本發(fā)明涉及測繪科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，本發(fā)明涉及一種利用衛(wèi)星多光譜影像數(shù)據(jù)進行pm2.5和pm10估算的方法。

背景技術(shù)：

近年來，頻發(fā)的大規(guī)模長時間大氣污染事件，嚴(yán)重影響了人們的正常生產(chǎn)生活，區(qū)域性的污染形式逐漸凸顯，尤其在經(jīng)濟較為發(fā)達且人口密集的大型城市，區(qū)域大氣污染已經(jīng)成為研究的熱點。環(huán)境監(jiān)測站監(jiān)測數(shù)據(jù)通常包括so2、no2、pm2.5、pm10等，其中可吸入顆粒物的檢測，目前pm2.5和pm10是關(guān)注的熱點，因為其直徑分別小于2.5um和10um，不僅對人體造成直接危害，還會在大氣中吸附其他污染氣體分子，促使化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，造成其他污染氣體的產(chǎn)生。氣溶膠顆粒數(shù)量的增加是灰霾天氣的主要因素之一，對于氣溶膠光學(xué)厚度的研究有助于分析灰霾信息。氣溶膠是氣體介質(zhì)中加入固態(tài)或液態(tài)粒子而形成的分散體系，是影響地表能量收支平衡的決定因素之一，一般指1nm～100um之間的大氣顆粒物，主要通過散射和吸收的方式影響太陽輻射，還會成為凝結(jié)核影響云霧的形成與分布，所以氣溶膠的研究對大氣污染有著重要的意義。

目前對大氣中pm2.5和pm10檢測主要是依靠地面監(jiān)測站的方式獲取數(shù)據(jù)，成本較高且效率并不是很高，氣溶膠隨時間與空間的變化性較強，太陽光度計與激光測量雖然精度很高，但是由于地面觀測站數(shù)量有限，大范圍的監(jiān)測仍然是一個未解決的問題。自2011年國家發(fā)起的高分衛(wèi)星專項建設(shè)項目，目前已發(fā)射并投入使用的高分一號衛(wèi)星搭載了四臺寬幅高分辨率多光譜相機，具有十分良好的空間和時間分辨率，能夠結(jié)合其他大氣環(huán)境數(shù)據(jù)以及環(huán)境質(zhì)量評估標(biāo)準(zhǔn)等，在霧霾信息監(jiān)測方面發(fā)揮十分重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述技術(shù)中存在的不足之處，本發(fā)明提供一種利用衛(wèi)星多光譜影像數(shù)據(jù)進行pm2.5和pm10估算的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍、穩(wěn)定地、精細化pm2.5和pm10估算，滿足衛(wèi)星遙感技術(shù)在大范圍環(huán)境監(jiān)測尤其是空氣質(zhì)量評價方面的應(yīng)用需求。

為了實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

本發(fā)明提供一種利用衛(wèi)星多光譜影像數(shù)據(jù)進行pm2.5和pm10估算的方法，包括以下步驟：

衛(wèi)星影像的幾何糾正：利用地面控制點和配套的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)進行衛(wèi)星影像的幾何校正，為衛(wèi)星影像進行地理編碼；

衛(wèi)星影像的輻射糾正：利用輻射處理參數(shù)進行衛(wèi)星影像的絕對輻射定標(biāo)和多時相之間的相對輻射校正；并根據(jù)輻射糾正的結(jié)果計算地面的表觀反射率取值；

遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理：選擇衛(wèi)星影像的分辨率，根據(jù)所述分辨率針對所述表觀反射率取值所表達的遙感數(shù)據(jù)進行規(guī)則化的重采樣，得到均勻尺度的遙感影像數(shù)據(jù)；

暗像元篩選及角度信息計算：根據(jù)重采樣獲得的遙感影像數(shù)據(jù)，計算歸一化植被指數(shù)并在歸一化植被指數(shù)中篩選暗像元目標(biāo)，計算采樣暗像元點位上對應(yīng)的觀測角度信息；

估算氣溶膠光學(xué)厚度：根據(jù)遙感數(shù)據(jù)多光譜波段范圍、幾何定向信息以及所述觀測角度信息，構(gòu)建氣溶膠光學(xué)厚度的查找表；將每個暗像元的信息與所述查找表進行匹配得到最鄰近項對應(yīng)的氣溶膠光學(xué)厚度為對應(yīng)的暗像元賦值；

估算pm2.5和pm10：對比眾源數(shù)據(jù)，建立每個暗像元的氣溶膠光學(xué)厚度與近地面空氣觀測指標(biāo)之間的關(guān)系，估算出pm2.5和pm10。

優(yōu)選的是，將每個暗像元的信息與所述查找表進行匹配得到最鄰近項對應(yīng)的氣溶膠光學(xué)厚度為對應(yīng)的暗像元賦值的過程，采用暗像元標(biāo)記的方法，包括以下步驟：

假設(shè)大氣水平均一，衛(wèi)星接收到的高層大氣的表觀反射率為ρtoa，則，

其中，ρ0表示大氣的路徑輻射項大氣反射率，t表示大氣透過率，ρs表示地表反射率，s表示低層大氣的半球反射率，ρ0、t和s表示了大氣狀況；

μs＝cosθs，μv＝cosθv，θs和θv分別表示太陽天定角與衛(wèi)星天頂角；

依據(jù)6s模型，在一定角度條件下計算氣溶膠光學(xué)厚度與ρ0、t及s參數(shù)之間的關(guān)系并建立查找表；

假定地表反射率，獲得氣溶膠光學(xué)厚度信息；

當(dāng)?shù)孛娣瓷渎市〉娇梢院雎云溆绊懙某潭葧r，衛(wèi)星遙感影像給出的觀測值只包括大氣氣溶膠的光學(xué)信息，對于暗像元，紅藍波段與2.1um波段的地表反射率之間具有直接的比例關(guān)系為：

ρred＝k1ρblue＝k2ρir；(2)

結(jié)合上述(1)、(2)兩個公式和多光譜的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，聯(lián)立方程組，求解氣溶膠光學(xué)厚度與紅藍波段的地表反射率等未知值，則得到：

優(yōu)選的是，估算出pm2.5和pm10，包括以下步驟：

通過當(dāng)天的位溫求導(dǎo)計算，得到大氣邊界層高度；

在計算得到的大氣邊界高度中，根據(jù)所述氣溶膠光學(xué)厚度與對應(yīng)眾源地面觀測值進行局部匹配比對，選用相關(guān)系數(shù)模型作為比對數(shù)據(jù)挑選模型；

利用匹配成功的數(shù)據(jù)集及其對應(yīng)的pm2.5和pm10數(shù)值，選用二次多項式擬合關(guān)系模型并計算其參數(shù)；

根據(jù)所述氣溶膠光學(xué)厚度值和所述二次多項式擬合關(guān)系模型，計算得到其余區(qū)域的pm2.5和pm10的估算值。

優(yōu)選的是，所述多光譜波段范圍包括：紅、綠、藍、近紅外。

優(yōu)選的是，所述觀測角度信息包括太陽天頂角、衛(wèi)星觀測天頂角以及相對方位角。

優(yōu)選的是，所述眾源數(shù)據(jù)包括modis和地面控制點的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

本發(fā)明至少包括以下有益效果：

本發(fā)明提供的利用衛(wèi)星多光譜影像數(shù)據(jù)進行pm2.5和pm10估算的方法，該方法整合了衛(wèi)星多光譜影像數(shù)據(jù)輻射校正、表觀反射率計算、暗像元標(biāo)定方法、氣溶膠光學(xué)厚度計算以及有理多項式擬合模型等算法，能夠進行大范圍、穩(wěn)定地、精細化、連續(xù)穩(wěn)定地霧霾關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)測，計算速度較快，主要應(yīng)用于空氣質(zhì)量評價、環(huán)境評價等衛(wèi)星遙感應(yīng)用領(lǐng)域。

本發(fā)明的其它優(yōu)點、目標(biāo)和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn)，部分還將通過對本發(fā)明的研究和實踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的利用衛(wèi)星多光譜影像數(shù)據(jù)進行pm2.5和pm10估算的方法示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實施。

應(yīng)當(dāng)理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術(shù)語并不排除一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種利用衛(wèi)星多光譜影像數(shù)據(jù)進行pm2.5和pm10估算的方法，其包括以下步驟：

s10，衛(wèi)星影像的幾何糾正：利用地面控制點和配套的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)進行衛(wèi)星影像的幾何校正，為衛(wèi)星影像進行地理編碼；

s20，衛(wèi)星影像的輻射糾正：利用輻射處理參數(shù)進行衛(wèi)星影像的絕對輻射定標(biāo)和多時相之間的相對輻射校正；并根據(jù)輻射糾正的結(jié)果計算地面的表觀反射率取值；

s30，遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理：選擇衛(wèi)星影像的分辨率，根據(jù)分辨率針對表觀反射率取值所表達的遙感數(shù)據(jù)進行規(guī)則化的重采樣，得到均勻尺度的遙感影像數(shù)據(jù)；

s40，暗像元篩選及角度信息計算：根據(jù)重采樣獲得的遙感影像數(shù)據(jù)，計算歸一化植被指數(shù)并在歸一化植被指數(shù)中篩選暗像元目標(biāo)，計算采樣暗像元點位上對應(yīng)的觀測角度信息；

s50，估算氣溶膠光學(xué)厚度：根據(jù)遙感數(shù)據(jù)多光譜波段范圍、幾何定向信息以及觀測角度信息，構(gòu)建氣溶膠光學(xué)厚度的查找表；將每個暗像元的信息與查找表匹配得到最鄰近項對應(yīng)的氣溶膠光學(xué)厚度為對應(yīng)的暗像元賦值；

s60，估算pm2.5和pm10：對比眾源數(shù)據(jù)，建立每個暗像元的氣溶膠光學(xué)厚度與近地面空氣觀測指標(biāo)之間的關(guān)系，估算出pm2.5和pm10。

上述實施方式中，本發(fā)明采用高分一號衛(wèi)星寬幅相機成像的多光譜影像數(shù)據(jù)進行pm2.5和pm10估算。

步驟s10中，幾何糾正的地理參考橢球優(yōu)選wgs84橢球，地理坐標(biāo)系優(yōu)選經(jīng)緯度坐標(biāo)系。衛(wèi)星影像的多光譜波段范圍優(yōu)選為包括紅、綠、藍以及近紅外。

步驟s20中，本發(fā)明優(yōu)選采用envi軟件進行高分一號衛(wèi)星寬幅多光譜影像的絕對輻射定標(biāo)和多時相影像數(shù)據(jù)之間的相對輻射校正，并在中國衛(wèi)星資源應(yīng)用中心網(wǎng)站上下載對應(yīng)的偏置和增益參數(shù)，結(jié)合影像輔助xml文件中的太陽高度角以及年積日等信息，通過影像的dn值計算得到表觀輻亮度，從而進一步計算出表觀反射率取值。

步驟s30的重采樣過程中，高分一號寬幅影像數(shù)據(jù)設(shè)計分辨率是16m，在大氣遙感領(lǐng)域，分辨率過高，可能使反演受到地形起伏的影像，帶來較大的噪聲，影響氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果。將影像20*20重采樣為320m；由于后續(xù)計算需要依據(jù)對應(yīng)暗像元的位置計算角度信息，而重采樣后，暗像元的坐標(biāo)會有所變化，需要將重采樣后的暗像元對應(yīng)到原圖上，得到原始的角度信息，此處，重采樣后的暗像元位置取中心位置對應(yīng)原影像像素的位置。

步驟s40中，歸一化植被指數(shù)的計算可以部分消除地形、云陰影和部分大氣條件相關(guān)的輻照條件等的影響，且高分一號寬幅相機缺少2.1um波段數(shù)據(jù)，因此，本發(fā)明優(yōu)選采用ndvi進行暗像元的判別。遙感影像上的云、水和雪等在紅光波段的反射率比在近紅外波段的反射強，該部分的歸一化植被指數(shù)為負值，在后續(xù)的計算中不影響計算結(jié)果，由此可以省略去云霧部分的處理步驟。作為優(yōu)選，計算采樣暗像元點位上對應(yīng)的觀測角度信息包括太陽天頂角、衛(wèi)星觀測天頂角以及相對方位角。本發(fā)明的遙感影像上有植被覆蓋的區(qū)域歸一化植被指數(shù)為正值，作為優(yōu)選，選擇歸一化植被指數(shù)為0.45的閾值來識別暗像元，可以保證影像中有足夠的暗像元進行氣溶膠光學(xué)厚度的反演，同時避免了暗像元數(shù)目過多，使得計算速度下降，數(shù)據(jù)冗余。

步驟s50中，將每個暗像元的信息與查找表進行匹配得到最鄰近項對應(yīng)的氣溶膠光學(xué)厚度為對應(yīng)的暗像元賦值的過程，采用暗像元標(biāo)記的方法，包括以下步驟：

s51，設(shè)大氣水平均一，衛(wèi)星接收到高層大氣的表觀反射率為ρtoa，則，

其中，ρ0表示大氣的路徑輻射項大氣反射率，t表示大氣透過率，ρs表示地表反射率，s表示低層大氣的半球反射率，ρ0、t和s表示了大氣狀況；

μs＝cosθs，μv＝cosθv，θs和θv分別表示太陽天定角與衛(wèi)星天頂角；

s52，依據(jù)6s模型，在一定角度條件下計算氣溶膠光學(xué)厚度與ρ0、t及s參數(shù)之間的關(guān)系并建立查找表；

s53，假定地表反射率，獲得氣溶膠光學(xué)厚度信息；

s54，當(dāng)?shù)孛娣瓷渎市〉娇梢院雎云溆绊懙某潭葧r，衛(wèi)星遙感影像給出的觀測值只包括大氣氣溶膠的光學(xué)信息，對于暗像元，紅藍波段與2.1um波段的地表反射率之間具有直接的比例關(guān)系為：

ρred＝k1ρblue＝k2ρir；(2)

s55，結(jié)合上述(1)、(2)兩個公式和多光譜的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，聯(lián)立方程組，求解氣溶膠光學(xué)厚度與紅藍波段的地表反射率等未知值，則得到：

該實施方式中，采用成熟的6s輻射傳輸模型來構(gòu)建查找表。通過設(shè)定太陽高度角等角度信息的范圍與間隔、氣溶膠模式、影像時間等參數(shù)，可以生成不同條件下大氣特征和地面參數(shù)間的對應(yīng)關(guān)系。查找表的相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：大氣模式選擇為中緯度夏季，氣溶膠模式設(shè)為大陸型，時間依據(jù)影像對應(yīng)時間設(shè)置。查找表各項分別是太陽天頂角、衛(wèi)星天頂角、相對方位角、aod、ρ0、t、s，前三項的范圍由影像對應(yīng)數(shù)據(jù)確定，第四項是氣溶膠光學(xué)厚度，取值通常在0～2之間，可以依據(jù)確定的影像縮小范圍，減小查找表數(shù)據(jù)的冗余并提高精度和效率，后三項數(shù)據(jù)是通過6s模型計算得到。對于篩選出來的暗像元，依據(jù)其太陽高度角、觀測高度角以及相對方位角信息，在查找表上進行匹配，匹配的原則優(yōu)選為最小距離法，由于匹配的約束條件不足，得到的在查找表中匹配的距離最小的項會有很多，這些項有對應(yīng)的氣溶膠光學(xué)厚度值、ρ0、t和s，將其帶入下列方程組中：

根據(jù)上述方程組，分別求得紅藍波段的地表反射率，然后計算紅藍波段地表反射率的比值與2的平方差，以平方差最小為第四個條件，匹配得到每個暗像元點對應(yīng)的唯一氣溶膠光學(xué)厚度值。

步驟s60中，眾源數(shù)據(jù)包括modis產(chǎn)品和地面控制點的監(jiān)測數(shù)據(jù)。估算出pm2.5和pm10，包括以下步驟：

s61，通過當(dāng)天的位溫求導(dǎo)計算，得到大氣邊界層高度；

s62，在計算得到的大氣邊界高度中，根據(jù)氣溶膠光學(xué)厚度與對應(yīng)眾源地面觀測值進行局部匹配比對，選用相關(guān)系數(shù)模型作為比對數(shù)據(jù)挑選模型；

s63，利用匹配成功的數(shù)據(jù)集及其對應(yīng)的pm2.5和pm10數(shù)值，選用二次多項式擬合關(guān)系模型并計算其參數(shù)；

s64，根據(jù)氣溶膠光學(xué)厚度值和二次多項式擬合關(guān)系模型，計算得到其余區(qū)域的pm2.5和pm10的估算值。

本發(fā)明提供一種利用衛(wèi)星多光譜影像數(shù)據(jù)進行pm2.5和pm10估算的方法，通過獲取的關(guān)注區(qū)域的衛(wèi)星多光譜影像(優(yōu)選包含四個波段：紅、綠、藍和近紅外)以及對應(yīng)的幾何和輻射參數(shù)，根據(jù)影像的相關(guān)參數(shù)，建立遙感影像與氣溶膠光學(xué)厚度的查找關(guān)系表，并針對影像數(shù)據(jù)進行相關(guān)輻射校正的處理，計算表觀反射率，再通過植被覆蓋指數(shù)判別影像的暗像元，反演獲得其對應(yīng)的氣溶膠光學(xué)厚度，根據(jù)氣溶膠光學(xué)厚度與地面監(jiān)測數(shù)據(jù)匹配對比的結(jié)果，利用二次多項式擬合氣溶膠光學(xué)厚度與pm2.5和pm10等指標(biāo)之間的估算關(guān)系，進而得到利用衛(wèi)星多光譜影像反演的霧霾關(guān)鍵指標(biāo)值，得到pm2.5和pm10的估算值。該方法整合了衛(wèi)星多光譜影像數(shù)據(jù)輻射校正、表觀反射率計算、暗像元標(biāo)定方法、氣溶膠光學(xué)厚度計算以及有理多項式擬合模型等算法，利用高分一號寬幅相機的多光譜影像的數(shù)據(jù)進行實驗，結(jié)果顯示影像中暗像元部分的反演精度較高；同時由于衛(wèi)星影像范圍大，觀測時間連續(xù)穩(wěn)定，相對于現(xiàn)有的地面調(diào)查取樣手段，顯著提高pm2.5和pm10監(jiān)測的廣度和效率，即能夠進行大范圍、穩(wěn)定地、精細化、連續(xù)穩(wěn)定地霧霾關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)測，計算速度較快，可應(yīng)用于空氣質(zhì)量評價、環(huán)境評價等衛(wèi)星遙感應(yīng)用領(lǐng)域。

盡管本發(fā)明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用。它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域。對于熟悉本領(lǐng)域的人員而言可容易地實現(xiàn)另外的修改。因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細節(jié)和這里示出與描述的圖例。