空间分辨率土壤水分空间相邻估计值

S34)利用建立的低空间分辨率土壤水分与步骤S32)中进行算数平均聚合后的若干个关联参数数据之间的空间相邻关系式对低分辨率土壤水分产品进行降尺度，获得空间辅助信息的高空间分辨率土壤水分降尺度结果v

进一步的，在步骤S4)中，根据所述时间相近差值和所述空间相邻差值、并利用误差加权方法对所述时序辅助信息的高空间分辨率土壤水分降尺度结果和所述空间辅助信息的高空间分辨率土壤水分降尺度结果进行融合，获得高空间分辨率土壤水分产品降尺度融合结果，包括如下步骤：

S41)根据时间相近差值ε

S42)利用时间相近法计算结果权重δ

本发明的有益效果是：本发明构建了土壤水分与关联地表参数的关系表达模型；利用时序相近的关联参数对低空间分辨率土壤水分遥感产品进行降尺度，得到时序辅助信息的高空间分辨率土壤水分结果；利用空间相邻的关联参数对低空间分辨率土壤水分遥感产品进行降尺度，得到空间辅助信息的高空间分辨率土壤水分结果；利用误差加权的方法融合上述两步得到的土壤水分结果，实现了高空间分辨率土壤水分产品降尺度。本发明全面考虑了与土壤水分关联的地表参数，同时利用了时序相近和空间相邻辅助信息对被动微波遥感低空间分辨率的土壤水分产品进行降尺度，提高了土壤水分降尺度结果的科学性、处理精度和时空连续性，有助于拓展被动微波遥感土壤水分产品在农业、水利等行业的应用领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例一提供的时空信息融合的微波遥感土壤水分产品降尺度方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，以便一系列单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他单元。

实施例一，一种时空信息融合的微波遥感土壤水分产品降尺度方法，包括以下步骤：

S1)构建土壤水分与关联地表参数之间的关系表达模型；包括如下步骤：

S11)参数化若干个与土壤水分关联的地表参数，若干个与土壤水分关联的地表参数包括植被覆盖参数、地表温度、地形状况参数和土壤质地参数；利用土壤体积含水量表示土壤水分，利用归一化植被指数表示植被覆盖参数，利用地表坡度表示地形状况参数，利用土壤比表面积和容重分别表示土壤质地参数；

S12)获取与若干个与土壤水分关联的地表参数相对应的历史数据，历史数据包括土壤体积含水量、归一化植被指数、地表坡度、土壤容重和土壤比表面积。在步骤S12)中，还包括测量土壤颗粒组成，利用土壤颗粒组成计算土壤比表面积S，所述土壤比表面积S＝0.042+4.23·clay+1.12·silt-1.16·sand，clay、silt和sand分别表示土壤的粘粒、粉粒和砂粒含量。

本发明利用地面试验测量的方法或已有遥感产品和数据均可获取各参数，其中，土壤体积含水量、归一化植被指数、地表坡度、土壤容重均能够直接测量或获取，土壤比表面积由测量的土壤颗粒组成计算得到。

S13)利用历史数据对若干个与土壤水分关联的地表参数进行主成分分析，获得贡献值较大且相互独立的前三个分量，将贡献值较大且相互独立的前三个分量作为主成分，获得主成分矩阵

S14)构建土壤水分与主成分矩阵之间的关系表达式，将土壤水分与主成分矩阵之间的关系表达式作为土壤水分与关联地表参数之间的关系表达模型，土壤水分与关联地表参数之间的关系表达模型为

由于与土壤水分关联的地表参数并不独立，相互之间关联度较大，因此本发明实施例利用SPSS软件对5个与土壤水分关联的地表参数进行主成分分析，将贡献值较大且相互独立的前三个分量作为主成分，并获得三个主成分分量的表达式。土壤水分与关联地表参数之间的关系表达模型的若干个关系表达式系数在不同区域和不同时相可能不同，在后续步骤应用时根据不同的条件进行更新。

S2)根据土壤水分与关联地表参数之间的关系表达模型、并利用时序相近的关联参数对低空间分辨率土壤水分遥感产品进行降尺度，得到时间相近差值以及时序辅助信息的高空间分辨率土壤水分降尺度结果。

在步骤S2)中，根据土壤水分与关联地表参数之间的关系表达模型、并利用时序相近的关联参数对低空间分辨率土壤水分遥感产品进行降尺度，得到时间相近差值以及时序辅助信息的高空间分辨率土壤水分降尺度结果，包括如下步骤：

S21)获取低空间分辨率土壤水分遥感产品以及与土壤水分关联的若干个高分辨率关联参数，若干个高分辨率关联参数具有高分辨率的归一化植被指数、地表温度、地表坡度、土壤容重以及土壤比表面积数据。

低空间分辨率土壤水分遥感产品为AMSR2被动微波遥感产品，空间分辨率为25km。归一化植被指数和地表温度采用观测时相相近的MODIS的产品，地表坡度采用全球数字高程模型数据计算得到，土壤容重和土壤比表面积数据采用世界土壤数据库提供的数据，所有辅助数据空间分辨率均采样至1km尺度。

S22)根据土壤水分与关联地表参数的关系表达模型逐像元建立高分辨率土壤水分产品与若干个高分辨率关联参数之间的关系式υ

S23)逐像元提取与低空间分辨率土壤水分

S24)假定第j个低空间分辨率土壤水分像元相近的n个时相土壤水分与与关联地表参数的关系表达模型关系不变，提取第j个像元低空间分辨率土壤水分的n个时相数据以及与所述第j个像元低空间分辨率土壤水分的n个时相数据分别相对应的进行算数平均聚合后的若干个关联参数数据，n≥5，所述第j个像元低空间分辨率土壤水分的n个时相数据为

S25)根据土壤水分与关联地表参数的关系表达模型逐像元建立低空间分辨率土壤水分与步骤S24)中进行算数平均聚合后的若干个关联参数数据之间的时间相近关系式，通过时间相近关系式获得第j个像元低空间分辨率土壤水分时间相近估计值

S26)利用建立的低空间分辨率土壤水分与步骤S24)中进行算数平均聚合后的若干个关联参数数据之间的时间相近关系式对低分辨率土壤水分产品进行降尺度，获得时序辅助信息的高空间分辨率土壤水分降尺度结果v

在步骤S22)中，<>表示算数平均运算符，

按照步骤S1)构建的土壤水分与关联地表参数之间的关系表达模型建立每个像元土壤水分与关联参数的表达式。方法是假定第j个像元相近的n个时相土壤水分与关联参数的表达式模型关系不变，提取n个时相的土壤水分以及聚合后的关联参数，按照步骤S1)描述的表达式模型构建方法逐像元获取土壤水分与关联参数的时间相近关系式，表示为

S3)根据土壤水分与关联地表参数之间的关系表达模型、并利用空间相邻的关联参数对低空间分辨率土壤水分遥感产品进行降尺度，得到空间相邻差值以及空间辅助信息的高空间分辨率土壤水分降尺度结果，包括如下步骤：

S31)按照步骤S21)至步骤S23)逐像元建立高分辨率土壤水分产品与若干个高分辨率关联参数之间的关系式，并对若干个高分辨率关联参数进行算数平均聚合，得到与低空间分辨率土壤水分相同分辨率的关联参数数据；

S32)假定第j个低空间分辨率土壤水分像元空间上相近的K×K个像元土壤水分与关联参数之间的关系表达模型相同(K取3、5、7等奇数)，提取除第j个像元外的K

S33)根据土壤水分与关联地表参数的关系表达模型逐像元建立低空间分辨率土壤水分与步骤S32)中进行算数平均聚合后的若干个关联参数数据之间的空间相邻关系式，根据空间相邻关系式获得第j个像元低空间分辨率土壤水分空间相邻估计值

S34)利用建立的低空间分辨率土壤水分与步骤S32)中进行算数平均聚合后的若干个关联参数数据之间的空间相邻关系式对低分辨率土壤水分产品进行降尺度，获得空间辅助信息的高空间分辨率土壤水分降尺度结果v

S4)根据时间相近差值和空间相邻差值、并利用误差加权方法对所述时序辅助信息的高空间分辨率土壤水分降尺度结果和所述空间辅助信息的高空间分辨率土壤水分降尺度结果进行融合，获得高空间分辨率土壤水分产品降尺度融合结果，包括如下步骤：

S41)根据时间相近差值ε

S42)利用时间相近法计算结果权重δ

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明构建了土壤水分与关联地表参数的关系表达模型；利用时序相近的关联参数对低空间分辨率土壤水分遥感产品进行降尺度，得到时序辅助信息的高空间分辨率土壤水分结果；利用空间相邻的关联参数对低空间分辨率土壤水分遥感产品进行降尺度，得到空间辅助信息的高空间分辨率土壤水分结果；利用误差加权的方法融合上述两步得到的土壤水分结果，实现了高空间分辨率土壤水分产品降尺度。本发明全面考虑了与土壤水分关联的地表参数，同时利用了时序相近和空间相邻辅助信息对被动微波遥感低空间分辨率的土壤水分产品进行降尺度，提高了土壤水分降尺度结果的科学性、处理精度和时空连续性，有助于拓展被动微波遥感土壤水分产品在农业、水利等行业的应用领域。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。