基于火信号守恒与邻域方向约束的静止卫星火灾亚像元定位方法与流程

本发明涉及卫星遥感探测与防灾减灾数据处理，尤其涉及一种基于火信号守恒与邻域方向约束的静止卫星火灾亚像元定位方法。

背景技术：

1、静止气象卫星具有较高的时间分辨率，能够实现分钟级区域连续观测，因此被广泛应用于森林草原火灾、农事用火以及其他地表高温异常事件的遥感监测。

2、受卫星观测尺度限制，静止气象卫星热红外波段的空间分辨率通常为公里级。当卫星监测系统识别出火点像元时，通常只能确定对应粗分辨率像元范围内存在异常热辐射信号，而难以直接确定实际火源在该粗像元内部的具体空间位置。对于公里级粗像元，其实际覆盖范围可达到数平方公里，因此，若直接采用粗像元中心坐标作为火点位置，实际火源可能位于像元中心、像元边缘、相邻像元交界区域或粗像元内部其他局部地表区域，进而导致卫星火点位置与实际着火位置之间存在较大的空间偏差。这种定位精度能够满足大范围火情发现需求，但在地面核查、无人机调度以及火源精细定位等应用场景中仍存在不足。

3、现有针对粗分辨率卫星火点的亚像元分析方法主要包括以下两类：

4、一类方法基于热红外多波段观测建立混合辐射模型，将粗像元观测信号分解为火灾组分与背景组分，并据此估计火灾组分比例、火点温度、火点面积或其他火情参数。该类方法能够获得粗像元尺度上的火信号定量信息，但其输出主要描述火信号在粗像元中的总体占比或辐射特征，通常不能进一步确定火信号在粗像元内部的具体空间分布位置。

5、另一类方法利用高分辨率土地覆盖、植被、燃料、地形等辅助空间数据，将粗分辨率火点像元进一步划分为多个高分辨率亚像元，并根据各亚像元对应的地表属性构建火灾发生或火信号承载的空间权重，从而形成粗像元内部的高分辨率候选空间分布。该类方法能够提高火点结果的空间表达分辨率，但若主要依据土地覆盖、可燃性或预设空间权重进行归一化分配，而未充分利用原始卫星热红外观测所反映的粗像元火信号强度，则可能造成亚像元空间分配结果与原始卫星观测之间缺乏定量一致性。特别是对于火信号强度不同的粗像元，其归一化后的亚像元空间分布可能具有相近的数值范围，从而削弱原始粗像元火信号强弱差异在高分辨率结果中的表达。

6、此外，部分亚像元空间分配方法通常以粗像元几何中心或固定空间函数作为内部空间分布的重要参考，未充分考虑目标粗像元与周边火点之间的空间连续关系及邻域热异常特征。当实际火源位于粗像元边缘、相邻粗像元交界处，或者火区连续跨越多个粗像元时，采用固定中心空间分布容易使高概率区域向粗像元中心聚集，产生一定的中心偏置，难以准确反映连续火区的实际空间延伸趋势。

7、因此，如何在保留粗像元原始热红外火信号定量信息的基础上，充分利用高分辨率地表承载条件以及邻域火情空间关系，将粗像元火信号进一步重构到高分辨率亚像元尺度，并降低固定中心分配造成的空间偏差，是静止气象卫星火点精细定位中有待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决静止气象卫星火点监测结果空间分辨率较低、粗像元火信号难以在像元内部实现精细空间定位的问题，本发明提供一种基于火信号守恒与邻域方向约束的静止卫星火灾亚像元定位方法，在不任意改变原始粗像元火信号定量信息的基础上，将公里级火点监测结果进一步细化为粗像元内部的高优先级候选火源位置或候选火源区域，从而缩小地面核查范围，提高了卫星火点结果的空间指向性。

2、为达到上述目的，本发明提供一种基于火信号守恒与邻域方向约束的静止卫星火灾亚像元定位方法，包括：

3、s1、观测数据获取

4、获取待进行亚像元定位的目标粗像元对应的多波段热红外观测数据和局地背景观测数据，其中，局地背景观测数据包括邻域非火像元热辐射特征以及高分辨率土地覆盖信息；

5、s2、粗像元火信号总量估计

6、根据待进行亚像元定位的目标粗像元对应的多波段热红外观测数据和局地背景观测数据构建与目标粗像元实际地表环境相匹配的局地背景辐射特征，通过对火信号参考辐射特征与局地背景辐射特征进行约束分解，获得目标粗像元的背景组分和火信号量；

7、s3、高分辨率亚像元空间承载先验构建

8、根据目标粗像元的高分辨率土地覆盖信息以及约束分解得到的背景组分信息，确定目标粗像元内部各高分辨率亚像元的空间承载先验；

9、s4、邻域火情驱动的火信号空间方向确定

10、根据目标粗像元邻域火点相对于目标粗像元的空间位置以及对应的热异常特征，确定目标粗像元的火信号空间方向，其中，热异常特征包括局地热点亮温值和时序亮温增量；

11、s5、方向响应与空间承载融合形成综合空间权重

12、根据目标粗像元的火信号空间方向构建目标粗像元内部的方向性空间响应，并将目标粗像元内部的方向性空间响应与目标粗像元内部各高分辨率亚像元的空间承载先验进行融合，获得各高分辨率亚像元的综合空间权重；

13、s6、火信号总量约束下的亚像元空间重构

14、以目标粗像元的火信号量作为火信号空间分配的总量约束，根据各高分辨率亚像元的综合空间权重，将目标粗像元火信号分配至多个高分辨率亚像元，获得目标粗像元内部的火信号空间分布，根据目标粗像元内部的火信号空间分布确定候选火源位置或候选火源区域并输出候选火源信息。

15、可选地，所述步骤s2具体包括：

16、构建多个不同热状态对应的候选火信号参考辐射特征；

17、根据目标粗像元邻域内非火像元热辐射特征，并结合高分辨率土地覆盖信息，构建与目标粗像元实际地表环境相匹配的局地背景辐射特征；

18、将目标粗像元对应的多波段热红外观测数据表示为火信号组分与一个或多个背景组分共同形成的混合辐射模型，其关系为：

19、

20、式中，y为目标粗像元对应的多波段热辐射观测向量，e为由火信号参考辐射特征和局地背景辐射特征组成的特征矩阵，a为各组成成分对应的比例向量，ε为模型残差；

21、a中各组成成分满足非负约束：

22、

23、同时满足组分总和约束：

24、

25、式中，k为背景组分数量；

26、根据上述混合辐射模型进行约束分解得到若干候选模型，根据各候选模型对实际观测数据的重构误差确定目标模型，目标模型表示为：

27、

28、将目标模型的火信号组分确定为目标粗像元的火信号量：

29、

30、式中，为目标粗像元的火信号量，为目标模型的火信号组分。

31、可选地，所述步骤s3具体包括：

32、根据目标粗像元的实际地理范围获取与目标粗像元空间范围对应的高分辨率地表数据，并将目标粗像元划分为n个高分辨率亚像元组成的集合，表示第i个高分辨率亚像元；

33、根据第i个亚像元的地表属性确定基础空间承载权重：

34、

35、式中，为第i个亚像元对应的土地覆盖类型，为第i个亚像元对应的基础空间承载权重，为土地覆盖类型与基础空间承载权重的映射关系；

36、对于水体、无效区域或其他预设不可承载火信号的区域，令：

37、

38、将步骤s2中得到的背景组分信息与各亚像元土地覆盖类型进行对应，形成亚像元地类—背景组分一致性权重；

39、根据第i个亚像元对应的基础空间承载权重和亚像元地类—背景组分一致性权重形成第i个亚像元的空间承载先验：

40、

41、式中，为第i个亚像元的空间承载先验，()为将基础空间承载权重与地类—背景组分一致性权重合成为空间承载先验的计算函数。

42、可选地，所述步骤s4具体包括：

43、获取目标粗像元周边预设邻域范围内的火点，并确定邻域火点相对于目标粗像元的空间位置；

44、根据邻域火点相对于目标粗像元的空间位置以及邻域火点的热异常特征，确定邻域火点的综合影响权重；

45、根据多个邻域火点的加权空间位置关系，计算目标粗像元的纵向火信号空间方向以及横向火信号空间方向：

46、

47、

48、式中，为位于目标粗像元的预设邻域范围内并且满足预设有效性条件的火点数量，为第j个邻域火点的综合影响权重，、分别为第j个邻域火点相对于目标粗像元的纵向位置偏移和横向位置偏移，、分别为火信号在行方向加权偏移量和列方向加权偏移量；

49、由此得到目标粗像元的火信号空间方向：

50、

51、当不存在有效邻域火点时，将目标粗像元的空间方向设置为零方向。

52、可选地，所述步骤s5具体包括：

53、根据目标粗像元的火信号空间方向，在目标粗像元内部构建方向性空间响应；

54、将各亚像元的空间承载先验与方向性空间响应进行融合，得到各亚像元对应的综合空间权重：

55、

56、式中，为第i个亚像元的综合空间权重，为第i个亚像元的空间承载先验，为第i个亚像元的方向响应值，为空间承载先验与方向性空间响应合成为综合空间权重的计算函数。

57、可选地，所述步骤s6具体包括：

58、以目标粗像元的火信号量作为亚像元空间分配过程中的总量约束，建立目标粗像元火信号量与全部亚像元火信号之间的总量守恒关系：

59、

60、根据各亚像元的综合空间权重对目标粗像元火信号进行空间分配：

61、

62、式中，λ为针对当前目标粗像元确定的统一缩放参数，为第i个亚像元的综合空间权重，为第i个亚像元火信号分配值，为上限截断函数；

63、各亚像元火信号满足：

64、

65、对于空间承载权重为零或预设不可承载火信号的亚像元，进一步设置：

66、

67、通过确定λ使全部亚像元火信号满足总量守恒关系：

68、

69、最终得到由s1、s2、……、sn所组成的高分辨率火信号空间分布；

70、根据各高分辨率亚像元火信号分配值，对同一目标粗像元内部各亚像元的火信号分配值进行最大值归一化：

71、

72、式中，为第i个亚像元相对火源概率；

73、满足：

74、

75、根据各亚像元相对火源概率对目标粗像元内部的高分辨率亚像元进行排序，将相对火源概率最大的亚像元确定为第一候选火源点，其索引表示为：

76、

77、选择相对火源概率大于候选火源筛选阈值的多个亚像元组成候选火源点集合：

78、

79、式中，fire表示候选火源点集合，表示候选火源筛选阈值；

80、根据候选亚像元之间的空间邻接关系将相邻候选亚像元进行空间聚合，形成一个或多个候选火源区域；

81、输出候选火源信息，包括候选火源位置、候选火源区域范围、相对火源概率、土地覆盖类型。

82、采用上述技术方案后，本发明具有如下有益效果：

83、1、本发明将粗像元火信号总量估计与粗像元内部火信号空间位置估计进行解耦，并在后续空间重构过程中通过火信号总量约束重新耦合，使高分辨率亚像元定位结果能够保持与原始卫星热红外观测火信号之间的定量一致性，避免仅依据土地覆盖或空间权重进行归一化分配所造成的粗像元火信号强度信息弱化或丢失。

84、2、本发明通过局地背景信息与高分辨率地表属性构建与粗像元实际地表环境相匹配的背景约束，并结合土地类型承载条件对火信号空间分配进行限制，有利于降低非火高温地物被错误解释为火信号或被优先分配火信号的可能性，提高火信号定量估计和候选火源区域提取的合理性。

85、3、本发明利用粗像元周边火点的空间位置及热异常特征建立方向性空间响应，使粗像元内部的火信号空间分布能够随邻域火情空间关系动态调整，降低采用固定粗像元中心空间模型所产生的中心偏置，提高对像元边缘、相邻像元交界以及连续火区场景的空间表达能力。

86、4、本发明能够将公里级静止气象卫星火点监测结果进一步细化至高分辨率亚像元尺度，输出一个或多个高优先级候选火源位置或候选火源区域，从而缩小地面核查、无人机巡查及应急处置所需的空间搜索范围，提高火情核查和火源定位效率。

87、5、本发明的空间重构过程以粗像元原始火信号量为总量约束，并将土地覆盖、背景一致性及邻域火情方向等信息作为空间分配依据，使火信号“总量估计”与“空间位置估计”分别承担不同功能，有利于提高方法的可解释性和不同场景下的适应能力。