本發(fā)明涉及即時(shí)遙感服務(wù)領(lǐng)域，具體涉及一種地表異常即時(shí)遙感探測方法、探測系統(tǒng)及預(yù)警系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、近年來，隨著全球氣候變化加劇和人類活動(dòng)日益增多，各類突發(fā)性地表異常事件(如自然災(zāi)害、環(huán)境污染、生態(tài)破壞、安全事故、違規(guī)開發(fā)等)頻發(fā)，并呈現(xiàn)出分布范圍廣、發(fā)生頻率高、演化速度快、經(jīng)濟(jì)損失重等特點(diǎn)，嚴(yán)重影響了自然環(huán)境的正常演化和人類福祉，制約了人類社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的健康可持續(xù)發(fā)展。因此，對(duì)各類地表異常事件的即時(shí)監(jiān)測和預(yù)警已成為保障生態(tài)安全、人類健康、社會(huì)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量穩(wěn)定發(fā)展的重中之重，迫切需要構(gòu)建可面向所有地表異常事件的全流程自動(dòng)化即時(shí)探測方法體系。

2、研究表明，衛(wèi)星遙感是大范圍地表異常即時(shí)探測的最有效方法，但由于地表異常往往具有突發(fā)性、多樣性、隨機(jī)性、隱蔽性和復(fù)雜性，實(shí)際探測過程中大量地表異常往往并沒有被發(fā)現(xiàn)，特別是沒有在發(fā)生的第一時(shí)間被探測和預(yù)警，衛(wèi)星探測的時(shí)效性和精準(zhǔn)性遠(yuǎn)不能滿足搶險(xiǎn)救災(zāi)、事故處置、污染管控、監(jiān)察執(zhí)法等以分鐘級(jí)響應(yīng)為特征的實(shí)時(shí)遙感服務(wù)需求，造成上述現(xiàn)象的主要原因有以下三點(diǎn)：

3、一是目前地表異常衛(wèi)星遙感預(yù)警通常要經(jīng)過從任務(wù)規(guī)劃、衛(wèi)星運(yùn)控、星地?cái)?shù)據(jù)傳輸，到監(jiān)測信息獲取、預(yù)警知識(shí)提取的較長過程才能實(shí)現(xiàn)。例如，自然資源部門遙感應(yīng)急監(jiān)測，首先需要制定多星協(xié)同拍攝計(jì)劃，然后通過地面衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心獲取衛(wèi)星影像，再經(jīng)過應(yīng)用系統(tǒng)處理，提取相關(guān)地表異常遙感信息，從遙感影像獲取到提取目標(biāo)事件的位置、范圍、強(qiáng)度等預(yù)警知識(shí)平均需要1-3天。因此，從衛(wèi)星影像到地表異常實(shí)時(shí)探測、實(shí)時(shí)預(yù)警存在服務(wù)鏈條長、環(huán)節(jié)多、流程繁、智能化水平低、響應(yīng)慢等問題，遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)急處置的實(shí)際需要

4、二是目前幾乎所有的地表異常探測研究僅針對(duì)某種特定的地表異常事件，如地表熱異常(rembold?et?al.,2019)、洪水(devries?et?al.,2020)、野火(zhang?et?al.,2021)、地震(liu?et?al.,2020)、森林?jǐn)_動(dòng)(tang?et?al.,2019)等，缺乏可適用于所有地表異常類型的遙感探測體系，無法同時(shí)對(duì)所有地表異常進(jìn)行有效探測，導(dǎo)致大量地表異常被忽略。而如果僅是組合、疊加現(xiàn)有的不同地表異常事件的探測方法，則會(huì)大大增加整個(gè)地表異常探測方法的復(fù)雜度，嚴(yán)重降低計(jì)算效率。同時(shí)也會(huì)因不同地表異常事件探測方法之間的邏輯沖突和應(yīng)用場景限制，導(dǎo)致部分區(qū)域地表異常誤檢與漏檢，降低地表異常識(shí)別精度，無法滿足即時(shí)遙感服務(wù)需求。

5、三是目前大部分地表異常遙感探測方法普遍面臨著自動(dòng)化水平低，模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部分場景下精度低等問題，難以滿足即時(shí)遙感服務(wù)的高時(shí)效性要求。目前，地表異常遙感探測方法大致可分為人工目視解譯法、閾值分割法、疊加和多模型集成法、機(jī)器學(xué)習(xí)法等。人工目視解譯法相對(duì)簡單，但往往需要大量的人工干預(yù)，自動(dòng)化程度不高，計(jì)算周期長。閾值分割法主要通過分割適用于地表異常評(píng)價(jià)的遙感指數(shù)來實(shí)現(xiàn)地表異常區(qū)域識(shí)別。但由于地表異常類型復(fù)雜多樣，部分地表異常事件與部分正常地物景觀較為相似，極易導(dǎo)致部分情景下的地表異常探測結(jié)果精度較低。疊加和多模型集成法雖然所得結(jié)果精度較高，但其模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，往往需要大量的地面實(shí)測或其他輔助數(shù)據(jù)支撐。與前面所有方法相比，機(jī)器學(xué)習(xí)法智能化程度較高。但它不但面臨著與閾值分割法相同的問題，還面臨著海量樣本選擇與模型泛化等問題，這都將在一定程度上增加地表異常即時(shí)、準(zhǔn)確探測的難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、(一)發(fā)明目的

2、本發(fā)明的目的是提供一種解決傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感探測時(shí)效嚴(yán)重滯后于地表異常監(jiān)測和應(yīng)急處置的實(shí)際需求的問題，以及無法適用于所有不同類型地表異常的問題的地表異常即時(shí)遙感探測方法、探測系統(tǒng)及預(yù)警系統(tǒng)。

3、(二)技術(shù)方案

4、為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種地表異常即時(shí)遙感探測方法，包括：

5、獲取第一長時(shí)序地表遙感特征信息，構(gòu)成第一長時(shí)序地表遙感特征數(shù)據(jù)集合；

6、根據(jù)第一長時(shí)序地表遙感特征數(shù)據(jù)集合，構(gòu)建地表遙感特征先驗(yàn)知識(shí)庫；

7、獲取星上實(shí)時(shí)遙感數(shù)據(jù)，計(jì)算地表遙感特征信息，根據(jù)當(dāng)前地表遙感特征信息，識(shí)別地表異常潛在區(qū)域；

8、根據(jù)所述地表異常潛在區(qū)域和地表遙感特征先驗(yàn)知識(shí)庫，識(shí)別地表異常區(qū)域；

9、根據(jù)識(shí)別的地表異常區(qū)域，計(jì)算地表異常區(qū)域的地表異常強(qiáng)度。

10、優(yōu)選地，所述構(gòu)建地表遙感特征先驗(yàn)知識(shí)庫包括：分別計(jì)算獲取各類地表異常遙感特征指標(biāo)閾值，判斷第一長時(shí)序地表遙感特征數(shù)據(jù)集合中是否存在異常點(diǎn)或離散值：

11、max＝q3+1.5*(q3-q1)

12、min＝q1-1.5*(q3-q1)

13、其中，max表示地表異常遙感特征指標(biāo)閾值的最大值，min表示地表異常遙感特征指標(biāo)閾值的最小值，將第一長時(shí)序地表遙感特征數(shù)據(jù)集合中所有數(shù)值由小到大排列，并分為第一范圍，第二范圍、第三范圍和第四范圍，q1表示第一范圍中最大的數(shù)值；q3表示第三范圍中最大的數(shù)值；

14、根據(jù)所述各類地表異常遙感特征指標(biāo)閾值和第一長時(shí)序地表遙感特征數(shù)據(jù)集合，剔除異常值，獲取第二長時(shí)序地表遙感特征數(shù)據(jù)集合；

15、所述第二長時(shí)序地表遙感特征數(shù)據(jù)集合中數(shù)值均大于等于地表異常遙感特征指標(biāo)閾值的最小值，且小于等于地表異常遙感特征指標(biāo)閾值的最大值；

16、所述各類地表異常遙感特征指標(biāo)包括植被特征指標(biāo)、水體特征指標(biāo)、冰雪特征指標(biāo)和裸露區(qū)域特征指標(biāo)。

17、優(yōu)選地，所述構(gòu)建地表遙感特征先驗(yàn)知識(shí)庫還包括：基于所述第二長時(shí)序地表遙感特征數(shù)據(jù)集合，分別計(jì)算地表異常遙感特征指標(biāo)的均值與標(biāo)準(zhǔn)差：

18、

19、

20、其中，fmean(xi,yi,dk)代表地表遙感特征先驗(yàn)知識(shí)庫中位于(xi,yi)處的像元在第dk個(gè)遙感特征的平均值，v(xi,yi,dk,tn)代表地表遙感特征先驗(yàn)知識(shí)庫中位于(xi,yi)處的像元在第dk個(gè)遙感特征中的第tn個(gè)數(shù)值，n代表地表遙感特征先驗(yàn)知識(shí)庫中位于(xi,yi)處的像元在第dk個(gè)遙感特征中的數(shù)值個(gè)數(shù)，fsd(xi,yi,dk)代表地表遙感特征先驗(yàn)知識(shí)庫中位于(xi,yi)處的像元在第dk個(gè)遙感特征的標(biāo)準(zhǔn)差。

21、優(yōu)選地，所述識(shí)別地表異常潛在區(qū)域包括：

22、判斷當(dāng)前地表遙感特征信息中植被特征指標(biāo)是否符合第一標(biāo)準(zhǔn)，若不符合，則識(shí)別為地表異常潛在區(qū)域。

23、優(yōu)選地，識(shí)別地表異常區(qū)域包括，判斷地表異常潛在區(qū)域是否符合第二標(biāo)準(zhǔn)，若符合，則判定為地表異常區(qū)域；

24、其中，所述第二標(biāo)準(zhǔn)包括：

25、|f(xi，yi，dk)-fmenn(xi，yi，dk)|＞15*fsd(xi，yi，dk)

26、(f(xi，yi，dndvi)＞fmean(xi，yi，dndvi))&(fmean(xi，yi，dndwi)＜0)

27、(f(xi,yi,dndwi)＞fmean(xi，yi，dndwi))&(fmean(xi，yi，dndwi)＞＝0)

28、其中，f(xi,yi,dk)表示實(shí)時(shí)獲取遙感影像中位于(xi,yi)處的像元在第dk個(gè)遙感特征的數(shù)值，f(xi,yi,dndvi)表示基于實(shí)時(shí)獲取遙感影像反演得到的植被特征指標(biāo)數(shù)據(jù)中位于(xi,yi)處的像元值，f(xi,yi,dndwi)表示基于實(shí)時(shí)獲取遙感影像反演得到的水體特征指標(biāo)數(shù)據(jù)中位于(xi,yi)處的像元值，fmean(xi,yi,dndvi)表示地表遙感特征先驗(yàn)知識(shí)庫中位于植被特征指標(biāo)的(xi,yi)處的像元的平均值，fmean(xi,yi,dndwi)代表地表遙感特征先驗(yàn)知識(shí)庫中位于水體特征指標(biāo)的(xi,yi)處的像元的平均值。

29、優(yōu)選地，所述計(jì)算地表異常區(qū)域的地表異常強(qiáng)度包括：

30、s1(xi,yi)＝(|f(xi,yi，dmax)-fmeann(xi，yi，dmax)|)/fsd(xi，yi，dmax)

31、其中，s1(xi,yi)代表位于(xi,yi)處的像元的地表異常強(qiáng)度，f(xi,yi,dmax)代表目標(biāo)影像中位于(xi,yi)處的像元在地表異常發(fā)生后變化最大的遙感特征的數(shù)值，fmean(xi,yi,dmax)代表先驗(yàn)知識(shí)庫中位于(xi,yi)處的像元在地表異常發(fā)生后變化最大的遙感特征的平均值，fsd(xi,yi,dmax)代表先驗(yàn)知識(shí)庫中位于(xi,yi)處的像元在地表異常發(fā)生后變化最大的遙感特征的標(biāo)準(zhǔn)差。

32、優(yōu)選地，所述計(jì)算所述地表異常區(qū)域的地表異常強(qiáng)度還包括：

33、

34、其中，s2表示斑塊尺度地表異常強(qiáng)度，aeraplaque代表地表異常區(qū)域獨(dú)立斑塊的面積，單位為平方米。

35、優(yōu)選地，所述計(jì)算地表異常區(qū)域的地表異常強(qiáng)度還包括：

36、s＝a*s1+b*s2

37、其中，s為地表異常強(qiáng)度值，s1表示像元尺度地表異常強(qiáng)度，s2表示斑塊尺度地表異常強(qiáng)度，a、b分別為像元和斑塊尺度地表異常強(qiáng)度的權(quán)重系數(shù)。

38、優(yōu)選地，一種地表異常即時(shí)遙感探測系統(tǒng)，包括：

39、獲取模塊：獲取第一長時(shí)序地表遙感特征信息，構(gòu)成第一長時(shí)序地表遙感特征數(shù)據(jù)集合；

40、構(gòu)建模塊：根據(jù)第一長時(shí)序地表遙感特征數(shù)據(jù)集合，構(gòu)建地表遙感特征先驗(yàn)知識(shí)庫；

41、識(shí)別模塊：獲取星上實(shí)時(shí)遙感數(shù)據(jù)，計(jì)算地表遙感特征信息，根據(jù)當(dāng)前地表遙感特征信息，識(shí)別地表異常潛在區(qū)域；根據(jù)所述地表異常潛在區(qū)域和地表遙感特征先驗(yàn)知識(shí)庫，識(shí)別地表異常區(qū)域；

42、計(jì)算模塊：根據(jù)識(shí)別的地表異常區(qū)域，計(jì)算地表異常區(qū)域的地表異常強(qiáng)度。

43、優(yōu)選地，一種地表異常即時(shí)遙感預(yù)警系統(tǒng)，包括衛(wèi)星端和本地端，所述衛(wèi)星端設(shè)置于在軌衛(wèi)星，所述本地端設(shè)置于地表；

44、所述衛(wèi)星端采用如上任一項(xiàng)所述的探測方法計(jì)算得到地表異常探測結(jié)果和地表異常強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并將所述地表異常探測結(jié)果和地表異常強(qiáng)度傳輸至本地端；

45、所述本地端接收所述地表異常探測結(jié)果和地表異常強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述地表異常探測結(jié)果和地表異常強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行地表異常預(yù)警。

46、(三)有益效果

47、本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有如下有益的技術(shù)效果：

48、本發(fā)明通過利用長時(shí)序地表遙感特征信息，構(gòu)建地表遙感特征先驗(yàn)知識(shí)庫，實(shí)現(xiàn)正常地表狀態(tài)的有效捕捉；根據(jù)實(shí)時(shí)獲取遙感數(shù)據(jù)計(jì)算的地表遙感特征信息和地表遙感特征先驗(yàn)知識(shí)庫進(jìn)行兩次地表異常區(qū)域識(shí)別，識(shí)別的精度高；計(jì)算地表異常區(qū)域的強(qiáng)度，便于根據(jù)強(qiáng)度采取相應(yīng)的應(yīng)急處理，適應(yīng)性強(qiáng)，利于推廣；本發(fā)明能夠作為地表異常星上在軌即時(shí)遙感探測技術(shù)體系，能夠?yàn)榈乇懋惓＜磿r(shí)探測、即時(shí)預(yù)警提供重要支撐；整套方法能夠做到星上存儲(chǔ)與在軌計(jì)算，能夠?qū)崿F(xiàn)地表異常即時(shí)在軌探測。