[发明专利]基于空间几何原理的四维遥感生态指数构建方法

权利要求书

1.一种基于空间几何原理的四维遥感生态指数构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：获取研究区包括蓝光、绿光、红光、近红外、短波红外、热红外波段的遥感数据并进行预处理，进一步得到红光波段和近红外波段二维空间散点图，并根据该空间散点图拟合土壤线并求出土壤线方程；

步骤S2：计算垂直植被指数PVI；

步骤S3：计算垂直干旱指数PDI，并设混合像元两端极限是裸土和植被，用混合像元的PDI的值减去植被覆盖PDI的值得到改进型垂直干旱指数MPDI；

步骤S4：计算地表干化度指数NDSI；

步骤S5：计算地表温度指数LST；

步骤S6：以垂直植被指数PVI、改进型垂直干旱指数MPDI、地表干化度指数NDSI和地表温度指数LST为坐标轴，构建四维特征空间；

步骤S7：基于垂直植被、垂直干旱、地表干化度和地表温度计算遥感生态指数SGEI；所述步骤S3具体为：

步骤S31：植被覆盖度fv通过归一化植被指数NDVI计算得出，用一幅影像中全植被覆盖和无植被覆盖的裸土区域通过比例计算得出，植被覆盖度选择采用Baret的半经验植被覆盖度计算方法，其表达式如下：

式中，NDVI_MAX为100％植被覆盖下NDVI，NDVI_MIN为裸土对应的NDVI；

步骤S32：根据步骤S1确定的土壤线方程，垂直干旱指数PDI的计算方法如下：

式中，ρ_NIR表示近红外波段的反射率，ρ_Red表示红光波段的反射率；M代表土壤线方程的斜率，I代表土壤线方程的截距；

步骤S33：利用垂直干旱指数PDI，根据步骤S1确定的土壤线方程，得到MPDI′表达式为：

式中，ρ_S,Red表示裸土在红光波段的反射率，ρ_S,NIR表示裸土在近红外波段的反射率；

步骤S34：设混合像元两端极限是裸土和植被，则混合像元反射率是两者线性结合，以此推导出MPDI，其表达式为：

式中，ρ_V,Red为红光波段的植被反射率，ρ_V,NIR为近红外波段的植被反射率；

当所选择的数据为2000年后的Landsat5遥感数据时，所述步骤S5具体为：

(1)图像辐射定标，对Landsat5热红外波段进行辐射定标；

(2)植被覆盖度计算，利用混合像元分解法计算植被覆盖度fv，将影像中的地类分为水体、植被和建筑，具体的计算公式如下：

fv＝[(NDVI-NDVI_Soil)/(NDVI_Veg-NDVI_Soil)] (10)

式中，NDVI为归一化植被指数，NDVI_Soil为无植被覆盖区域的NDVI值，NDVI_Veg则为完全被植被覆盖的区域的NDVI值；

(3)地表比辐射率ε计算:

水体像元的比辐射率赋值为0.995，自然表面像元和城镇像元的比辐射率则分别根据下式进行计算：

εsurface＝0.9625+0.0614fv-0.0461fv² (11)

εbuilding＝0.9589+0.086fv-0.0671fv² (12)

式中，εsurface和εbuilding依次代表自然表面像元和城镇像元的比辐射率；

(4)计算相同温度下黑体的辐射亮度值：

卫星传感器接收到的为热红外波段的像元在传感器处的光谱辐射值L_λ包括三部分：大气向上辐射亮度，地面的真实辐射亮度经过大气层之后到达卫星传感器的能量；大气向下辐射到达地面后反射的能量；其计算方法为：

L_λ＝[ε·B(T_S)+(1-ε)L↓]·τ+L↑ (13)

这里，ε为地表辐射率，T_S为地表真实温度，B(T_S)为黑体在T_S的热辐射亮度，τ为大气在热红外波段的透过率；则温度为T的黑体在热红外波段的辐射亮度B(T_S)为：

B(T_S)＝[L_λ-L↑-τ·(1-ε)L↓]/τ·ε (14)

(5)反演地表温度：

在获取温度为T_S的黑体在热红外波段的辐射亮度后，根据普朗克公式的反函数，求得地表真实温度T_S：

T_S＝K₂/ln(K₁/B(T_S)+1) (15)；

K₁和K₂分别为定标参数；

所述步骤S7具体为：

步骤S71：将每个轴的值归一化至[0,1/2]，然后再计算SGEI，使SGEI的取值范围为[0,1]；其中，PVI进行正向归一化，LST、MPDI、NDSI则进行反向归一化；

正向归一化公式：

反向归一化公式：

式中，Normalizedp_i为归一化后的值；

步骤S72：在步骤6中所创建的四维特征空间中，构建表征遥感生态指数SGEI的表达式为：