地表温度(land surface temperature,LST)是研究地表能量平衡、水文变化和气候变
化的重要变量
[1-2]
。随着航天遥感技术的发展,很多传感器可提供空间连续的地表温度产
品,但现有的地表温度产品都是对其遥感影像进行云检测和云覆盖像元标识,未估算云覆
盖像元地表温度。云覆盖像元地表温度信息缺失在一定程度上破坏了地表温度时空分布的
全局性和连续性,严重阻碍和限制了地表温度产品的应用和发展。因此,如何估算地表温
度产品中云覆盖像元地表温度,形成无缝的卫星地表温度产品是热红外遥感的研究难点。
目前,LST 数据重建方法主要有基于空间相关性的空间插值重建和以时间变化规律为
前提的时间序列重建方法两种。基于地表温度的空间相关性的空间插值重建方法有很多
[3-
4]
,例如距离反比法
[5]
,该方法假定相邻相似像元具有相同的地表温度,但是这类方法多适
用于具有较高分辨率的极轨卫星,如中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging
spectroradiometer,MODIS)、Landsat,当空间分辨率降低时,地表温度的空间相关性会
减弱,因此此类方法不适用于空间分辨率比较低的地球静止气象卫星。此外,此类方法针
对小范围的缺失数据有较好的效果,但当缺失像元的区域较大时,重建后的 LST 精度会有
明显的降低。以时间变化规律为前提的时间序列地表温度重建方法主要是利用温度昼夜变
化模型(diurnal temperature cycle,DTC)进行空值修复
[6]
,目前 DTC 模型的研究已有很大
的进展
[7]
,在参数增加的情况下,拟合效果会相应提高,但是增加参数会导致空值修复效
率下降
[8]
。DTC 模型在时间序列上空值数量较少的情况下,LST 重建效果比较好,但在空
值数量较多的情况下,修复效果会明显变差
[9]
。当 DTC 模型在有效值数目少于参数数目
时,无法建立模型,故而无法实现对所有 LST 空值的重建。
因此,本文针对静止气象卫星风云四号 A 星(Fengyun 4A,FY-4A)提出一种顾及时空
特征的重建模型,为获取时空连续的 LST 无缝数据集提供了一种解决思路。该模型利用
LST 时序变化特征和空间相似性特征对 FY-4A 的 LST 产品数据集进行初步填补,同时对
时空填补后的 LST 时间序列采用 Savitzky-Golay(S-G)滤波器进行平滑去噪,以提高 FY-
4A 的 LST 产品空值像元的重建精度和质量。
1. 研究区和数据
1.1 研究区
本文研究区域位于中国西北部的黑河流域
[10]
,黑河流域地形复杂,包括平原、沙漠、
高原和山地,图 1 为该区域的土地利用类型图。
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