一种极地反照率遥感数据的重构方法、装置及计算机设备制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种极地反照率遥感数据的重构方法，方法包括以下步骤：获取南北极区域反照率、云光学厚度和太阳天顶角的遥感数据，对空缺像元的反照率数值进行填补，生成拟合数据序列，计算重构的反照率数值，修正的反照率数值。本发明专利技术充分利用遥感冰雪反照率数据中的时空信息填补数据的缺失，并考虑冰雪反照率数据的时序依赖性采用Whittaker滤波法重建晴空反照率时序数据，最后基于冰雪反照率受云层的影响的物理特性，根据经验公式进一步修正云覆盖的对应冰雪覆盖的像元的反照率，该方法重建极地冰雪反照率简单有效，重建结果精度高。重建结果精度高。重建结果精度高。

【技术实现步骤摘要】
一种极地反照率遥感数据的重构方法、装置及计算机设备


[0001]本专利技术涉及遥感
，尤其涉及一种极地反照率遥感数据的重构方法、装置及计算机设备。

技术介绍

[0002]极地地区常年覆盖有全球最大面积的冰雪地表，由于冰雪高反照率的特性，其微小的变化就可能对地气系统的能量收支形成正反馈作用，进一步加强地球变暖。因此，研究极地反照率的时空变化具有重要意义。由于极地环境的特殊性，开展大范围、长时序冰雪反照率的实地观测是极其困难的，光学卫星遥感提供了在大时空尺度上连续观测反照率的途径。
[0003]南北极上空常有层状云覆盖，北纬85
°
处6～8月总云量为80～90％，多为云底高度低于1公里、厚度350～500米的低云。云的遮挡导致光学遥感观测的地表信息出现缺失，严重影响遥感卫星图像的利用率，给后期的处理和应用带来困难。因此需要重建光学遥感卫星影像云覆盖区域的冰雪反照率信息。

技术实现思路

[0004]为了解决以上问题，本专利技术实施例提供一种极地反照率遥感数据的重构方法，具体包括以下步骤：
[0005]步骤S1：获取南北极区域反照率、云光学厚度和太阳天顶角的遥感数据，统一所述遥感数据的空间分辨率，得到反照率数值序列、云光学厚度数值序列及太阳天顶角数值序列；
[0006]步骤S2：根据空缺像元相邻时间和空间的有效像元的反照率数值的均值填补空缺像元的反照率数值；
[0007]步骤S3：将步骤S2中填补的空缺像元分别作为目标像元，选取包括该目标像元的时序上连续的多个像元构成第一像元组，选取与该目标像元时间上相同的有效像元作为对比像元，选取包括该对比像元的时序上连续的多个像元构成第二像元组，所述第一像元组与所述第二像元组的时序相同，计算所述第一像元组与所述第二像元组的反照率数值时序数据的相似性，若所述第一像元组与所述第二像元组的反照率数值时序数据满足相似性条件，则使用所述对比像元的反照率数值替换所述目标像元的反照率数值；
[0008]步骤S4：分别选取所述空缺像元所在空间位置上的所有像元的反照率数值时序数据构成填补数据序列[Yi]，利用Whittaker算法对所述填补数据序列Yi进行滤波，生成拟合数据序列[Zi]；Yi表示时序为i的像元的反照率数值，Zi表示对应Yi的拟合数值；
[0009]步骤S5：对于每个像元，计算权重W，权重W的计算公式为：
[0010][0011]利用Whittaker算法构建拟合指数F，拟合指数F的计算公式为：
[0012][0013]对所述拟合指数F进行迭代计算，当拟合指数F符合条件F
k
‑1≥F
k
≤F
k+1
时退出迭代，计算得到该像元的重构的反照率数值其中k表示迭代次数，k≥2，
[0014]步骤S6：判断空缺像元是否对应被冰雪覆盖的区域，若是则利用所述空缺像元对应的云光学厚度数值和太阳天顶角数值对该空缺像元的所述重构的反照率数值进行修正，得到修正的反照率数值。
[0015]进一步地，所述步骤S2中，空缺像元的填补函数为：
[0016][0017]其中，(m,n)代表空间上第(m,n)个像元的二维序号，所述像元具有固定的行列号，i代表时序为i的像元的序号，num表示相邻时空有效像元的数量，y
M,N,I
表示空缺像元相邻时空的某个有效像元的反照率数值，y
m,n
,i表示被填补的空缺像元的反照率数值。
[0018]进一步地，所述步骤S3中，衡量所述第一像元组与所述第二像元组的反照率数值时序数据的相似性使用皮尔逊相关系数，其计算公式为：
[0019][0020]其中，X表示第一像元组的反照率数值时序数据，Y表示第二像元组的反照率数值时序数据，ρ(X,Y)表示第一像元组与第二像元组的反照率数值时序数据的皮尔逊相关系数，E表示数学期望，D表示方差，con(X,Y)表示协方差。
[0021]优选地，ρ(X,Y)大于0.9时，所述第一像元组与所述第二像元组的反照率数值时序数据满足相似性条件。
[0022]优选地，所述步骤S4中，拟合数据序列[Zi]与填补数据序列[Yi]的拟合关系式如下：
[0023]Z
i
＝(I+λDz
′
Dz)
‑1Yi
[0024]其中，I为单位矩阵，λ为参数，Dz表示z
i
的二阶差分，Dz＝z
i
‑
3z
i
‑1+3z
i
‑2‑
z
i
‑3，Dz
′
表示Dz对z
i
的导数。
[0025]优选地，λ设置为2。
[0026]优选地，所述步骤S6中，对该空缺像元的所述重构的反照率数值进行修正的计算公式如下：
[0027][0028]其中，τ、S分别表示修正的反照率数值、重构的反照率数值、云光学厚度数值、太阳天顶角数值，a、b、c、d为回归系数。
[0029]优选地，a、b、c、d分别设置为
‑
0.0491243、1.06756、0.0217075、0.017950。
[0030]本专利技术实施例还提供一种极地反照率遥感数据的重构装置，包括：
[0031]数据获取模块，用于获取南北极区域反照率、云光学厚度和太阳天顶角的遥感数据，统一所述遥感数据的空间分辨率，得到反照率数值序列、云光学厚度数值序列及太阳天
顶角数值序列；
[0032]数值填补模块，用于根据空缺像元相邻时间和空间的有效像元的反照率数值的均值填补空缺像元的反照率数值；
[0033]数值替换模块，用于将数值填补模块中填补的空缺像元分别作为目标像元，选取包括该目标像元的时序上连续的多个像元构成第一像元组，选取与该目标像元时间上相同的有效像元作为对比像元，选取包括该对比像元的时序上连续的多个像元构成第二像元组，所述第一像元组与所述第二像元组的时序相同，计算所述第一像元组与所述第二像元组的反照率数值时序数据的相似性，若所述第一像元组与所述第二像元组的反照率数值时序数据满足相似性条件，则使用所述对比像元的反照率数值替换所述目标像元的反照率数值；
[0034]数值拟合模块，用于分别选取所述空缺像元所在空间位置上的所有像元的反照率数值时序数据构成填补数据序列[Yi]，利用Whittaker算法对所述填补数据序列Yi进行滤波，生成拟合数据序列[Zi]；Yi表示时序为i的像元的反照率数值，Zi表示对应Yi的拟合数值；
[0035]迭代计算模块，用于对于每个像元，计算权重W，权重W的计算公式为：
[0036][0037]利用Whittaker算法构建拟合指数F，拟合指数F的计算公式为：
[0038][0039]对所述拟合指数F进行迭代计算，当拟合指数F符合条件F
k
‑1≥F
k
≤F
k+1...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种极地反照率遥感数据的重构方法，其特征在于，包括以下的步骤：步骤S1：获取南北极区域反照率、云光学厚度和太阳天顶角的遥感数据，统一所述遥感数据的空间分辨率，得到反照率数值序列、云光学厚度数值序列及太阳天顶角数值序列；步骤S2：根据空缺像元相邻时间和空间的有效像元的反照率数值的均值填补空缺像元的反照率数值；步骤S3：将步骤S2中填补的空缺像元分别作为目标像元，选取包括该目标像元的时序上连续的多个像元构成第一像元组，选取与该目标像元时间上相同的有效像元作为对比像元，选取包括该对比像元的时序上连续的多个像元构成第二像元组，所述第一像元组与所述第二像元组的时序相同，计算所述第一像元组与所述第二像元组的反照率数值时序数据的相似性，若所述第一像元组与所述第二像元组的反照率数值时序数据满足相似性条件，则使用所述对比像元的反照率数值替换所述目标像元的反照率数值；步骤S4：分别选取所述空缺像元所在空间位置上的所有像元的反照率数值时序数据构成填补数据序列[Yi]，利用Whittaker算法对所述填补数据序列Yi进行滤波，生成拟合数据序列[Zi]；Yi表示时序为i的像元的反照率数值，Zi表示对应Yi的拟合数值；步骤S5：对于每个像元，计算权重W，权重W的计算公式为：利用Whittaker算法构建拟合指数F，拟合指数F的计算公式为：对所述拟合指数F进行迭代计算，当拟合指数F符合条件F
k
‑1≥F
k
≤F
k+1
时退出迭代，计算得到该像元的重构的反照率数值其中k表示迭代次数，k≥2，步骤S6：判断空缺像元是否对应被冰雪覆盖的区域，若是则利用所述空缺像元对应的云光学厚度数值和太阳天顶角数值对该空缺像元的所述重构的反照率数值进行修正，得到修正的反照率数值。2.如权利要求1所述的重构方法，其特征在于：所述步骤S2中，空缺像元的填补函数为：其中，(m，n)代表空间上第(m，n)个像元的二维序号，所述像元具有固定的行列号，i代表时序为i的像元的序号，num表示相邻时空有效像元的数量，y
M，N，I
表示空缺像元相邻时空的某个有效像元的反照率数值，y
m，n，i
表示被填补的空缺像元的反照率数值。3.如权利要求1所述的重构方法，其特征在于：所述步骤S3中，衡量所述第一像元组与所述第二像元组的反照率数值时序数据的相似性使用皮尔逊相关系数，其计算公式为：其中，X表示第一像元组的反照率数值时序数据，Y表示第二像元组的反照率数值时序数据，ρ(X，Y)表示第一像元组与第二像元组的反照率数值时序数据的皮尔逊相关系数，E表示数学期望，D表示方差，con(X，Y)表示协方差。
4.如权利要求3所述的重构方法，其特征在于：ρ(X，Y)大于0.9时，所述第一像元组与所述第二像元组的反照率数值时序数据满足相似性条件。5.如权利要求1所述的重构方法，其特征在于：所述步骤S4中，拟合数据序列[Zi]与填补数据序列[Yi]的拟合关系式如下：Z
i
＝(，+λDz
′
Dz)<...

【专利技术属性】
技术研发人员：程青，叶凡，张泽君，张景航，王力哲，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：