專利名稱：全球陸表的lai產(chǎn)品反演方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種全球陸表的LAI產(chǎn)品反演方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用衛(wèi)星遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)生產(chǎn)了多個(gè)全球或區(qū)域范圍的 LAI (葉面積指數(shù))產(chǎn)品，其中最具代表性的LAI產(chǎn)品包括利用SPOT/VEGETATION數(shù)據(jù)生產(chǎn)的 CYCLOPES、GL0BCARB0N 和 CCRS LAI 產(chǎn)品；利用 TERRA-AQUA/MODIS 數(shù)據(jù)生產(chǎn)的 MODIS LAI 產(chǎn)品。其他還包括利用 ADEOS/POLDER、ENVISAT/MERIS、MSG/SEVIRI 和 TERRA/MISR 等傳感器數(shù)據(jù)生產(chǎn)的LAI產(chǎn)品。已有的LAI產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)，均是采用個(gè)人計(jì)算機(jī)少量生產(chǎn)，并且缺少長(zhǎng)時(shí)間序列的全球陸表葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)集。迄今為止，針對(duì)全球陸面變化研究與陸面模型研發(fā)，國(guó)際陸地遙感領(lǐng)域仍然缺乏長(zhǎng)時(shí)間序列、高時(shí)空分辨率和高質(zhì)量的全球陸表特征參量產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)的遙感產(chǎn)品生產(chǎn)均采用個(gè)人計(jì)算機(jī)生產(chǎn)小批量產(chǎn)品，無法滿足長(zhǎng)時(shí)間序列、高時(shí)空分辨率和高質(zhì)量的遙感生產(chǎn)需求。目前幾種典型的LAI全球產(chǎn)品主要存在以下兩方面的問題一是這些產(chǎn)品在時(shí)間跨度上相對(duì)較短，而且主要是從單一衛(wèi)星傳感器和單一時(shí)相遙感數(shù)據(jù)生成，由于反演過程中信息量不足，這些產(chǎn)品存在精度低、時(shí)間和空間上不完整等問題；二是由于傳感器和反演算法不同，不同產(chǎn)品之間存在明顯的差異。LAI產(chǎn)品的這些問題影響了數(shù)據(jù)的應(yīng)用水平，難以滿足地球系統(tǒng)科學(xué)與應(yīng)用研究的需要。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何提供一種全球陸表的LAI產(chǎn)品反演方法及系統(tǒng)，以提高LAI產(chǎn)品的精度。( 二 )技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種全球陸表的LAI產(chǎn)品反演方法，其包括步驟SlOO 對(duì)所述MODIS地表反射率數(shù)據(jù)和AVHRR地表反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除雪和云的反射率數(shù)據(jù)的預(yù)處理，對(duì)MODIS LAI數(shù)據(jù)和CYCLOPES LAI數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理；S200 將平滑處理后的所述CYCLOPES LAI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為CYCLOPES LAI真實(shí)數(shù)據(jù)；S300 融合所述CYCLOPES LAI真實(shí)數(shù)據(jù)和平滑處理后的所述MODIS LAI數(shù)據(jù)，得到融合LAI數(shù)據(jù)；S400 利用所述融合LAI數(shù)據(jù)、預(yù)處理后的所述MODIS地表反射率數(shù)據(jù)和AVHRR地表反射率數(shù)據(jù)，構(gòu)造訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，根據(jù)所述訓(xùn)練數(shù)據(jù)集以及所述MODIS地表分類數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；
S500 根據(jù)預(yù)處理后的所述MODIS地表反射率數(shù)據(jù)和AVHRR地表反射率數(shù)據(jù)、所述 MODIS地表分類數(shù)據(jù)，以及所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反演，得到全球陸表的LAI產(chǎn)品。優(yōu)選地，在所述步驟SlOO之前還包括步驟S000 將所述MODIS (中分辨率成像光譜儀)地表反射率數(shù)據(jù)、所述AVHRR(—種衛(wèi)星探測(cè)儀器)地表反射率數(shù)據(jù)、所述MODIS LAI (葉面積指數(shù))數(shù)據(jù)、所述CYCLOPES(基克洛普斯，一個(gè)項(xiàng)目的名稱)LAI數(shù)據(jù)和所述 MODIS地表分類數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)；優(yōu)選地，在所述步驟S500后還包括步驟S600 基于不變目標(biāo)，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列的所述全球陸表的LAI產(chǎn)品進(jìn)行一致性檢驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到長(zhǎng)時(shí)間序列的全球陸表的LAI
Φ 口
廣 BFI ο優(yōu)選地，所述步驟SlOO中對(duì)MODIS LAI數(shù)據(jù)和CYCLOPES LAI數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理具體包括步驟SlOl 使用自適應(yīng)時(shí)間維和空間維的濾波方法對(duì)所述M0DISLAI數(shù)據(jù)和CYCLOPES LAI數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和剔除噪聲處理；S102 對(duì)經(jīng)過濾波和剔除噪聲處理后的MODIS LAI數(shù)據(jù)和CYCLOPES LAI數(shù)據(jù)中缺失的LAI數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。優(yōu)選地，所述步驟S200之后還包括步驟S201 使用線性插值方法對(duì)所述CYCLOPES LAI真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理。優(yōu)選地，所述步驟S300中通過下面的公式融合所述CYCL0PESLAI真實(shí)數(shù)據(jù)和平滑處理后的所述MODIS LAI數(shù)據(jù)，得到融合LAI數(shù)據(jù)LAIm。d。y。LAImodcyc = wmodLAImod+wcycLArcyc ；其中，LAInrod為平滑處理后的所述MODIS LAI數(shù)據(jù)，wm。d為該數(shù)據(jù)的融合權(quán)重； LAI*cyc為所述CYCLOPES LAI真實(shí)數(shù)據(jù)，Wcyc為該數(shù)據(jù)的融合權(quán)重；wm。d+w。y。= 1。優(yōu)選地，所述wm。d和w。y。的取值根據(jù)地面測(cè)量LAI數(shù)據(jù)確定。優(yōu)選地，所述步驟S400中訓(xùn)練得到所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之前還包括步驟S401 對(duì)所述訓(xùn)練數(shù)據(jù)集進(jìn)行歸一化處理。本發(fā)明還提供一種全球陸表的LAI產(chǎn)品反演系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)輸入模塊，用于接收用戶輸入的MODIS地表反射率數(shù)據(jù)、AVHRR地表反射率數(shù)據(jù)、MODIS LAI數(shù)據(jù)、CYCLOPES LAI數(shù)據(jù)和MODIS地表分類數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊，用于對(duì)所述MODIS地表反射率數(shù)據(jù)和AVHRR地表反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除雪和云的反射率數(shù)據(jù)的預(yù)處理，對(duì)MODIS LAI數(shù)據(jù)和CYCLOPES LAI數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，以及將平滑處理后的所述CYCLOPES LAI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為CYCLOPES LAI真實(shí)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)融合模塊，用于融合所述CYCLOPES LAI真實(shí)數(shù)據(jù)和平滑處理后的所述MODIS LAI數(shù)據(jù)，得到融合LAI數(shù)據(jù)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊，用于利用所述融合LAI數(shù)據(jù)、預(yù)處理后的所述MODIS地表反射率數(shù)據(jù)和AVHRR地表反射率數(shù)據(jù)，構(gòu)造訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，根據(jù)所述訓(xùn)練數(shù)據(jù)集以及所述MODIS地表分類數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；反演模塊，用于根據(jù)預(yù)處理后的所述MODIS地表反射率數(shù)據(jù)和AVHRR地表反射率數(shù)據(jù)、所述MODIS地表分類數(shù)據(jù)，以及所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反演，得到全球陸表的LAI產(chǎn)品。
優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括LAI產(chǎn)品優(yōu)化模塊，用于基于不變目標(biāo)，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列的所述全球陸表的LAI產(chǎn)品進(jìn)行一致性檢驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到長(zhǎng)時(shí)間序列的全球陸表的 LAI產(chǎn)品。(三)有益效果本發(fā)明的全球陸表的LAI產(chǎn)品反演方法及系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理剔除雪和云的干擾，融合多種LAI數(shù)據(jù)，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演技術(shù)，提高了 LAI產(chǎn)品的精度，并且通過一致性檢驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)化處理，獲得了長(zhǎng)時(shí)間序列的全球陸表的LAI產(chǎn)品。


圖1是本發(fā)明的實(shí)施例所述全球陸表的LAI產(chǎn)品反演方法流程圖；圖2是MODIS地表反射率數(shù)據(jù)預(yù)處理前后的比較示意圖；圖3是LAI有效數(shù)據(jù)和LAI真實(shí)數(shù)據(jù)之間的線性回歸關(guān)系圖；圖4是不同地類的CYCLOPES LAI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CYCLOPES LAI真實(shí)數(shù)據(jù)前后的對(duì)比示意圖；圖5是不同地類的CYCLOPES LAI數(shù)據(jù)、CYCLOPES LAI真實(shí)數(shù)據(jù)與地面測(cè)量數(shù)據(jù)之間的對(duì)比示意圖；圖6是融合權(quán)重示意圖；圖7是作物類4個(gè)不同像元點(diǎn)上LAI產(chǎn)品的反演結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。圖1是本發(fā)明的實(shí)施例所述全球陸表的LAI產(chǎn)品反演方法流程圖。如圖1所示， 該方法包括步驟S000 將MODIS地表反射率數(shù)據(jù)、AVHRR地表反射率數(shù)據(jù)、MODIS LAI數(shù)據(jù)、 CYCLOPES LAI數(shù)據(jù)和MODIS地表分類數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)。所述MODIS地表反射率數(shù)據(jù)為 2000-2010年MODIS地表反射率數(shù)據(jù)M0D09A1 (產(chǎn)品名稱)，時(shí)間分辨率為8天，空間分辨率為1km。所述AVHRR地表反射率數(shù)據(jù)為1985-2000年AVHRR地表反射率數(shù)據(jù)AVH09C1 (產(chǎn)品名稱)，全球每天一景，全空間分辨率為5km。所述MODIS地表分類數(shù)據(jù)，根據(jù)地表的地物類型將全球地表分為以下6類water body (水體)；crops (農(nóng)作物)；grasses (草地)； Broadleaf Forests (闊葉林)；Needle Forests (針葉林)；bare surface (裸地)。除水體外，本發(fā)明方法可以針對(duì)每種地表類型，分別進(jìn)行反演得到相應(yīng)的LAI產(chǎn)品。S100 對(duì)所述MODIS地表反射率數(shù)據(jù)和AVHRR地表反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除雪和云的反射率數(shù)據(jù)的預(yù)處理，對(duì)MODIS LAI數(shù)據(jù)和CYCLOPES LAI數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。分析全球每天的遙感圖像，全球平均70%以上地區(qū)都被云覆蓋；云覆蓋存在時(shí)間上的長(zhǎng)期性、季節(jié)性、多變性；同時(shí)，云覆蓋帶來了云影的存在；中高緯度地區(qū)存在大量的可溶性雪，云和雪又存在較大相似性。因此，遙感數(shù)據(jù)所反映的地表反射率和反照率往往受到干擾，從而很難精確地反映出地表特征參量產(chǎn)品的變化規(guī)律。為了減小雪和云的反射率造成的LAI反演方法的不穩(wěn)定性，有必要對(duì)地表反射率進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，剔除雪和云的反射率，并利用插值方法對(duì)缺失的反射率進(jìn)行填充，形成時(shí)空一致的地表反射率數(shù)據(jù)。這些預(yù)處理后的反射率數(shù)據(jù)將作為L(zhǎng)AI反演方法的輸入數(shù)據(jù)，用于反演相應(yīng)的LAI。針對(duì)MODIS地表反射率數(shù)據(jù)和AVHRR地表反射率數(shù)據(jù)的特征，我們綜合運(yùn)用了原始數(shù)據(jù)已有的內(nèi)部云、雪、云影標(biāo)識(shí)和多種時(shí)空譜結(jié)合的輔助手段，來達(dá)到對(duì)云、雪和云影的檢測(cè)。這些手段包括地物光譜在時(shí)間和空間上的連續(xù)性和相關(guān)性特征、光譜特征、 NDVI (Normalized Difference Vegetation Index,歸一化植被指數(shù))、NDSI (Normalized Difference Snow hdex，歸一化雪被指數(shù))、地理信息等。下面以MODIS地表反射率數(shù)據(jù)為例說明我們的方法，基于MODIS已有的云、雪、云影標(biāo)識(shí)，以MODIS標(biāo)識(shí)的好數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，以相關(guān)系數(shù)和相似系數(shù)作為主要的異常檢驗(yàn)方法，以分類方法識(shí)別云和雪，采用多種時(shí)空插值濾波方法來填充和濾波時(shí)間和空間缺失的像元和噪聲，具體步驟如下(1)異常檢測(cè)同一類地物的光譜在時(shí)間和空間上存在連續(xù)性和相關(guān)性特性，而云、雪和云影等異常往往破壞這種連續(xù)性和相關(guān)性。本發(fā)明采用相關(guān)系數(shù)和光譜角度來反映地物光譜在時(shí)間和空間上的連續(xù)性和相關(guān)性。設(shè)X和y分別為MODIS地表反射率數(shù)據(jù)相鄰像元的不同波段反射光譜值，1^和μν 分別為χ和y的均值，光譜角度
權(quán)利要求
1.一種全球陸表的LAI產(chǎn)品反演方法，其特征在于，包括步驟S100對(duì)MODIS地表反射率數(shù)據(jù)和AVHRR地表反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除雪和云的反射率數(shù)據(jù)的預(yù)處理，對(duì)MODIS LAI數(shù)據(jù)和CYCLOPES LAI數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理；S200 將平滑處理后的所述CYCLOPES LAI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為CYCLOPES LAI真實(shí)數(shù)據(jù)；S300 融合所述CYCLOPES LAI真實(shí)數(shù)據(jù)和平滑處理后的所述MODIS LAI數(shù)據(jù)，得到融合LAI數(shù)據(jù)；S400 利用所述融合LAI數(shù)據(jù)、預(yù)處理后的所述MODIS地表反射率數(shù)據(jù)和AVHRR地表反射率數(shù)據(jù)，構(gòu)造訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，根據(jù)所述訓(xùn)練數(shù)據(jù)集以及MODIS地表分類數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；S500:根據(jù)預(yù)處理后的所述MODIS地表反射率數(shù)據(jù)和AVHRR地表反射率數(shù)據(jù)、所述 MODIS地表分類數(shù)據(jù)，以及所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反演，得到全球陸表的LAI產(chǎn)品。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步驟SlOO前還包括步驟S000將所述MODIS地表反射率數(shù)據(jù)、所述AVHRR地表反射率數(shù)據(jù)、所述MODIS LAI數(shù)據(jù)、所述CYCLOPES LAI數(shù)據(jù)和所述MODIS地表分類數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步驟S500后還包括步驟S600基于不變目標(biāo)，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列的所述全球陸表的LAI產(chǎn)品進(jìn)行一致性檢驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到長(zhǎng)時(shí)間序列的全球陸表的LAI產(chǎn)品。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S100中對(duì)MODISLAI數(shù)據(jù)和 CYCLOPES LAI數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理具體包括步驟S101使用自適應(yīng)時(shí)間維和空間維濾波方法對(duì)所述MODIS LAI數(shù)據(jù)和CYCLOPES LAI數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和剔除噪聲處理；S102對(duì)經(jīng)過濾波和剔除噪聲處理后的MODIS LAI數(shù)據(jù)和CYCLOPES LAI數(shù)據(jù)中缺失的 LAI數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S200之后還包括步驟S201使用線性插值方法對(duì)所述CYCLOPES LAI真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S300中通過下面的公式融合所述 CYCLOPES LAI真實(shí)數(shù)據(jù)和平滑處理后的所述MODIS LAI數(shù)據(jù)，得到融合LAI數(shù)據(jù)LAInrodcyc LAI111Odcyc — WmodLAImod+WcycLAI cyc ；其中，LAIm。d為平滑處理后的所述MODIS LAI數(shù)據(jù)，wm。d為該數(shù)據(jù)的融合權(quán)重；LAr。y。為所述CYCLOPES LAI真實(shí)數(shù)據(jù)，Wcyc為該數(shù)據(jù)的融合權(quán)重；wm。d+w。y。= 1。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述wm。d和w。y。的取值根據(jù)地面測(cè)量LAI數(shù)據(jù)確定。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S400中訓(xùn)練得到所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之前還包括步驟S401 對(duì)所述訓(xùn)練數(shù)據(jù)集進(jìn)行歸一化處理。
9.一種全球陸表的LAI產(chǎn)品反演系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)輸入模塊，用于接收用戶輸入的MODIS地表反射率數(shù)據(jù)、AVHRR地表反射率數(shù)據(jù)、 MODIS LAI數(shù)據(jù)、CYCLOPES LAI數(shù)據(jù)和MODIS地表分類數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊，用于對(duì)所述MODIS地表反射率數(shù)據(jù)和AVHRR地表反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除雪和云的反射率數(shù)據(jù)的預(yù)處理，對(duì)MODIS LAI數(shù)據(jù)和CYCLOPES LAI數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，以及將平滑處理后的所述CYCLOPES LAI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為CYCLOPES LAI真實(shí)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)融合模塊，用于融合所述CYCLOPES LAI真實(shí)數(shù)據(jù)和平滑處理后的所述MODIS LAI 數(shù)據(jù)，得到融合LAI數(shù)據(jù)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊，用于利用所述融合LAI數(shù)據(jù)、預(yù)處理后的所述MODIS地表反射率數(shù)據(jù)和 AVHRR地表反射率數(shù)據(jù)，構(gòu)造訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，根據(jù)所述訓(xùn)練數(shù)據(jù)集以及所述MODIS地表分類數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；反演模塊，用于根據(jù)預(yù)處理后的所述MODIS地表反射率數(shù)據(jù)和AVHRR地表反射率數(shù)據(jù)、 所述MODIS地表分類數(shù)據(jù)，以及所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反演，得到全球陸表的LAI產(chǎn)品。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括LAI產(chǎn)品優(yōu)化模塊，用于基于不變目標(biāo)，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列的所述全球陸表的LAI產(chǎn)品進(jìn)行一致性檢驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到長(zhǎng)時(shí)間序列的全球陸表的LAI產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全球陸表的葉面積指數(shù)(LAI)產(chǎn)品反演方法及系統(tǒng)，涉及遙感數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域。該方法包括步驟將原始數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)；對(duì)MODIS地表反射率數(shù)據(jù)和AVHRR地表反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)MODIS LAI數(shù)據(jù)和CYCLOPES LAI數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理；將平滑處理后的CYCLOPES LAI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為CYCLOPES LAI真實(shí)數(shù)據(jù)；得到融合LAI數(shù)據(jù)；利用融合LAI數(shù)據(jù)、預(yù)處理后的MODIS地表反射率數(shù)據(jù)和AVHRR地表反射率數(shù)據(jù)，以及MODIS地表分類數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；得到全球陸表的LAI產(chǎn)品。該方法提高了LAI產(chǎn)品的精度，能夠滿足地球系統(tǒng)科學(xué)和應(yīng)用研究的需要。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102354328SQ201110180128
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者梁順林, 肖志強(qiáng), 趙祥, 陳平 申請(qǐng)人:北京師范大學(xué)