一种适用于热红外无人机地表温度日变换模型构建方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于热红外无人机地表温度日变换模型构建方法，涉及无人机热红外技术领域；本发明专利技术首先测量地表点的温度，然后将测得的温度构建温度变化模型，并通过无人机采集热红外影像数据，将采集到的热红外影像数据进行地表温度反演，然后对基于无人机地表温度日变化模型进行温度反演，最后对模型精度进行评价。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于热红外无人机地表温度日变换模型构建方法
本专利技术涉及无人机热红外
，尤其涉及一种适用于热红外无人机地表温度日变换模型构建方法。
技术介绍
地表温度作为众多基础学科和应用领域的一个关键参数，在煤火监测、气候变化、农业、城市热岛、自然灾害等众多领域发挥重要作用。现获取地表温度方式主要有三大类：地面测温手段、无人机测温以及卫星遥感温度获取。地面测量手段主要有测温枪、温度传感器等，该测温方式主要为点测温，无法获得面状温度数据，极大的限制了其应用范围。而卫星遥感则能够在短时间内获取大范围地表温度数据，但其空间分辨率低，目前，静止卫星数据分辨率在千米级别，能够在一天能对同一地区进行数次拍摄，可用于研究地表温度日变化规律，但在这种分辨率级别下，大部分像元为混合像元，温度值无法代表某种地物，而其他卫星分辨率最高能够到达90m，但其重访周期长，无法为相关领域研究提供连续的观测数据。而无人机热红外技术其分辨率高，且能够在短时间能对同一区域进行重复观测，为地表温度相关研究提供了一个新的技术支持。无人机热红外技术已成为获取地表温度的重要手段，在煤火监测、精准农业、城市监测、工程测量、灾害监测、地下水测量、生物监测等诸多领域得到广泛应用。但无人机热红外技术其采集范围有限，大范围温度监测时需要多次采集、拼接得到整个研究区温度监测结果。而地表温度变化较快，在大范围监测中会存在温度“色差”问题，难以对区域温度进行整体评价，使其在应用中受到一定限制。目前，采用地表温度日变化模型模拟一天中地表温度随时间的变化情况，将温度进行时间归一化，能够较好的解决上述问题。地表温度日变化模型是基于热传导方程或能量平衡方程建立，主要分为四大类：纯物理模型、物理模型、半经验模型以及统计模型。不同模型最终呈现的数学表达基本相同，且都包含5-6个自由参数，也就意味着需要5-6个地表温度数据才能进行参数求解，才能够描述地表温度随时间变化的情况，然而对同一区域一天内进行5-6次重复监测将消耗大量的人力、物力、财力。这使得该模型在实际应用中，存在较大的局限性。如何获得温度变化连续且需重复观测次数较少的模型，成为一大难题。因此，现急需一种低成本、低时耗、高效率的无人机热红外日变换模型构建方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
中测温范围不广、测温区域受限的问题提供一种适用于热红外无人机地表温度日变换模型构建方法。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种适用于热红外无人机地表温度日变换模型构建方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1、测量地表点温度；步骤2、利用日变化模型对地面测温点温度数据进行模拟；步骤3、利用无人机采集红外影像数据；步骤4、对采集到的热红外影像数据地表温度进行反演；步骤5、对基于无人机地表温度日变化模型进行温度反演；步骤6、对模型进行精度评价。作为本专利技术一种适用于热红外无人机地表温度日变换模型构建方法的进一步优选方案，所述步骤1，测量地表点温度，采用地表点温度测量仪器，将其固定到某一地面测温点，根据需要设置采样间隔，采用间隔为30min，测温点要保证全天处于阳光照射下，同时，避免人为热源影响导致测温不准确。作为本专利技术一种适用于热红外无人机地表温度日变换模型构建方法的进一步优选方案，所述步骤2，利用日变化模型对地面测温点温度数据进行模拟，采用GOT01模型进行参数求解：式中，To为残余温度；Ta为温度幅度；ω为当天昼长，可通过气象网查询；tm为最大温度时刻；ts为温度衰减时刻；δT温度差值，To和T(t→∞)之间的差值；k为衰减系数。模拟后可得到地面测温点温度日变化模型，由于拟合得到模型参数仅在该点适用，不能将其利用到无人机温度影像数据中。由于同一区域内天气状况相同，则其模拟的到的气象参数相同，即最大温度时刻tm和温度衰减时刻tm可适用于整幅无人机影像数据。作为本专利技术一种适用于热红外无人机地表温度日变换模型构建方法的进一步优选方案，所述步骤3，利用无人机采集红外影像数据，采用的无人机型号是DJIM210V2无人机，并搭载ZenmuseXT2双光热红外镜头，具体步骤如下：组装好热红外无人机相机后，根据研究区情况，选定航向重叠度和旁向重叠度均设置为90％，同时设置采集范围、规划航线，设置采集参数，在地面测试无人机和相机完好后，开始采集作业；同时，可根据实际情况在试验区布置吸热材料，如矩形铝箔、矩形黑色泡沫等，利用GPSRTK技术测量其中心坐标作为地面控制点；根据本专利技术只需在对同一区域进行2-3次拍摄即可得到地表温度日变化模型，采用GOT01模型进行实例展示，其仅需两景白天温度影像即可得到白天温度变化模型，在增加一景夜间温度影像，则可获得全天温度变化模型，并对同一区域进行3次白天拍摄影像，两景用于求得白天温度变化模型，另外一景用于验证该模型精度情况。作为本专利技术一种适用于热红外无人机地表温度日变换模型构建方法的进一步优选方案，所述步骤4，对采集到的热红外影像数据地表温度进行反演，具体步骤如下：首先，需对采集到的热红外数据进行预处理工作，包扣去除模糊影像，剔除非航线内影像，对影像格式进行转换等；对温度影像进行辐射定标。温度影像中DN值于真实的地表温度存在一定的差异，需根据不同相机参数进行相应转换，其数学关系如下：Ts＝mDN+n式中，DN表示热红外影像像素的DN值；m和n分别表示拟合系数。本次实例采用仪器参数为m为0.04，n为-273；将辐射定标后的无人机影像数据，地面控制点数据导入无人机航拍数据处理专用软件如PIX4D、3C和photoscan，基于视立体密集匹配算法和运动恢复结构算法为立体像对搜索同名像点；使用自动空中三角测量和区域网平差算法平差出所有影像的精确的x(北坐标)、y(东坐标)、h(高程)、(航向倾角)、ω(旁向倾角)、k(像片旋角)，该过程能同时完成检校相机的畸变参数的工作；然后使用影像互相关方法为全部影像的所有像元生成三维点云，通过不规则三角网法生成数字地表模型(DSM)，DSM与全部已定向的影像一起使用数字正射纠正技术和逆向纹理映射的方式生成研究区温度正射影像图。作为本专利技术一种适用于热红外无人机地表温度日变换模型构建方法的进一步优选方案，所述步骤5，对基于无人机地表温度日变化模型进行温度反演，具体步骤如下：将生成的研究区温度正射影像图，结合温度反演模型进行求解各个像元的温度幅度Ta值以及温度差值δT；式中，Tn为第n景温度影像；tn为第n景温度影像拍摄时间。要确保且t1，t2小于，ts即前两景影像为白天影像，且t3大于ts，即为夜间温度影像；在此，可发现各个像元的残余温度T0并未进行求解，这是因为残余温度T0为一常量，在基于一景温度影像求取任意时刻温度时，该常量将被消除。最终模型如下：式中，Tt所求时刻温度影像，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于热红外无人机地表温度日变换模型构建方法，其特征在于，包含以下步骤：/n步骤1、测量地表点温度；/n步骤2、利用日变化模型对地面测温点温度数据进行模拟；/n步骤3、利用无人机采集红外影像数据；/n步骤4、对采集到的热红外影像数据地表温度进行反演；/n步骤5、对基于无人机地表温度日变化模型进行温度反演；/n步骤6、对模型进行精度评价。/n

【技术特征摘要】
20201030 CN 20201118810031.一种适用于热红外无人机地表温度日变换模型构建方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1、测量地表点温度；
步骤2、利用日变化模型对地面测温点温度数据进行模拟；
步骤3、利用无人机采集红外影像数据；
步骤4、对采集到的热红外影像数据地表温度进行反演；
步骤5、对基于无人机地表温度日变化模型进行温度反演；
步骤6、对模型进行精度评价。


2.根据权利要求1所述的一种适用于热红外无人机地表温度日变换模型构建方法，其特征在于，所述步骤1，测量地表点温度，采用地表点温度测量仪器，将其固定到某一地面测温点，根据需要设置采样间隔，采用间隔为30min，测温点要保证全天处于阳光照射下，同时，避免人为热源影响导致测温不准确。


3.根据权利要求1所述的一种适用于热红外无人机地表温度日变换模型构建方法，其特征在于，所述步骤2，利用日变化模型对地面测温点温度数据进行模拟，采用GOT01模型进行参数求解：









式中，To为残余温度；Ta为温度幅度；ω为当天昼长，可通过气象网查询；tm为最大温度时刻；ts为温度衰减时刻；δT温度差值，To和T(t→∞)之间的差值；k为衰减系数。
模拟后可得到地面测温点温度日变化模型，由于拟合得到模型参数仅在该点适用，不能将其利用到无人机温度影像数据中。
由于同一区域内天气状况相同，则其模拟的到的气象参数相同，即最大温度时刻tm和温度衰减时刻tm可适用于整幅无人机影像数据。


4.根据权利要求1所述的一种适用于热红外无人机地表温度日变换模型构建方法，其特征在于，所述步骤3，利用无人机采集红外影像数据，采用的无人机型号是DJIM210V2无人机，并搭载ZenmuseXT2双光热红外镜头，具体步骤如下：
组装好热红外无人机相机后，根据研究区情况，选定航向重叠度和旁向重叠度均设置为90％，同时设置采集范围、规划航线，设置采集参数，在地面测试无人机和相机完好后，开始采集作业；
同时，可根据实际情况在试验区布置吸热材料，如矩形铝箔、矩形黑色泡沫等，利用GPSRTK技术测量其中心坐标作为地面控制点；
根据本发明只需在对同一区域进行2-3次拍摄即可得到地表温度日变化模型，采用GOT01模型进行实例展示，其仅需两景白天温度影像即可得到白天温度变化模型，在增加一景夜间温度影像，则可获得全天温度变化模型，并对同一区域进行3次白天拍摄影像，两景用于求得白天温度变化模型，另外一景用于验证该模型精度情况。

【专利技术属性】
技术研发人员：汪云甲，王腾，赵峰，原刚，张雷昕，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32