一种城市复杂三维场景高异质性地表温度的反演方法技术

本发明专利技术公开了一种城市复杂三维场景高异质性地表温度的反演方法，属于室外热环境检测技术领域，建立了一个能够表征三维场景遮挡的城市辐射传输模型，通过无人机搭载的多光谱和热红外传感器，获取城市微尺度地表的图像；采用辐射标定、大气校正、影像配准、摄影测量、波段计算等手段，获取归一化植被指数、地表发射率、天空视角因子、传感器处辐射、数字表面模型等正射影像；建立近地表温湿度和低空大气参数的经验模型，用于估算测试场景的低空大气参数，将以上数据作为辐射传输方程的输入，最后基于地表实测温度对该方法的反演温度进行验证，验证结果表明该方法可以实现城市微尺度高异质性地表温度的高精度反演。异质性地表温度的高精度反演。异质性地表温度的高精度反演。

【技术实现步骤摘要】
一种城市复杂三维场景高异质性地表温度的反演方法


[0001]本专利技术涉及室外热环境检测
，尤其是涉及一种城市复杂三维场景高异质性地表温度的反演方法。

技术介绍

[0002]随着全球变暖和城市化进程加剧，地表温度升高导致的城市热岛效应成为了大家关注的焦点。为缓解城市热岛强度，有效减少热环境恶化对环境和健康的影响，对城市复杂三维场景热环境进行全面监测、评估与改造具有重要的现实意义。城市高异质性地表温度作为加剧城市热岛效应的关键因子，对其准确快速反演是研究城市热环境的首要任务，同时也是评估城市热岛强度的基础。
[0003]目前，地表温度的获取主要是依靠现场实测、数值模拟和反演。现场实测通过固定观测或移动观测可以真实地反映出测试场地的热环境概况，但受到测点分布的限制，其无法全面评价某一复杂场景的热环境。数值模拟虽然可以从物理角度解析城市空间热环境现象，但其建模往往与真实场景具有差异且边界条件存在简化，难以准确表征影响因素复杂多变的建成组团内部的热环境现状。反演主要是依靠卫星热红外遥感，其具有覆盖面积广、数据综合性高等优势，许多学者基于热红外传感器的通道特点也提出了一系列地表温度反演的算法，但这些算法存在普遍的局限性：由于卫星热红外影像的低时空分辨率，目前尚未有算法针对城市微尺度高异质性地表温度进行实时反演。同时，卫星热红外遥感影像很容易受到云层污染，导致数据在时空尺度上存在不连续性，进而无法对某个城市微尺度热环境进行长期观测，也没有办法满足多个城市微尺度热环境的平行比较和评估。
[0004]近年来，无人机技术的发展为热红外遥感观测提供了新的机会，其作为搭载平台获取的影像数据能够弥补卫星遥感低时空分辨率和不连续性等不足，同时其具有高灵活性、操作便捷且低成本等优势。无人机可以搭载多个传感器对城市微尺度热环境进行观测，获取长短波辐射，为地表温度反演提供基础数据。除此之外，基于无人机影像的高精度温度产品可以作为卫星热红外温度产品的验证参考，进一步强化卫星热红外温度产品不确定性的验证工作。由于城市复杂的三维场景和表面的高异质性，目前尚未有研究基于无人机获取的多源正射影像，在考虑城市三维场景遮挡的条件下，提出能够准确反演城市微尺度高异质性地表温度的算法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种城市复杂三维场景高异质性地表温度的反演方法，实现城市微尺度高异质性地表温度的高精度反演，促进了无人机遥感在城市热环境观测和评估方面的应用，其能够科学合理地从微尺度角度为城市设计和规划提供指导。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种城市复杂三维场景高异质性地表温度的反演方法，如图1所示，具体包括如下步骤：
[0007]S1无人机多源图像和地表控制点的同步采集
[0008]S1.1确定需要检测的场景地理位置及面积，确定无人机的飞行参数、双云台的控制参数以及双传感器的拍摄参数和相片格式，检查自动生成的航线；
[0009]S1.2确定地面控制点的位置，设置RTK GPS测量仪的相关定位参数，采集控制点坐标；
[0010]S1.3确定近地表温湿度和地表温度实测点的位置，设置温湿度测量记录仪相关参数，包括近地表空气温湿度以及地表温度，同步采集数据；
[0011]S2热红外影像的预处理
[0012]S2.1基于原始R
‑
JPEG彩色热红外图像解密后的亮温数据的高频区间，确定统一的温度标尺，并以同一调色板统一表示该温度范围，即对所有热红外图像进行批处理，得到不同场景统一温度标尺后的彩色热红外图像；
[0013]S2.2读取统一标尺后热红外图像的RGB值和对应的亮温值，建立RGB与其对应像素亮温值之间的经验模型，作为后续辐射标定的基础；
[0014]S2.3批量读取原始R
‑
JPEG彩色热红外图像解密后的相机畸变参数和坐标，并依次将上述参数写入统一温度标尺后的热红外图像；
[0015]S2.4将图像输入到摄影测量学软件进行初始化空中三角测量和控制点校正，再输出软件拼接好的测区彩色热红外正射图，
[0016]S2.5基于RGB和亮温之间的经验模型，采用ENVI软件反演带有准确地理信息的测区彩色热红外正射图，转换为测区亮温正射图；
[0017]S2.6基于普朗克公式，将测区亮温正射图转换为亮温测区的传感器处辐射正射图，作为城市辐射传输模型的输入；
[0018]S3多光谱影像的预处理
[0019]S3.1将原始TIFF多光谱图像输入到具有特定处理模块的摄影测量学软件，TIFF多光谱图像具有五个波段(400～900nm)，处理过程包括输入影像、设置传感器参数、初始化空中三角测量、控制点校正、波段配准、拼接等，生成带有准确地理信息的测区反射率正射图和数字地表模型的正射影像；利用ENVI软件对测区反射率正射图进行波段运算，得到归一化植被指数正射图；
[0020]S3.2基于发射率反演经验模型，将归一化植被指数正射图转换为发射率正射图，作为城市辐射传输模型的输入；通过算法基于数字地表模型得到测区天空视角因子的正射图，作为城市辐射传输模型的输入；
[0021]S4低空大气参数的估计
[0022]S4.1基于大范围的ERA5空气温湿度廓线，模拟大范围的低空大气参数，包括大气上行辐射大气下行辐射和大气透过率τ
atm
；
[0023]S4.2以ERA5 1000hPa的空气温湿度作为大范围近地表空气温湿度的参考，将其与对应的模拟大气参数拟合，得到大范围低空大气参数的经验模型；
[0024]S4.3代入测区实测的近地表空气温湿度，推算测区低空大气参数，作为城市辐射传输模型的输入；
[0025]S5城市辐射传输模型的建立
[0026]建立考虑邻近效应的城市辐射传输模型，基于普朗克公式逆方程，推算出考虑邻近效应的城市地表温度反演算法；
[0027]S6城市微尺度地表温度的反演和验证
[0028]S6.1基于上述城市辐射传输模型，采用IDL编程语言逐像素地将S2.6获得的传感器处辐射正射图、S3.2获得的发射率正射图、测区天空视角因子的正射图以及S4.3获得的三个大气参数代入到相应的地表温度反演算法，得到测区地表温度的正射图；
[0029]S6.2基于接触式测温仪实测的地表温度，对反演温度进行验证，以绝对差值作为反演算法精度的判断依据。
[0030]优选的，S1.1中的双传感器是指热红外传感器和多光谱传感器，双传感器拍摄参数包括拍摄间隔、横向和航行的重叠率、拍摄时间以及图像格式，确定多光谱图像的数据格式是TIFF，热红外图像的数据格式为R
‑
JPEG；双云台均为X
‑
port云台，多光谱传感器与其中一个X
‑
port云台机械耦合。
[0031]优选的，S1.2中，采集控制点坐标的方式为：在场景的四个角落和中心空旷处各放置一个表面贴有锡纸的靶标板，采用设置好地理参考本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种城市复杂三维场景高异质性地表温度的反演方法，其特征在于，具体包括如下步骤：S1无人机多源图像和地表控制点的同步采集S1.1确定需要检测的场景地理位置及面积，确定无人机的飞行参数、双云台的控制参数以及双传感器的拍摄参数和相片格式，检查自动生成的航线；S1.2确定地面控制点的位置，设置RTK GPS测量仪的相关定位参数，采集控制点坐标；S1.3确定近地表温湿度和地表温度实测点的位置，设置温湿度测量记录仪相关参数，同步采集数据；S2热红外影像的预处理S2.1基于原始R
‑
JPEG彩色热红外图像解密后的亮温数据的高频区间，确定统一的温度标尺，并以同一调色板统一表示该温度范围，即对所有热红外图像进行批处理，得到不同场景统一温度标尺后的彩色热红外图像；S2.2读取统一标尺后热红外图像的RGB值和对应的亮温值，建立两者之间的经验模型；S2.3批量读取原始R
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JPEG彩色热红外图像解密后的相机畸变参数和坐标，并依次将上述参数写入统一温度标尺后的热红外图像；S2.4将图像输入到摄影测量学软件进行初始化空中三角测量和控制点校正，再输出软件拼接好的测区彩色热红外正射图，S2.5基于RGB和亮温之间的经验模型，采用ENVI软件反演带有准确地理信息的测区彩色热红外正射图，转换为测区亮温正射图；S2.6基于普朗克公式，将测区亮温正射图转换为亮温测区的传感器处辐射正射图，作为城市辐射传输模型的输入；S3多光谱影像的预处理S3.1将原始TIFF多光谱图像输入到具有特定处理模块的摄影测量学软件，生成带有准确地理信息的测区反射率正射图和数字地表模型的正射影像，利用ENVI软件对测区反射率正射图进行波段运算，得到归一化植被指数正射图；S3.2基于发射率反演经验模型，将归一化植被指数正射图转换为发射率正射图，作为城市辐射传输模型的输入；通过算法基于数字地表模型得到测区天空视角因子的正射图，作为城市辐射传输模型的输入；S4低空大气参数的估计S4.1基于大范围的ERA5空气温湿度廓线，模拟大范围的低空大气参数，包括大气上行辐射大气下行辐射和大气透过率τ
atm
；S4.2以ERA5 1000hPa的空气温湿度作为大范围近地表空气温湿度的参考，将其与对应的模拟大气参数拟合，得到大范围低空大气参数的经验模型；S4.3代入测区实测的近地表空气温湿度，推算测区低空大气参数，作为城市辐射传输模型的输入；S5城市辐射传输模型的建立建立考虑邻近效应的城市辐射传输模型，基于普朗克公式逆方程，推算出考虑邻近效应的城市地表温度反演算法；
S6城市微尺度地表温度的反演和验证S6.1基于上述城市辐射传输模型，将S2.6获得的传感器处辐射正射图、S3.2获得的发射率正射图、测区天空视角因子的正射图以及S4.3获得的三个大气参数代入到相应的地表温度反演算法，得到测区地表温度的正射图地表温度的正射图；S6.2基于接触式测温仪实测的地表温度，对反演温度进行验证，以绝对差值作为反演算法精度的判断依据。2.根据权利要求1所述的一种城市复杂三维场景高异质性地表温度的反演方法，其特征在于：S1.1中的双传感器是指热红外传感器和多光谱传感器，双传感器拍摄参数包括拍摄间隔、横向和航行的重叠率、拍摄时间以及图像格式，确定多光谱图像的数据格式是TIFF，热红外图像的数据格式为R
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JPEG；双云台均为...

【专利技术属性】
技术研发人员：任鹏，钟雪，赵立华，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：