一种地表温度图像空间分辨率提升方法及装置与流程

1.本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种地表温度图像空间分辨率提升方法及装置。


背景技术：

2.地表温度(land surface temperature,lst)是反映地表能量平衡过程的一个重要参数，地表温度与气温有着密切联系。随着卫星遥感技术的发展，可以通过热红外遥感器获取的地表辐射图像反演得到地表温度图像，相比于传统气象站点获取的单点温度，地表温度图像更能准确地反应温度的空间分布特征。
3.由于遥感器的技术瓶颈，当前卫星平台获取的地表温度图像以高时间、低空间分辨率图像为主，例如，搭载在terra、aqua卫星上的modis遥感器，可每天获取2幅地表温度图像，时间分辨率很高，但是空间分辨率低，为1km，即图像上每个像素覆盖地表1km
×
1km的范围，在地表异质性较高的区域，一个像素记录的地表温度，通常是像素内多种类型地物地表温度混合的结果，因此，低空间分辨率的地表温度图像难以反映地表温度空间差异的详细信息。
4.从软件方面，开展地表温度图像空间分辨率提升方法研究，是获取高空间分辨率地表温度图像的有效途径。已有方法主要利用地表温度与地表植被覆盖度具有较强相关性这一特征，首先选择具有高空间分辨率的植被指数图像，并将其进行空间重采样，使植被指数图像与地表温度图像空间分辨率相同，然后以地表温度为因变量、植被指数为自变量，建立地表温度与植被指数之间的回归模型，最后将模型应用于高空间分辨率的植被指数图像，得到高空间分辨率的地表温度图像。已有技术主要存在以下两点缺陷：(1)方法适用于植被覆盖度较高的区域，对于城市、荒漠等区域，方法理论基础难以成立；(2)方法依赖于植被指数和地表温度之间的经验关系，没有考虑不同类型地物温度混合的物理基础。


技术实现要素：

5.针对现有的地表温度图像空间分辨率提升方法缺乏理论基础或依赖于植被指数和地表温度之间的经验关系等问题，本发明提供一种地表温度图像空间分辨率提升方法及装置，可以适用于不同的地表覆盖类型区域，且具有一定的物理基础，能够将低空间分辨率地表温度图像提升为高空间分辨率。
6.一方面，本发明提供一种地表温度图像空间分辨率提升方法，包括：
7.步骤1：在同一时刻分别获取研究区域的高空间分辨率的多光谱图像和待提升空间分辨率的地表温度图像；
8.步骤2：根据所述高空间分辨率的多光谱图像进行线性光谱解混，得到高空间分辨率的端元丰度图像；
9.步骤3：根据所述高空间分辨率的端元丰度图像与所述待提升空间分辨率的地表温度图像之间的空间位置关联关系，进行端元丰度聚合，得到与所述待提升空间分辨率的
地表温度图像具有相同空间分辨率的低空间分辨率的端元丰度图像；
10.步骤4：根据所述待提升空间分辨率的地表温度图像和所述低空间分辨率的端元丰度图像，基于地表温度的线性混合模型进行空间解混，得到研究区域的端元温度；
11.步骤5：将所述研究区域的端元温度与所述高空间分辨率的端元丰度图像进行线性混合，得到所述研究区域的高空间分辨率的地表温度图像。
12.进一步地，步骤2具体包括：
13.步骤2.1：从所述高空间分辨率的多光谱图像上确定端元个数m，并选取端元光谱，得到端元光谱矩阵e；其中，e为m
×
λ的矩阵，λ为波段数，且λ＞m；
14.步骤2.2：根据所述端元光谱矩阵e，利用完全约束最小二乘法按照公式(1)计算得到m个端元的丰度：
[0015][0016]
其中，ρ(x,y)为高空间分辨率的多光谱图像上像素(x,y)的光谱曲线，ρ(x,y)为1
×
λ的向量；af(x,y)为待求的高空间分辨率像素(x,y)中m个端元的丰度，af(x,y)为1
×
m的向量，表示为
[0017]
进一步地，步骤3具体包括：
[0018]
步骤3.1：确定所述待提升空间分辨率的地表温度图像的空间分辨率与所述高空间分辨率的多光谱图像的空间分辨率之间的比例关系值s；
[0019]
步骤3.2：针对所述高空间分辨率的端元丰度图像上的每一类端元，从其丰度图像行列起始位置，沿行列方向以步长s选取s
×
s的窗口，利用公式(2)计算其低空间分辨率的丰度图像：
[0020][0021]
其中，表示丰度聚合后得到的低空间分辨率(x,y)像素中第e类端元的丰度；表示低空间分辨率像素(x,y)覆盖的s2个高空间分辨率像素的第e类端元的丰度。
[0022]
进一步地，步骤4具体包括：
[0023]
步骤4.1：针对所述低空间分辨率的端元丰度图像上和所述待提升空间分辨率的地表温度图像上相同位置的像素(x,y)，以其为中心选择w
×
w的窗口，窗口内包括w2个像素，且w2＞m，m为端元个数；
[0024]
步骤4.2：基于地表温度的线性混合模型，根据窗口内像素的温度和丰度值，利用最小二乘方法按照公式(3)计算得到端元温度[t1,
…
,te,
…
,tm]
t
：
[0025][0026]
其中，表示窗口内w2个像素的温度，表示丰度聚合后得到的低空间分辨率(xi,yi)像素中第e类端元的丰度。
[0027]
进一步地，步骤5具体包括：
[0028]
针对低空间分辨率像素(x,y)所覆盖的s2个高空间分辨率像素，将研究区域的端元温度和高空间分辨率的端元丰度图像按照公式(4)进行线性混合，得到高空间分辨率像素的地表温度：
[0029][0030]
其中，te表示研究区域中第e类端元的温度。
[0031]
另一方面，本发明提供一种地表温度图像空间分辨率提升装置，包括：
[0032]
图像获取模块，用于在同一时刻分别获取研究区域的高空间分辨率的多光谱图像和待提升空间分辨率的地表温度图像；
[0033]
光谱解混模块，用于根据所述高空间分辨率的多光谱图像进行线性光谱解混，得到高空间分辨率的端元丰度图像；
[0034]
丰度聚合模块，根据所述高空间分辨率的端元丰度图像与所述待提升空间分辨率的地表温度图像之间的空间位置关联关系，进行端元丰度聚合，得到与所述待提升空间分辨率的地表温度图像具有相同空间分辨率的低空间分辨率的端元丰度图像；
[0035]
空间解混模块，用于根据所述待提升空间分辨率的地表温度图像和所述低空间分辨率的端元丰度图像，基于地表温度的线性混合模型进行空间解混，得到研究区域的端元温度；将所述研究区域的端元温度与所述高空间分辨率的端元丰度图像进行线性混合，得到所述研究区域的高空间分辨率的地表温度图像。
[0036]
本发明的有益效果：
[0037]
本发明提供的一种地表温度图像空间分辨率提升方法及装置，能够将低空间分辨率地表温度图像提升为高空间分辨率，具有一定的物理理论基础，并且获得的高空间分辨率地表温度图像能够较好的保留空间细节信息；同时，本发明方法不依赖于植被指数和地表温度之间的经验关系，因此可以适用于不同的地表覆盖类型区域。
附图说明
[0038]
图1为本发明实施例提供的一种地表温度图像空间分辨率提升方法的流程示意图；
[0039]
图2为本发明实施例提供的光谱解混过程示意图；
[0040]
图3为本发明实施例提供的丰度聚合过程示意图；
[0041]
图4为本发明实施例提供的空间解混过程示意图。
具体实施方式
[0042]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
实施例1
[0044]
如图1所示，本发明实施例提供一种地表温度图像空间分辨率提升方法，包括以下步骤：
[0045]
s101：在同一时刻分别获取研究区域的高空间分辨率的多光谱图像和待提升空间分辨率的地表温度图像；
[0046]
s102：根据所述高空间分辨率的多光谱图像进行线性光谱解混，得到高空间分辨率的端元丰度图像；
[0047]
作为一种可实施方式，如图2所示，本步骤包括以下子步骤：
[0048]
s1021：从所述高空间分辨率的多光谱图像上确定端元个数m，并选取端元光谱，得到端元光谱矩阵e；其中，e为m
×
λ的矩阵，λ为波段数，且λ＞m；
[0049]
s1022：基于光谱线性混合理论，根据所述端元光谱矩阵e，利用完全约束最小二乘法按照公式(1)计算得到m个端元的丰度，即求解公式(1)中的af(x,y)：
[0050][0051]
其中，ρ(x,y)为高空间分辨率的多光谱图像上像素(x,y)的光谱曲线，ρ(x,y)为1
×
λ的向量；af(x,y)为待求的高空间分辨率像素(x,y)中m个端元的丰度，af(x,y)为1
×
m的向量，表示为
[0052]
s103：根据所述高空间分辨率的端元丰度图像与所述待提升空间分辨率的地表温度图像之间的空间位置关联关系，进行端元丰度聚合，得到与所述待提升空间分辨率的地表温度图像具有相同空间分辨率的低空间分辨率的端元丰度图像；
[0053]
作为一种可实施方式，本步骤包括以下子步骤：
[0054]
s1031：确定所述待提升空间分辨率的地表温度图像的空间分辨率与所述高空间分辨率的多光谱图像的空间分辨率之间的比例关系值s；
[0055]
s1032：针对所述高空间分辨率的端元丰度图像上的每一类端元，采用滑动窗口方式，从其丰度图像行列起始位置，沿行列方向以步长s选取s
×
s的窗口，利用公式(2)计算其低空间分辨率的丰度图像：
[0056][0057]
其中，表示丰度聚合后得到的低空间分辨率(x,y)像素中第e类端元的丰度；表示低空间分辨率像素(x,y)覆盖的s2个高空间分辨率像素的第e类端元的丰
度。
[0058]
具体地，高空间分辨率图像中每个像素的覆盖范围小，低空间分辨率图像中每个像素的覆盖范围大。在本实施例中，若地表温度图像的空间分辨率是多光谱图像的空间分辨率的s倍，即意味着地表温度图像的每个像素都覆盖s2个多光谱图像的像素。在此基础上，本实施例中，对于低空间分辨率的地表温度图像的像素(x,y)，其端元丰度可以通过上述公式(2)计算完成。
[0059]
通过该步骤，最终将光谱解混得到的高空间分辨率的端元丰度图像af转换为与待提升空间分辨率的地表温度图像的分辨率大小相一致的低空间分辨率的端元丰度图像ac，该转换过程的示意图如图3所示。
[0060]
s104：根据所述待提升空间分辨率的地表温度图像和所述低空间分辨率的端元丰度图像，基于地表温度的线性混合模型进行空间解混，得到研究区域的端元温度；
[0061]
作为一种可实施方式，如图4所示，本步骤包括以下子步骤：
[0062]
s1041：针对所述低空间分辨率的端元丰度图像上和所述待提升空间分辨率的地表温度图像上相同位置的像素(x,y)，以其为中心选择w
×
w的窗口，窗口内包括w2个像素，且w2＞m，m为端元个数；
[0063]
s1042：基于地表温度的线性混合模型，根据窗口内像素的温度和丰度值，利用最小二乘方法按照公式(3)计算得到端元温度[t1,
…
,te,
…
,tm]
t
：
[0064][0065]
其中，表示窗口内w2个像素的温度，表示丰度聚合后得到的低空间分辨率(xi,yi)像素中第e类端元的丰度。
[0066]
具体地，地表温度的线性混合模型如下式所示：
[0067][0068]
上式中，t(x,y)表示地表温度图像上像素(x,y)的温度值，像素(x,y)中包含m种端元，te为端元e的温度，ae(x,y)表示端元e在像素(x,y)中的面积比例，即端元丰度；该公式物理意义在于，对于地表温度图像上的某一个像素，其温度值由像素内各个端元的温度通过面积比例加权求和得到。
[0069]
基于上述的地表温度的线性混合模型，本步骤主要是采用逐像素计算的方式对整幅图像的温度进行空间解混。
[0070]
s105：将所述研究区域的端元温度与所述高空间分辨率的端元丰度图像进行线性混合，得到所述研究区域的高空间分辨率的地表温度图像。
[0071]
作为一种可实施方式，本步骤主要包括以下子步骤：
[0072]
s1051：针对低空间分辨率像素(x,y)所覆盖的s2个高空间分辨率像素，将研究区
域的端元温度和高空间分辨率的端元丰度图像按照公式(4)进行线性混合，得到高空间分辨率像素的地表温度：
[0073][0074]
其中，te表示研究区域中第e类端元的温度。
[0075]
具体地，对待提升空间分辨率的地表温度图像上的每个像素(x,y)均执行上述步骤s1041、s1042和s1051，直至待提升空间分辨率的地表温度图像上的所有像素均处理完成，最终得到一幅高空间分辨率的地表温度图像tf。
[0076]
本发明提供的一种地表温度图像空间分辨率提升方法能够将低空间分辨率地表温度图像提升为高空间分辨率，具有一定的物理理论基础，并且获得的高空间分辨率地表温度图像能够较好的保留空间细节信息。
[0077]
实施例2
[0078]
本发明实施例还提供一种地表温度图像空间分辨率提升装置，包括：图像获取模块、光谱解混模块、丰度聚合模块和空间解混模块；其中：
[0079]
图像获取模块用于在同一时刻分别获取研究区域的高空间分辨率的多光谱图像和待提升空间分辨率的地表温度图像；光谱解混模块用于根据所述高空间分辨率的多光谱图像进行线性光谱解混，得到高空间分辨率的端元丰度图像；丰度聚合模块用于根据所述高空间分辨率的端元丰度图像与所述待提升空间分辨率的地表温度图像之间的空间位置关联关系，进行端元丰度聚合，得到与所述待提升空间分辨率的地表温度图像具有相同空间分辨率的低空间分辨率的端元丰度图像；空间解混模块用于根据所述待提升空间分辨率的地表温度图像和所述低空间分辨率的端元丰度图像，基于地表温度的线性混合模型，得到研究区域的端元温度；将所述研究区域的端元温度与所述高空间分辨率的端元丰度图像进行线性混合，得到所述研究区域的高空间分辨率的地表温度图像。
[0080]
需要说明的是，本发明实施例提供的一种地表温度图像空间分辨率提升装置是为了实现上述方法实施例，其功能具体可参考上述方法实施例，此处不再赘述。
[0081]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。