山區(qū)地表溫度基線構(gòu)建的一種方法及應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】山區(qū)地表溫度基線構(gòu)建的一種方法及應(yīng)用，涉及地表溫度基線的測量和應(yīng)用。本發(fā)明利用MODIS熱紅外遙感影像反演空間連續(xù)化分布的瞬時溫度場結(jié)合經(jīng)緯度柵格數(shù)據(jù)，建立氣象站點的年平均氣溫線性估計模型作為瞬時地表溫度場的定標(biāo)模型。該模型訂正了瞬時溫度場，得到了山區(qū)地表溫度基線。在以山地地貌為主的云南省，建立了以90m×90m柵格為單元的溫度基線，反映了該地區(qū)溫度分布特點及規(guī)律，可定量查出90m×90m地塊平均化的溫度基線值。以該溫度基線為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)合專家打分法分別構(gòu)建了云南省松材線蟲病發(fā)生風(fēng)險預(yù)警模型和云南省森林火險長期預(yù)報模型。
【專利說明】山區(qū)地表溫度基線構(gòu)建的一種方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于地理溫度特征值測量，特別是地表溫度基線的測量和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]地表溫度是眾多生態(tài)環(huán)境過程的關(guān)鍵因子，其變化規(guī)律是氣象學(xué)、水文學(xué)、生態(tài)學(xué)、林學(xué)等領(lǐng)域理論建立和實踐應(yīng)用的基礎(chǔ)內(nèi)容。傳統(tǒng)方法是以氣象站觀測數(shù)據(jù)為樣點數(shù)據(jù)，用內(nèi)插法、氣溫直減率訂正法、多元回歸方法等開展溫度柵格化研究的地理信息系統(tǒng)手段，本質(zhì)上是應(yīng)用統(tǒng)計方法做出的模型，缺少物理上溫度模擬的現(xiàn)實含義。即使有基于海拔、緯度等環(huán)境梯度因子的訂正模型，也是基于純數(shù)學(xué)上的線性回歸系數(shù)，最多只能是地形綜合作用下的訂正系數(shù)，亦不能解釋各個環(huán)境梯度因子對溫度的機(jī)理作用。隨著3S技術(shù)的普及應(yīng)用，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)的內(nèi)插模擬和基于遙感影像熱紅外波段反演地表溫度方法成為山地氣候研究的最新手段，它能夠在同一時刻獲取大區(qū)域、連續(xù)地表上的溫度分布數(shù)據(jù)，更準(zhǔn)確反映溫度的現(xiàn)實分布特征。與傳統(tǒng)方法比較，它不依賴于氣象站觀測數(shù)據(jù)，不會受到數(shù)據(jù)代表性的影響，且無需付出大量的人力和時間。目前，多數(shù)研究者的重點在于數(shù)學(xué)反演算法以及地表溫度的粗尺度空間分布規(guī)律的摸索。
[0003]與全球和區(qū)域尺度上的地表溫度研究相比，山地溫度的空間分布理論及變化規(guī)律的精細(xì)化研究相對薄弱，滯礙了空間連續(xù)化的山地溫度基線以及地表溫度的微格局空間分布特征的建立，影響了山地農(nóng)業(yè)、林業(yè)、自然災(zāi)害、生態(tài)等方面的研究和預(yù)報。以山地地貌類型為主的云南，呈階梯狀的地勢地貌層次結(jié)構(gòu)，不僅全省，而且每一地區(qū)均有較高山地、低壩、深切河谷存在，形成了復(fù)雜、多層的自然條件。在地勢和山脈河流走向等的綜合效應(yīng)下，熱量的地域差異和垂直變化規(guī)律十分明顯，然而復(fù)雜多變的山地地貌和立體氣候顯著的特點，使全省一百多個常規(guī)的氣象站點代表性較差，傳統(tǒng)的溫度基線往往在云南全境范圍上僅有少數(shù)幾條等值線，對探索山區(qū)溫度規(guī)律造成了巨大的困難。目前，尚未見空間上連續(xù)化，可廣泛被各行業(yè)應(yīng)用的云南地表溫度基線數(shù)據(jù)。
[0004]以下術(shù)語中，DEM是Digital Elevation Model (數(shù)字高程模型)的簡稱，它是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在基于遙感影像熱紅外波段反演的地表瞬時溫度場獲取山地地貌類型為主地區(qū)的地表溫度基線數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步以該方法獲取諸如云南省山地地貌類型為主地區(qū)的地表溫度基線數(shù)據(jù)，充實該地區(qū)山地氣候資源研究方面的基礎(chǔ)性工作，為精細(xì)化山區(qū)氣候資源開發(fā)和保護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐和方法借鑒。
[0006]上述目的涉及以下步驟:
(1)MODIS熱紅外影像預(yù)處理，包括條紋噪聲消除、數(shù)據(jù)重疊現(xiàn)象去除、反射率定標(biāo)、太陽天頂角訂正、幾何糾正；
(2)環(huán)境梯度因子處理，包括構(gòu)建或者獲取DEM數(shù)據(jù)，并進(jìn)行平滑去噪、特異凸凹點填充，基于DEM提取緯度、經(jīng)度數(shù)據(jù)；
(3)選用覃志豪等人的劈窗算法得到基于MODIS熱紅外波段反演的瞬時地表溫度場T； 其特征是：
①該算法中，因為大氣透射率的計算使用的是MODIS影像第2波段，其空間分辨率為250m,因此反演得到的瞬時地表溫度場T的空間分辨率為250m 進(jìn)一步將反演得到的250m像元大小的瞬時地表溫度場用最近鄰域方法重采樣，以使其與環(huán)境梯度因子的像元大小相對應(yīng)；
(4)構(gòu)建溫度基線B-T的數(shù)學(xué)模型
將測量地域內(nèi)常規(guī)氣象站點矢量、地表瞬時溫度場及DEM、經(jīng)度、緯度環(huán)境梯度因子投影為一致的坐標(biāo)系統(tǒng)，提取出常規(guī)氣象站點處的地表瞬時溫度反演值、經(jīng)緯度值，與年平均
氣溫觀測數(shù)據(jù)建立樣本集，令地表瞬時反演溫度為$1,經(jīng)度為&，諱度％年均溫為使用
統(tǒng)計分析軟件中的線性回歸工具求出年均溫的回歸估計方程}?=泛+爲(wèi)I1 +爲(wèi)I2,進(jìn)行方程和系數(shù)的F檢驗和T檢驗確定上述方程的顯著性后，建立獲取溫度基線B-T的數(shù)學(xué)模型；
(5)獲取像元尺度的溫度基線B-T
將瞬時地表溫度場T、測量地域上的經(jīng)度、緯度數(shù)據(jù)代入步驟（4)所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，基于GIS圖像處理軟件的柵格計算功能，計算得到以柵格大小為單元的地表溫度基線B-T。
[0007]所述的方法步驟（2)選用高斯-克呂格投影方法時需確定好測量地域的中央經(jīng)線再進(jìn)行地圖投影，以保證山地地貌變形最小。
`[0008]所述的方法步驟（4)以區(qū)域內(nèi)常規(guī)氣象站點歷史30年年平均氣溫觀測值作為線性回歸的因變量樣本。
[0009]本發(fā)明還涉及一種地表溫度基線方法的應(yīng)用，該應(yīng)用是在所述步驟（2)中選用中央經(jīng)線的經(jīng)度為102°的高斯-克呂格投影方法進(jìn)行地圖投影，并在步驟（4)中以云南省135個常規(guī)氣象站點歷史30年年平均氣溫觀測值作為樣本集，經(jīng)去除異常點后，用線性回歸方法建立溫度基線B-T的數(shù)學(xué)模型為：

y : 47,879+0.- 0.243^ -
該模型通過置信度為95%的統(tǒng)計檢驗，其中回歸方程F值為108. 587,爲(wèi)、爲(wèi)、爲(wèi)的t 值分別為 5. 986、12. 878、-6. 846、-3. 235。
[0010]本發(fā)明積極效果在于：
本發(fā)明利用遙感熱紅外衛(wèi)星影像反演技術(shù)獲得的地面連續(xù)的瞬時溫度場分布數(shù)據(jù)，結(jié)合常規(guī)氣象站點積累的年平均氣溫觀測數(shù)據(jù)，通過線性回歸方法求出年均溫估計回歸方程及假設(shè)檢驗建立瞬時地表溫度場的定標(biāo)模型，即遙感反演瞬時溫度與年平均觀測溫度間的關(guān)系模型，訂正了空間連續(xù)變化的瞬時溫度場，從而得到了特別是以山地地貌為主區(qū)域上的地表溫度基線數(shù)據(jù)。溫度基線以90mX90m柵格大小為單元，本發(fā)明能夠表達(dá)出因微地理環(huán)境不同而產(chǎn)生的溫度空間連續(xù)化分布。
[0011]通過本發(fā)明方法取得的云南省地表溫度基線很好表達(dá)了云南溫度連續(xù)分布特點以及空間變化規(guī)律。如附圖4所示，云南地勢北高南低，在海拔變化作用下，連續(xù)化的地表溫度基線隨著地勢從西北向東南呈三級階梯狀：滇西北低溫區(qū)，滇中、滇東南中溫區(qū)，滇南高溫區(qū)。這種溫度垂直變化的特點，與云南省地形起伏格局相吻合，凸顯了本地域“立體氣候”的特點。由于溝谷的保溫效應(yīng)使該地典型大河谷較周圍地區(qū)具有較高的溫度，如怒江、瀾滄江、金沙江溝谷，元江和紅河河谷等微格局空間的地表溫度的增溫現(xiàn)象，在該瞬時地表溫度場中很好地表達(dá)了出來，尤以元江干熱河谷最為突出。山體效應(yīng)導(dǎo)致大山體集中分布的高山和中山山地區(qū)普遍高于低山地區(qū)；四周被高大山體包圍的壩子、峽谷普遍高于地勢較平坦廣闊的壩子、峽谷地帶。
[0012]作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一，將本發(fā)明云南省地表溫度基線結(jié)合專家打分法，建立了兩個預(yù)報模型:云南省松材線蟲病發(fā)生風(fēng)險預(yù)警模型和云南省森林火險長期預(yù)報模型。經(jīng)應(yīng)用證明，本發(fā)明所獲取的地表溫度基線能反映山區(qū)地表溫度空間格局變化規(guī)律，所得到的地表溫度基線更準(zhǔn)確精細(xì)，對云南的農(nóng)業(yè)、林業(yè)生產(chǎn)、生物多樣性保護(hù)和生態(tài)文明建設(shè)具有重要的基礎(chǔ)意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是投影流程圖。
[0014]圖2是地表溫度反演流程。
[0015]圖3是地表瞬時溫度與實測年均溫散點圖。
[0016]圖4是根據(jù)本發(fā)明方法得到的云南省多年溫度基線圖。
[0017]圖5是以柵格大小為單元的云南省松材線蟲病發(fā)生風(fēng)險預(yù)警圖。
[0018]圖6是云南省森林火險長期預(yù)報圖。
[0019]以下結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
【具體實施方式】
[0020](一)地表溫度基線的獲取 (I)遙感圖像預(yù)處理
遙感瞬時溫度場使用上午星TERRA在2005年11月12日12:11獲取的云南省MODIS影像進(jìn)行反演獲取。MODIS影像預(yù)處理包括條紋噪聲消除、數(shù)據(jù)重疊現(xiàn)象去除、輻射產(chǎn)品計算、太陽天頂角訂正、幾何糾正。分述如下:
條紋噪聲消除:使用鄰域差值法，即利用噪聲像元周邊6個非噪聲像元的灰度值平均數(shù)值替代噪聲像元的灰度值的方法。假定一個噪聲像元，利用相鄰6個非噪聲像元平均值
與其相減，再除以平均值，所得值如果大于設(shè)定的閾值T，則為噪聲。為噪聲的判斷公
式:
【權(quán)利要求】
1.山區(qū)地表溫度基線構(gòu)建的一種方法，包括以下步驟： (1)MODIS熱紅外影像預(yù)處理，包括條紋噪聲消除、數(shù)據(jù)重疊現(xiàn)象去除、反射率定標(biāo)、太陽天頂角訂正、幾何糾正； (2)環(huán)境梯度因子處理，包括構(gòu)建或者獲取DEM數(shù)據(jù)，并進(jìn)行平滑去噪、特異凸凹點填充，基于DEM提取緯度、經(jīng)度數(shù)據(jù)； (3)選用覃志豪等人的劈窗算法得到基于MODIS熱紅外波段反演的瞬時地表溫度場T，該算法計算大氣透射率所用的MODIS影像分辨率為250m第2波段，反演得到250m分辨率的瞬時地表溫度數(shù)據(jù)； 其特征是： 進(jìn)一步將（3)反演得到的250 m像元大小的瞬時地表溫度場用最近鄰域方法重采樣，使其與環(huán)境梯度因子的像元大小相對應(yīng)； (4)構(gòu)建溫度基線B-T的數(shù)學(xué)模型 將測量地域內(nèi)常規(guī)氣象站點矢量、地表瞬時溫度場及DEM、緯度、經(jīng)度環(huán)境梯度因子投影到一致的坐標(biāo)系統(tǒng)中，提取出常規(guī)氣象站點處的地表瞬時溫度反演值、經(jīng)緯度值，與年平均氣溫觀測數(shù)據(jù)建立樣本集，令地表瞬時反演溫度為&，經(jīng)度為&，緯度x3，年均溫為J，使用統(tǒng)計分析軟件中的線性回歸工具求出年均溫的回歸估計方程：y = α+β1x1+β2x2+β3x3 進(jìn)行方程和系數(shù)的F檢驗和T檢驗確定上述方程的顯著性后，建立獲取溫度基線B-T的數(shù)學(xué)模型； (5)獲取像元尺度的溫度基線B-T 將瞬時地表溫度場T、測量地域上的經(jīng)度、緯度數(shù)據(jù)代入步驟（4)所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，基于GIS圖像處理軟件的柵格計算功能，計算得到以柵格大小為單元的地表溫度基線B-T。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述步驟（2)選用高斯-克呂格投影方法做地圖投影，以保證山地地貌地圖變形最小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是步驟（4)以區(qū)域內(nèi)常規(guī)氣象站點歷史.15^30年平均氣溫觀測值作為年均溫的建模樣本。
4.一種如權(quán)利要求3所述的山區(qū)地表溫度基線構(gòu)建方法的應(yīng)用，其特征是所述步驟(2)高斯-克呂格地圖投影的中央經(jīng)線經(jīng)度為102°，并在步驟（4)中以云南省135個常規(guī)氣象站點歷史30年年平均氣溫觀測值作為樣本集，經(jīng)去除異常點后，用線性回歸方法建立溫度基線B-T的數(shù)學(xué)模型為：j = 47.879 + 0.829^ - 0.243? - 0.697? 該模型通過置信度為95%的統(tǒng)計檢驗，其中回歸方程F值為108. 587，與回歸估計方程對應(yīng)的》、A、爲(wèi)、爲(wèi)的 t 值分別為 5. 986、12. 878、-6. 846、-3. 235。
【文檔編號】G06F19/00GK103530499SQ201310383993
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月29日
【發(fā)明者】王艷霞, 周汝良, 黃曉圓, 鄧忠堅, 葉江霞, 趙璠 申請人:西南林業(yè)大學(xué)