一种陆地和海洋温度的修复方法、系统、计算机设备技术方案

本发明专利技术属于气象监测技术领域，公开了一种陆地和海洋温度的修复方法、系统、计算机设备，包括：基于MODIS表面温度数据，通过构建数据修复模型重建大尺度表面温度数据；并从整体、局部和单个像元多个空间尺度分析表面温度在不同时间维度下的时空变化特征，确定表面温度异常变化的区域，结合地表、大气、海洋以及社会经济活动多种数据资料，分析表面温度时空变化特别是年际异常变化的驱动因素。本发明专利技术有效提高了MODIS遥感表面温度的数据质量。重建的月尺度遥感表面温度数据覆盖了更加完整的地表区域，且数据实际应用精度达到1.5K；对于遥感表面温度数据的修复重建、气候变化监测、气象灾害预警以及农业生产工作具有重要的参考意义。害预警以及农业生产工作具有重要的参考意义。害预警以及农业生产工作具有重要的参考意义。

【技术实现步骤摘要】
一种陆地和海洋温度的修复方法、系统、计算机设备


[0001]本专利技术属于气象监测
，尤其涉及一种陆地和海洋温度的修复方法、系统、计算机设备。

技术介绍

[0002]目前：近年来随着全球气候变化的不断加剧，我国极端天气和灾害事件时有发生，随之出现的表面温度(LST)异常变化对气候环境稳定和农业生产等方面构成了巨大威胁。表面温度是衡量地球环境的重要参考指标，对于区域的物质能量循环、生态系统平衡以及人类的生产生活都具有重要影响。在全球气候变化的背景下，准确揭示我国和全球表面温度的时空变化特征并研究导致表面温度时空变化的驱动因素对于进一步理解表面温度的形成机制、应对全球气候变化以及科学有效地开展气象灾害预警、农业生产和生态恢复等工作具有重要的研究价值。
[0003]地球表面温度是衡量地球环境的重要参考指标，它是能量在大气、地表以及地下等不同圈层间不断传输、交换和吸收的结果，是地表能量平衡的产物。表面温度是太阳辐射、大气环流以及人类活动等因素的综合结果，同时地表表面温度也深刻地影响着大气状况、地表条件以及人类的生产生活。已有研究发现，表面温度对空气温度、土壤碳通量、土壤水分等指标都有着较大的影响。作为地球科学研究的重要参量，表面温度已经被广泛应用于地学、生态学、气象学、农学等多个领域。
[0004]地球表面温度的时空变化是地学领域研究的重要内容。区域表面温度会随着时间和空间的不同发生敏感而显著的变化，这种变化是地球内部、地球表层以及大气层甚至包括太阳活动在内的多个系统综合作用的结果，同时又深刻地影响着这些圈层和系统的平衡与稳定，甚至关乎着人类的生存发展和命运前途。很多专家学者把表面温度的时空变化与城市热岛、农作物生产、冰川融化、极端干旱、森林火灾、火山地震等现象联系起来，得出了很多重要的结论，为区域的农业生产、生态保护、防灾减灾和经济社会发展提供了科学有效的决策依据。空间差异是表面温度变化最直接的反映。在这种差异的作用下，地球表面形成了不同的气候类型和自然景观、产生了不同的物种群落和生态系统，在人类社会中这种差异深深地影响着人口分布、农业生产以及城市发展等多个方面。表面温度的空间差异规律往往较为稳定，不同区域在不同的表面温度条件下形成了不同的自然地貌和风土人情，这对于维护生物多样性、农业生产多元化以及人类的生存发展都具有重要意义。另一方面，表面温度在时间尺度上的变化也是客观存在的。由于地球自转和公转的缘故，地球上某一区域在一年不同时间内接受的太阳辐射量是有差异的，这直接导致了表面温度的时间变化，这种时间变化体现在昼夜、月份、季节等多个方面并且有着相对稳定的变化规律，对于调节地球表面热量平衡以及保障人类的日常生产生活具有非常重要的意义。然而，同一区域在不同年份间的表面温度也是有差异的，而且这种年际差异常常是突发的、异常的，对于地球的自然环境变迁以及人类的正常生产生活都产生了重要的不确定影响。近年来随着全球气候变化的加剧，表面温度的年际变化出现了新的热点问题，就是被人们关注已久的全球气
候变暖。研究证明，表面温度与空气温度呈现显著的线性关系，表面温度也逐渐成为反映气候变化的重要指标。气候变暖会引发全球降水量重新分配、冰川冻土消融、海平面上升、极端灾害频繁发生等多个问题，不仅危害自然生态系统的平衡稳定，更威胁着人类未来的生存发展，已经是全球很多国家地区共同面临的重大挑战。因此，研究表面温度的时空变化特征并探索其驱动因素具有非常重要的意义。
[0005]高质量的表面温度数据对于开展相关领域的研究极为关键，精确的表面温度信息是气象数值预报、气候监测、灾害预警以及农业生产等工作的重要参考和依据。传统上人们主要通过布设地面站点，利用温度计测量表面温度。这种测量方法距离地面较近，所测数据精度较高，为相关领域的科学研究发挥了重要作用。然而，传统手段不仅费时费力，而且由于地形条件和恶劣气候环境的限制，很多地区难以涉足，导致数据缺失现象严重。另外，地面站点所测量的表面温度只代表观测点的局部温度，难以反映区域表面温度的空间连续性，限制了部分研究特别是空间分异规律研究的进一步开展。20世纪70年代以来，随着卫星技术以及传感器技术的不断发展，通过遥感传感器接受地面发射电磁波信号进而获取表面温度数据成为了一种新的测量手段。遥感表面温度数据不仅覆盖范围广，而且时效性强、数据的综合性好，特别是遥感数据具有良好的空间连续性，极大地改善了传统表面温度测量的局限，为全球和区域性的表面温度监测和研究提供了重要的数据支撑。然而利用遥感手段获取的表面温度数据也有其自身的局限，主要由于传感器接收到的电磁波信号极易受到云雨等天气的干扰，造成少部分区域像元信息缺失或精度不高，这降低了遥感表面温度数据的整体精度以及开展相关研究的准确性。
[0006]遥感表面温度反演的理论基础主要是基于能量平衡方程。由于电磁波在地表和大气间的传输过程中会受到地表状况以及大气条件的干扰，因此在实际利用反演表面温度时既要考虑地表发射率的影响，也要消除大气条件的干扰。国内外研究表面温度反演主要基于辐射传输方程来考虑大气条件影响。根据辐射传输方程，传感器在晴天条件下所接收到的辐亮度可用式表示：
[0007]；
[0008]式中，θ和δ分别表示观测天顶角和观测方位角；R
i
T
i
表示经过大气衰减的地表辐亮度； R
ati
↑
是大气上行热辐射；R
ali
↑
是大气散射太阳辐射。其中R
i
T
i
包括地表自身辐亮度、大气下行热辐射、大气散射的下行太阳辐射、经地表反射之后的下行大气热辐射和散射的太阳辐射、经地表反射后的太阳直射辐射。
[0009]近几十年来，热红外表面温度反演取得了显著的发展，反演精度得到不断提高。国内外学者针对不同的传感器，对地表发射率和辐射传输方程进行不同情况的假定，发展出了很多用于表面温度反演的新算法。目前应用较为广泛的反演算法大致可分为3类，包括单通道算法、两通道算法、多通道算法。
[0010](1)单通道算法
[0011]最早的单通道算法通过假定不同类型地表的发射率已知，且相关大气参数已知，根据辐射传输模型反演表面温度，但该模型对大气数据依赖较大，且反演精度有待提高。此后多年里很多科学家又提出了其他的单通道算法，利用卫星遥感数据在发射率已知的条件下反演表面温度。Qin et al.(2001)提出了一种针对TM6数据的单通道表面温度反演算法
multispectral thermal infrared imagery.IEEE Trans. Geosci.Remote Sens.39(2),264
‑
274.https://doi.org/10.1109/36.905234；Mushkin,A.,Balick, L.K.,Gillespie,A.R.,2005.Extending surface temperature and emissivity retrieval to the mi本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种陆地和海洋温度的修复方法，其特征在于，所述陆地和海洋温度的修复方法包括：基于MODIS表面温度数据，通过构建数据修复模型重建尺度表面温度数据；并从整体、局部和单个像元多个空间尺度分析表面温度在不同时间维度下的时空变化特征，确定表面温度异常变化的区域，结合地表、大气、海洋以及社会经济活动多种数据资料，分析表面温度时空变化特别是年际异常变化的驱动因素。2.如权利要求1所述陆地和海洋温度的修复方法，其特征在于，所述陆地和海洋温度的修复方法包括以下步骤：步骤一，利用计算机语言程序批量获取相应数据资料，对获取的数据进行数据提取、系数转换、投影转换、裁剪、站点数据整理及其他预处理；步骤二，结合LST遥感数据、地面站点数据、海拔数据和邻近像元，构建数据修复模型进行数据重构，并利用独立的气象站点月表面温度数据对重构数据进行精度验证；步骤三，生成高质量表面温度数据，利用GIS、IDL、SPSS及其他工具，对表面温度的时空变化状况进行分析，确定表面温度的异常变化趋势；步骤四，结合地表、大气、海洋和社会经济活动多种参数，利用多种地理统计分析方法分析影响表面温度时空变化的驱动因素。3.如权利要求2所述陆地和海洋温度的修复方法，其特征在于，步骤一中，所述数据资料包括MODIS表面温度数据、地面站点数据以及其他相关数据；所述其他相关数据包括：海拔、NDVI、土壤水分、大气水汽、ENSO指数、NAO指数、IOBW指数。4.如权利要求2所述陆地和海洋温度的修复方法，其特征在于，步骤二中，所述数据重构包括：利用MODIS原始表面温度数据中的质量控制数据集对月表面温度数据进行质量评价，筛选出精度低于2K和缺失信息像元作为月数据的待修复区域；将所述待修复区域范围控制下的表面温度天数据中精度低于2K和缺失信息的像元设为无效像元；将相应时间尺度下的地面站点数据根据经纬度坐标赋值给部分无效像元，利用基于DEM的邻近值替代法对剩余的无效像元进行插值修复；将修复后的天数据通过平均合成生成新的表面温度月数据。5.如权利要求4所述陆地和海洋温度的修复方法，其特征在于，所述利用基于DEM的邻近值替代法对剩余的无效像元进行插值修复包括：首先将原始表面温度像元值还原到海拔为0米时的像元值，计算公式如下：；其中，ele表示像元的海拔高程；LST表示MODIS表面温度天数据；LST
0m
表示MODIS表面温度天数据还原到Om时的表面温度；其次，通过邻近像元值替代法对无效像元进行插值修复；最后，将插值后的像元值恢复到相应高程的表面温度值，计算公式如下：；
其中，LST
nibble
表示利用邻近像元替代插值后的结果，LST
ele
表示经过临近插值后恢复到相应高程的表面温度。6.如权利要求2所述陆地和海洋温度的修复方法，其特征在于，步骤三中，所述对表面温度的时空变化状况进行分析包括：利用最小二乘法计算表面温度在某一长时间序列的年际变化率，计算公式如下：；其中，b为表面温度随年份的变化率；k为时间序列值；T
k
为第k年的平均表面温度；n是总年数；对计算所得的变化率进行显著检验，提取显著线性增温或降温的区域作为表面温度异常变化区域。7.如权利要求2所述陆地和海洋温度的修复方法，其特征在于，步骤四中，所述利用多种地理统计分析方法分析影响表面温度时空变化的驱动因素包括：(1)分析表...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛克彪，张怀志，郭中华，曹萌萌，严毅博，袁紫晋，王涵，王平，
申请(专利权)人：中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，
类型：发明
国别省市：