本發(fā)明涉及氣溶膠監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地，涉及一種地統(tǒng)計(jì)插值與衛(wèi)星遙感聯(lián)合反演地面PM2.5的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)活動(dòng)與機(jī)動(dòng)車尾氣等人為排放的有害氣體的急劇增加，導(dǎo)致空氣質(zhì)量持續(xù)惡化。PM2.5是指空氣中空氣動(dòng)力學(xué)粒徑小于2.5微米的顆粒物。與大粒徑顆粒物相比，PM2.5粒徑小，富含大量的有毒有害物質(zhì)且在大氣中的停留時(shí)間長(zhǎng)、輸送距離遠(yuǎn)，因而對(duì)人體和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響很大。大量的流行病學(xué)研究證明，PM2.5與哮喘、呼吸道感染、肺癌、心血管疾病等存在一定的關(guān)聯(lián)性。因此，對(duì)區(qū)域PM2.5的監(jiān)測(cè)成為研究大氣環(huán)境的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)區(qū)域PM2.5的估算方法按照估算尺度可以分為兩大類，一類是區(qū)域尺度的PM2.5濃度估算方法，此類方法主要是利用衛(wèi)星遙感估算PM2.5濃度分布，另一類是對(duì)城市尺度污染物濃度進(jìn)行估算的方法，此類方法主要基于土地覆蓋數(shù)據(jù)、PM2.5觀測(cè)站點(diǎn)、路網(wǎng)分布、氣象數(shù)據(jù)等輔助數(shù)據(jù)，通過(guò)地統(tǒng)計(jì)插值、土地利用回歸模型等方法獲取PM2.5濃度的時(shí)空分布。

衛(wèi)星遙感很早就被應(yīng)用于大氣污染監(jiān)測(cè)，但真正應(yīng)用于定量估算顆粒物濃度主要始于MODIS(moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，中分辨率成像光譜儀)、MISR(Multi-angle Imaging Spectrometer，多角度成像光譜儀)等可提供較高精度氣溶膠數(shù)據(jù)的傳感器升空以后。其中，衛(wèi)星氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Depth，AOD)在國(guó)際上被廣泛用來(lái)估算區(qū)域PM2.5濃度。然而，衛(wèi)星AOD代表氣溶膠在整層大氣上的垂直消光貢獻(xiàn)，PM2.5則為近地面顆粒物干燥條件下的單位體積內(nèi)的質(zhì)量濃度，二者之間的關(guān)系受氣溶膠垂直分布、氣象條件、下墊面等影響較大。利用AOD估算PM2.5濃度目前還沒(méi) 有廣泛適用的方法；同時(shí)，衛(wèi)星AOD的反演精度、以及區(qū)域的云覆蓋、高地表反射率、重霾污染等造成的值缺失也會(huì)對(duì)PM2.5的估算結(jié)果帶來(lái)很多不確定性。

地統(tǒng)計(jì)插值的方法可以有效的利用已知空間數(shù)據(jù)估算鄰近區(qū)域的未知值，廣泛應(yīng)用在城市尺度的空氣污染研究中。其中，變異函數(shù)分析工具可以有效的對(duì)PM2.5的時(shí)空變異特征進(jìn)行分析?？死锝鸩逯凳亲畛Ｓ玫牡亟y(tǒng)計(jì)插值方法，它可以有效的將少量的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)擴(kuò)展到整個(gè)研究區(qū)域。但是，地統(tǒng)計(jì)插值方法受監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的分布特征以及密度影響較大，當(dāng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)間隔較遠(yuǎn)、采樣密度降低時(shí)，可能無(wú)法較好的反映PM2.5的時(shí)空分布特征，造成插值結(jié)果精度較低。

如上所述，目前在對(duì)區(qū)域PM2.5進(jìn)行估算的方法中，衛(wèi)星遙感與地統(tǒng)計(jì)插值這兩大類方法基本上完全獨(dú)立，且兩類方法各自存在缺點(diǎn)。例如，在利用衛(wèi)星遙感對(duì)區(qū)域PM2.5進(jìn)行估算時(shí)，則無(wú)法估算出衛(wèi)星AOD缺失處的PM2.5濃度；在利用地統(tǒng)計(jì)插值對(duì)區(qū)域PM2.5進(jìn)行估算時(shí)，若地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)較少則會(huì)降低PM2.5的估算精度。因此有必要將兩類方法融合，以研究出一種精度更高的空間插值模型。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種地統(tǒng)計(jì)插值與衛(wèi)星遙感聯(lián)合反演地面PM2.5的方法及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有的估算方法對(duì)區(qū)域PM2.5的估算精度不高的問(wèn)題。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種地統(tǒng)計(jì)插值與衛(wèi)星遙感聯(lián)合反演地面PM2.5的方法，包括：

基于時(shí)空克里金插值模型和構(gòu)建的時(shí)空變異函數(shù)模型，獲取待反演地區(qū)的地面PM2.5的第一濃度值；其中，獲取第一濃度值的過(guò)程包括：根據(jù)待反演地區(qū)的地面PM2.5數(shù)據(jù)構(gòu)建時(shí)空變異函數(shù)模型并擬合，根據(jù)對(duì)時(shí)空變異函數(shù)模型的擬合結(jié)果，采用時(shí)空克里金插值模型估算待反演地區(qū)的地面PM2.5的第一濃度值；

基于構(gòu)建的衛(wèi)星AOD反演模型，獲取待反演地區(qū)的地面PM2.5的第二濃 度值；其中，衛(wèi)星AOD反演模型包括混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)回歸模型，獲取第二濃度值的過(guò)程包括：根據(jù)待反演地區(qū)的地面PM2.5數(shù)據(jù)、AOD數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)構(gòu)建隨時(shí)間變化的混合效應(yīng)模型，并根據(jù)混合效應(yīng)模型對(duì)待反演地區(qū)的地面PM2.5進(jìn)行初步估算，以及根據(jù)待反演地區(qū)的地理坐標(biāo)構(gòu)建地理加權(quán)回歸模型，根據(jù)地理加權(quán)回歸模型獲取混合效應(yīng)模型的殘差，根據(jù)混合效應(yīng)模型的初步估算結(jié)果和殘差估算待反演地區(qū)的地面PM2.5的第二濃度值；

將第一濃度值與第二濃度值進(jìn)行融合，估算待反演地區(qū)的地面PM2.5的最終濃度值；其中，根據(jù)第一濃度值和第二濃度值的均方根誤差建立權(quán)重關(guān)系，根據(jù)權(quán)重關(guān)系融合第一濃度值與第二濃度值，以估算待反演地區(qū)的地面PM2.5的最終濃度值。

另一方面，本發(fā)明提供一種地統(tǒng)計(jì)插值與衛(wèi)星遙感聯(lián)合反演地面PM2.5的系統(tǒng)，包括：

第一濃度值獲取單元，用于基于時(shí)空克里金插值模型和構(gòu)建的時(shí)空變異函數(shù)模型，獲取待反演地區(qū)的地面PM2.5的第一濃度值；其中，獲取第一濃度值的過(guò)程包括：根據(jù)待反演地區(qū)的地面PM2.5數(shù)據(jù)構(gòu)建時(shí)空變異函數(shù)模型并擬合，根據(jù)對(duì)時(shí)空變異函數(shù)模型的擬合結(jié)果，采用時(shí)空克里金插值模型估算待反演地區(qū)的地面PM2.5的第一濃度值；

第二濃度值獲取單元，用于基于構(gòu)建的衛(wèi)星AOD反演模型獲取待反演地區(qū)的地面PM2.5的第二濃度值；其中，衛(wèi)星AOD反演模型包括混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)回歸模型，獲取第二濃度值的過(guò)程包括：根據(jù)待反演地區(qū)的地面PM2.5數(shù)據(jù)、AOD數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)構(gòu)建隨時(shí)間變化的混合效應(yīng)模型，并根據(jù)混合效應(yīng)模型對(duì)待反演地區(qū)的地面PM2.5進(jìn)行初步估算，以及根據(jù)待反演地區(qū)的地理坐標(biāo)構(gòu)建地理加權(quán)回歸模型，根據(jù)地理加權(quán)回歸模型獲取混合效應(yīng)模型的殘差，根據(jù)混合效應(yīng)模型的初步估算結(jié)果和殘差估算待反演地區(qū)的地面PM2.5的第二濃度值；

PM2.5濃度值估算單元，用于將第一濃度值與第二濃度值進(jìn)行融合，估算待反演地區(qū)的地面PM2.5的最終濃度值；其中，根據(jù)第一濃度值和第二濃度值的均方根誤差建立權(quán)重關(guān)系，根據(jù)權(quán)重關(guān)系融合第一濃度值與第二濃度值，估算待反演地區(qū)的地面PM2.5的最終濃度值。

利用上述根據(jù)本發(fā)明提供的地統(tǒng)計(jì)插值與衛(wèi)星遙感聯(lián)合反演地面PM2.5的方法及系統(tǒng)，將地統(tǒng)計(jì)插值方法中的時(shí)空克里金插值模型與衛(wèi)星遙感方法相融合，從而既可以提高地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)較少情況下的PM2.5的估算精度，又可以彌補(bǔ)AOD數(shù)據(jù)缺失處PM2.5無(wú)法估算的缺點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述以及相關(guān)目的，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面包括后面將詳細(xì)說(shuō)明并在權(quán)利要求中特別指出的特征。下面的說(shuō)明以及附圖詳細(xì)說(shuō)明了本發(fā)明的某些示例性方面。然而，這些方面指示的僅僅是可使用本發(fā)明的原理的各種方式中的一些方式。此外，本發(fā)明旨在包括所有這些方面以及它們的等同物。

附圖說(shuō)明

通過(guò)參考以下結(jié)合附圖的說(shuō)明及權(quán)利要求書(shū)的內(nèi)容，并且隨著對(duì)本發(fā)明的更全面理解，本發(fā)明的其它目的及結(jié)果將更加明白及易于理解。在附圖中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的地統(tǒng)計(jì)插值與衛(wèi)星遙感聯(lián)合反演地面PM2.5的方法流程示意圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的地統(tǒng)計(jì)插值與衛(wèi)星遙感聯(lián)合反演地面PM2.5的系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)框圖。

在所有附圖中相同的標(biāo)號(hào)指示相似或相應(yīng)的特征或功能。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。

針對(duì)前述現(xiàn)有的估算方法對(duì)區(qū)域PM2.5的估算精度不高的問(wèn)題，本發(fā)明通過(guò)將地統(tǒng)計(jì)插值模型中的時(shí)空克里金插值模型與衛(wèi)星遙感相結(jié)合，根據(jù)誤差權(quán)重將兩種模型的估算結(jié)果進(jìn)行融合，從而既能保證PM2.5的估算精度，又可以彌補(bǔ)AOD缺失處PM2.5無(wú)法估算的缺點(diǎn)。

在對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明前，先對(duì)本發(fā)明中涉及的概念和術(shù)語(yǔ)進(jìn)行說(shuō)明。

在本發(fā)明中采用美國(guó)宇航局Aqua衛(wèi)星上的中分辨率成像光譜儀(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer，簡(jiǎn)稱MODIS)第六版(C6)衛(wèi)星遙感AOD數(shù)據(jù)與PM2.5地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，以估算并反演我國(guó)全 國(guó)尺度的PM2.5濃度分布。

為了說(shuō)明本發(fā)明提供的地統(tǒng)計(jì)插值與衛(wèi)星遙感聯(lián)合反演地面PM2.5的方法，圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的地統(tǒng)計(jì)插值與衛(wèi)星遙感聯(lián)合反演地面PM2.5的方法流程。

如圖1所示，本發(fā)明提供的地統(tǒng)計(jì)插值與衛(wèi)星遙感聯(lián)合反演地面PM2.5的方法包括：

S110：基于時(shí)空克里金插值模型和構(gòu)建的時(shí)空變異函數(shù)模型，獲取待反演地區(qū)的地面PM2.5的第一濃度值；其中，獲取第一濃度值的過(guò)程包括：根據(jù)待反演地區(qū)的地面PM2.5數(shù)據(jù)構(gòu)建時(shí)空變異函數(shù)模型并擬合，根據(jù)對(duì)時(shí)空變異函數(shù)模型的擬合結(jié)果，采用時(shí)空克里金插值模型估算待反演地區(qū)的地面PM2.5的第一濃度值。

進(jìn)一步地，在獲取第一濃度值之前，還可以根據(jù)搜集到的地面PM2.5站點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的PM2.5數(shù)據(jù)，利用空間變異函數(shù)與時(shí)間相關(guān)函數(shù)計(jì)算各PM2.5站點(diǎn)所監(jiān)測(cè)到的PM2.5數(shù)據(jù)的時(shí)間相關(guān)特性與空間相關(guān)特性。如果PM2.5站點(diǎn)所監(jiān)測(cè)到的PM2.5數(shù)據(jù)之間具有時(shí)空相關(guān)性，則可采用地統(tǒng)計(jì)插值模型中的時(shí)空克里金插值模型估算待反演地區(qū)的PM2.5的濃度值(即第一濃度值)。

S120：基于構(gòu)建的衛(wèi)星AOD反演模型，獲取待反演地區(qū)的地面PM2.5的第二濃度值；其中，衛(wèi)星AOD反演模型包括混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)回歸模型，獲取第二濃度值的過(guò)程包括：根據(jù)待反演地區(qū)的地面PM2.5數(shù)據(jù)、AOD數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)構(gòu)建隨時(shí)間變化的混合效應(yīng)模型，并根據(jù)混合效應(yīng)模型對(duì)待反演地區(qū)的地面PM2.5進(jìn)行初步估算，以及根據(jù)待反演地區(qū)的地理坐標(biāo)構(gòu)建地理加權(quán)回歸模型，根據(jù)地理加權(quán)回歸模型獲取混合效應(yīng)模型的殘差，根據(jù)混合效應(yīng)模型的初步估算結(jié)果和地理加權(quán)回歸模型所獲取的殘差估算待反演地區(qū)的地面PM2.5的第二濃度值。

具體地，在構(gòu)建混合效應(yīng)模型的過(guò)程中，搜集待反演地區(qū)的地面氣象數(shù)據(jù)、AOD數(shù)據(jù)、地面PM2.5數(shù)據(jù)，將搜集到的上述數(shù)據(jù)重采樣到創(chuàng)建的與AOD數(shù)據(jù)分辨率相當(dāng)?shù)木W(wǎng)格后進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配。其中，上述網(wǎng)格由若干網(wǎng)格單元構(gòu)成。

上述數(shù)據(jù)匹配過(guò)程包括：構(gòu)建AOD數(shù)據(jù)像元點(diǎn)的泰森多邊形，與網(wǎng)格進(jìn)行空間疊置分析，將AOD數(shù)據(jù)分配到網(wǎng)格中的每個(gè)網(wǎng)格單元中；將網(wǎng)格中的 某個(gè)網(wǎng)格單元內(nèi)所有PM2.5站點(diǎn)同一天采集到的地面PM2.5數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后賦值給對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格單元；將高于待反演地區(qū)所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格單元的分辨率的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后賦值給對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格單元，將不高于待反演地區(qū)所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格單元的分辨率的氣象數(shù)據(jù)，采用距離反比加權(quán)的插值方法將氣象數(shù)據(jù)插值并重采樣到與網(wǎng)格單元的分辨率一致。根據(jù)上述AOD數(shù)據(jù)、PM2.5數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)構(gòu)建隨時(shí)間變化的混合效應(yīng)模型。

為了進(jìn)一步提高PM2.5的估算精度，還需根據(jù)待反演地區(qū)的地理坐標(biāo)構(gòu)建地理加權(quán)回歸模型，以獲取上述混合效應(yīng)模型的殘差。

具體地，構(gòu)建地理加權(quán)回歸模型的過(guò)程包括：根據(jù)待反演地區(qū)的每個(gè)PM2.5站點(diǎn)的位置坐標(biāo)，獲取地理加權(quán)回歸模型的回歸參數(shù)；根據(jù)回歸參數(shù)、與PM2.5站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的AOD數(shù)據(jù)、PM2.5站點(diǎn)的位置坐標(biāo)的截距與斜率獲取混合效應(yīng)模型的殘差。

為了進(jìn)一步提高估算精度，對(duì)上述混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)回歸模型進(jìn)行交叉驗(yàn)證，根據(jù)交叉驗(yàn)證結(jié)果調(diào)整混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)回歸模型，或確定最終的混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)回歸模型。根據(jù)確定的最終的混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)回歸模型的估算結(jié)果相加，獲取待反演地區(qū)的地面PM2.5的第二濃度值。

具體地，當(dāng)交叉驗(yàn)證結(jié)果顯示混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)回歸模型存在過(guò)度擬合時(shí)，通過(guò)調(diào)整AOD數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)對(duì)混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)模型進(jìn)行調(diào)整，然后對(duì)調(diào)整后的混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)模型再次進(jìn)行交叉驗(yàn)證，直到交叉驗(yàn)證結(jié)果顯示調(diào)整后的混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)模型的過(guò)度擬合在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)時(shí)，根據(jù)調(diào)整后的混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)模型估算待反演地區(qū)的地面PM2.5的濃度值(即將確定的最終的混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)回歸模型的估算結(jié)果相加，估算待反演地區(qū)的地面PM2.5的第二濃度值)。

S130：將第一濃度值與第二濃度值進(jìn)行融合，估算待反演地區(qū)的地面PM2.5的最終濃度值；其中，根據(jù)第一濃度值和第二濃度值的均方根誤差建立權(quán)重關(guān)系，根據(jù)權(quán)重關(guān)系融合第一濃度值與第二濃度值，以估算待反演地區(qū)的地面PM2.5的最終濃度值。

具體地，在將第一濃度值與第二濃度值進(jìn)行融合的過(guò)程中，獲取第一濃度值、第二濃度值的均方根誤差權(quán)重，以及第二濃度值與第一濃度值的均方 根誤差差值；當(dāng)差值在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)時(shí)，根據(jù)第一濃度值與第一濃度值的均方根誤差權(quán)重、第二濃度值與第二濃度值的均方根誤差權(quán)重對(duì)第一濃度值與第二濃度值進(jìn)行融合；當(dāng)差值不在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)時(shí)，不對(duì)第一濃度值與第二濃度值進(jìn)行融合。

下面對(duì)本發(fā)明提供的地統(tǒng)計(jì)插值與衛(wèi)星遙感聯(lián)合反演地面PM2.5的方法進(jìn)行示例性說(shuō)明。

具體地，本發(fā)明提供的地統(tǒng)計(jì)插值與衛(wèi)星遙感聯(lián)合反演地面PM2.5的方法包括如下步驟：

1、搜集地面PM2.5監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用空間變異函數(shù)與時(shí)間相關(guān)函數(shù)計(jì)算其時(shí)間相關(guān)特性與空間相關(guān)特性，如果PM2.5站點(diǎn)數(shù)據(jù)之間具有較強(qiáng)的時(shí)空相關(guān)性，則可選擇用時(shí)空克里金插值方法進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。空間變異特征計(jì)算方法如公式1所示，時(shí)間相關(guān)特征計(jì)算方法如公式2、公式3所示：

(公式1)

(公式2)

(公式3)

其中，公式1中γ(h)為區(qū)域化變量在s_i與s_i+h處的值Z(s_i)與Z(s_i+h)的差的方差之半；h為兩點(diǎn)間距離，又稱為滯后距離，N(h)為距離h之間用來(lái)計(jì)算變異函數(shù)值的樣本對(duì)數(shù)。

公式2，3中，n是時(shí)間序列變量y_n的數(shù)目，y_n-t是與y_n時(shí)間間隔t距離的變量，是時(shí)間距離t的自相關(guān)函數(shù)，為均值。

2、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)空變異函數(shù)計(jì)算，針對(duì)計(jì)算結(jié)果選擇合適的時(shí)空變異函數(shù)模型，擬合時(shí)空變異函數(shù)模型，根據(jù)時(shí)空變異函數(shù)模型的擬合結(jié)果，并利用時(shí)空克里金模型對(duì)待反演地區(qū)的地面PM2.5進(jìn)行插值估算(即基于時(shí)空克里金 插值模型對(duì)PM2.5進(jìn)行估算)。

3、搜集地面氣象數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)重采樣到創(chuàng)建的網(wǎng)格中，提取PM2.5站點(diǎn)對(duì)應(yīng)網(wǎng)格的AOD數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)，利用混合效應(yīng)模型擬合能反映AOD數(shù)據(jù)與PM2.5數(shù)據(jù)時(shí)間變化特征的模型。首先確定PM2.5估算網(wǎng)格的分辨率。搜集的氣象數(shù)據(jù)若分辨率過(guò)高，則對(duì)網(wǎng)格內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)計(jì)算平均值；若氣象數(shù)據(jù)分辨率過(guò)低，則利用距離反比加權(quán)的插值方法，將氣象數(shù)據(jù)插值并重采樣到與格網(wǎng)分辨率一致。建立AOD數(shù)據(jù)、PM2.5數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的混合效應(yīng)模型，對(duì)于時(shí)間序列較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，選擇分季節(jié)建模。

由于AOD數(shù)據(jù)與PM2.5之間關(guān)系受氣象等各種因子影響，每天都存在變化，僅僅使用簡(jiǎn)單的多元線性回歸模型無(wú)法很好的反應(yīng)這種時(shí)間差異性。本過(guò)程中使用利用帶有隨機(jī)截距和坡度的混合效應(yīng)模型建立AOD數(shù)據(jù)與PM2.5數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。針對(duì)PM2.5數(shù)據(jù)與AOD數(shù)據(jù)之間的相關(guān)特性，建立的混合效應(yīng)模型如下所示：

(公式4)

PM_s，t表示在第s個(gè)站點(diǎn)第t天的PM2.5濃度觀測(cè)值；AOD_s，t表示格網(wǎng)中對(duì)應(yīng)第s個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)在第t天的AOD值；b₀和b_0,t分別表示固定截距和隨機(jī)截距；b₁和b_1,t分別表示AOD的固定斜率和隨機(jī)斜率；b₂-b₅表示相應(yīng)氣象數(shù)據(jù)的隨機(jī)斜率。s_t表示站點(diǎn)的隨機(jī)效應(yīng)的影響，ε_s，t為系統(tǒng)誤差。PM_Ms,t表示CMAQ模式模擬的第s個(gè)站點(diǎn)第t天的PM2.5濃度值，PBLs,t表示第s個(gè)站點(diǎn)第t天的邊界層高度，RHs,t表示第s個(gè)站點(diǎn)第t天的相對(duì)濕度，Winds,t表示第s個(gè)站點(diǎn)第t天的二維風(fēng)速。統(tǒng)計(jì)模型中AOD固定效應(yīng)代表所有研究時(shí)間段內(nèi)AOD對(duì)PM2.5的平均影響，而AOD的隨機(jī)效應(yīng)解釋了AOD數(shù)據(jù)與PM2.5數(shù)據(jù)之間的逐日變化性。

4、利用地理加權(quán)回歸模型建立混合效應(yīng)模型的殘差與AOD數(shù)據(jù)之間隨空間變化的模型。在該步驟中，根據(jù)每個(gè)PM2.5站點(diǎn)位置的坐標(biāo)，求取地理加權(quán) 回歸模型的回歸參數(shù)，在該模型中選用高斯核函數(shù)法以及交叉確認(rèn)法選擇核函數(shù)和帶寬。地理加權(quán)回歸在時(shí)間尺度上是單一的，也就是說(shuō)每次地理加權(quán)回歸只能針對(duì)一個(gè)時(shí)間截面，因此，針對(duì)全國(guó)的數(shù)據(jù)每天分別使用地理加權(quán)回歸做一次回歸。建立的地理加權(quán)回歸模型如下所示：

PM_resi_st＝β_0,s+β_1,sAOD_st+ε_st (公式5)

其中PM_resi_st表示上一步驟中利用混合效應(yīng)模型得到的第t天，站點(diǎn)s的殘差部分，AOD_st表示第t天站點(diǎn)s的AOD值，β_0,s與β_1,s表示特定地理位置的截距與斜率，β基于高斯權(quán)重函數(shù)計(jì)算的每個(gè)地理坐標(biāo)點(diǎn)的回歸參數(shù)；ε_st表示網(wǎng)格單元s在第t天的誤差項(xiàng)。

5、將第4步與第5步的擬合結(jié)果相加，即為利用衛(wèi)星AOD反演模型(即利用混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)回歸模型)估算得到的PM2.5濃度值。并利用交叉驗(yàn)證的方法對(duì)混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)回歸模型進(jìn)行交叉驗(yàn)證。至于如何進(jìn)行驗(yàn)證不在本發(fā)明所述步驟之內(nèi)，在此不再贅述。

6、將基于時(shí)空克里金插值模型與基于衛(wèi)星AOD反演模型此兩種模型的估算結(jié)果進(jìn)行融合。計(jì)算基于時(shí)空克里金插值模型與衛(wèi)星AOD反演模型的均方根誤差RMSE，根據(jù)兩種模型誤差建立權(quán)重關(guān)系，并將兩種模型結(jié)果進(jìn)行融合。在該步驟中根據(jù)每天交叉驗(yàn)證的RMSE作為權(quán)重來(lái)將兩種模型結(jié)果進(jìn)行融合。RMSE_STK表示基于時(shí)空克里金插值模型驗(yàn)證的均方根誤差，RMSE_RS表示基于衛(wèi)星AOD反演模型驗(yàn)證得到的均方根誤差。基于時(shí)空克里金插值模型與衛(wèi)星AOD反演模型的權(quán)重分別如以下所示：

Weight_STK＝RMSE_RS/(RMSE_RS+RMSE_STK) (公式6)

Weight_RS＝RMSE_STK/(RMSE_RS+RMSE_STK) (公式7)

Change＝RMSE_RS-RMSE_STK (公式8)

其中，weight_STK表示基于時(shí)空克里金插值模型的均方根誤差權(quán)重；weight_RS表示基于衛(wèi)星AOD反演模型的均方根誤差權(quán)重；Change表示兩種模型的RMSE差值，當(dāng)Change在-5到+5μg/m3以內(nèi)時(shí)，則認(rèn)為兩種模型估算 精度接近，則利用公式9將兩個(gè)模型的估算結(jié)果進(jìn)行整合。公式9如下所示：

PM_Merge＝PM_STK*Weight_STK+PM_RS*Weight_RS (公式9)

其中，PM_Merge表示估算的待反演地區(qū)的地面PM2.5的最終濃度值；PM_STK表示基于時(shí)空克里金插值模型估算得到的PM2.5濃度值；PM_RS表示基于衛(wèi)星AOD反演模型估算得到的PM2.5濃度值。

具體地，當(dāng)Change>5μg/m³時(shí)，說(shuō)明在該天，基于時(shí)空克里金插值模型的估算結(jié)果明顯優(yōu)于衛(wèi)星AOD反演模型的估算結(jié)果，因此兩者不進(jìn)行融合，直接利用基于時(shí)空克里金插值模型的估算結(jié)果作為最終PM2.5的估算結(jié)果。當(dāng)Change<-5μg/m³時(shí)，說(shuō)明基于衛(wèi)星AOD反演模型的估算結(jié)果明顯優(yōu)于基于時(shí)空克里金插值模型的估算結(jié)果，但AOD由于云覆蓋等原因存在較多缺失值，此時(shí)AOD缺失處利用基于時(shí)空克里金插值模型的估算結(jié)果作為補(bǔ)充，將最終的結(jié)果輸出成.giff格式柵格數(shù)據(jù)。

與上述方法相對(duì)應(yīng)，本發(fā)明還提供一種地統(tǒng)計(jì)插值與衛(wèi)星遙感聯(lián)合反演地面PM2.5的系統(tǒng)，圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的地統(tǒng)計(jì)插值與衛(wèi)星遙感聯(lián)合反演地面PM2.5的系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)。

如圖2所示，本發(fā)明提供的地統(tǒng)計(jì)插值與衛(wèi)星遙感聯(lián)合反演地面PM2.5的系統(tǒng)200包括第一濃度值獲取單元210、第二濃度值獲取單元220和PM2.5濃度值估算單元230。

其中，第一濃度值獲取單元210用于基于時(shí)空克里金插值模型和構(gòu)建的時(shí)空變異函數(shù)模型，獲取待反演地區(qū)的地面PM2.5的第一濃度值；其中，獲取第一濃度值的過(guò)程包括：根據(jù)待反演地區(qū)的地面PM2.5數(shù)據(jù)構(gòu)建時(shí)空變異函數(shù)模型并擬合，根據(jù)對(duì)時(shí)空變異函數(shù)模型的擬合結(jié)果，采用時(shí)空克里金插值模型估算待反演地區(qū)的地面PM2.5的第一濃度值。

此外，在獲取第一濃度值之前，還可以根據(jù)搜集到的地面PM2.5站點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的PM2.5數(shù)據(jù)，利用空間變異函數(shù)與時(shí)間相關(guān)函數(shù)計(jì)算各PM2.5站點(diǎn)所監(jiān)測(cè)到的PM2.5數(shù)據(jù)的時(shí)間相關(guān)特性與空間相關(guān)特性。如果PM2.5站點(diǎn)所監(jiān) 測(cè)到的PM2.5數(shù)據(jù)之間具有時(shí)空相關(guān)性，則可采用地統(tǒng)計(jì)插值模型中的時(shí)空克里金插值模型估算待反演地區(qū)的PM2.5的濃度值(即第一濃度值)。

第二濃度值獲取單元220用于基于構(gòu)建的衛(wèi)星AOD反演模型，獲取待反演地區(qū)的地面PM2.5的第二濃度值；其中，衛(wèi)星AOD反演模型包括混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)回歸模型，獲取第二濃度值的過(guò)程包括：根據(jù)待反演地區(qū)的地面PM2.5數(shù)據(jù)、AOD數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)構(gòu)建隨時(shí)間變化的混合效應(yīng)模型，并根據(jù)混合效應(yīng)模型對(duì)待反演地區(qū)的地面PM2.5進(jìn)行初步估算，以及根據(jù)待反演地區(qū)的地理坐標(biāo)構(gòu)建地理加權(quán)回歸模型，根據(jù)地理加權(quán)回歸模型獲取混合效應(yīng)模型的殘差，根據(jù)混合效應(yīng)模型的初步估算結(jié)果和地理加權(quán)回歸模型所獲取的殘差估算待反演地區(qū)的地面PM2.5的第二濃度值。

具體地，在構(gòu)建混合效應(yīng)模型的過(guò)程中，搜集待反演地區(qū)的地面氣象數(shù)據(jù)、AOD數(shù)據(jù)、地面PM2.5數(shù)據(jù)，將搜集到的上述數(shù)據(jù)重采樣到創(chuàng)建的與AOD數(shù)據(jù)分辨率相當(dāng)?shù)木W(wǎng)格后進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配。其中，上述網(wǎng)格由若干網(wǎng)格單元構(gòu)成。

上述數(shù)據(jù)匹配過(guò)程包括：構(gòu)建AOD數(shù)據(jù)像元點(diǎn)的泰森多邊形，與網(wǎng)格進(jìn)行空間疊置分析，將AOD數(shù)據(jù)分配到網(wǎng)格中的每個(gè)網(wǎng)格單元中；將網(wǎng)格中的某個(gè)網(wǎng)格單元內(nèi)所有PM2.5站點(diǎn)同一天采集到的地面PM2.5數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后賦值給對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格單元；將高于待反演地區(qū)所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格單元的分辨率的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后賦值給對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格單元，將不高于待反演地區(qū)所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格單元的分辨率的氣象數(shù)據(jù)，采用距離反比加權(quán)的插值方法將氣象數(shù)據(jù)插值并重采樣到與網(wǎng)格單元的分辨率一致。根據(jù)上述AOD數(shù)據(jù)、PM2.5數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)構(gòu)建隨時(shí)間變化的混合效應(yīng)模型。

為了進(jìn)一步提高PM2.5的估算精度，還需根據(jù)待反演地區(qū)的地理坐標(biāo)構(gòu)建地理加權(quán)回歸模型，以獲取上述混合效應(yīng)模型的殘差。

具體地，構(gòu)建地理加權(quán)回歸模型的過(guò)程包括：根據(jù)待反演地區(qū)的每個(gè)PM2.5站點(diǎn)的位置坐標(biāo)，獲取地理加權(quán)回歸模型的回歸參數(shù)；根據(jù)回歸參數(shù)、與PM2.5站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的AOD數(shù)據(jù)、PM2.5站點(diǎn)的位置坐標(biāo)的截距與斜率獲取混合效應(yīng)模型的殘差。

為了進(jìn)一步提高估算精度，對(duì)上述混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)回歸模型進(jìn)行交叉驗(yàn)證，根據(jù)交叉驗(yàn)證結(jié)果調(diào)整混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)回歸模型，或 確定最終的混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)回歸模型。將確定的最終的混合效應(yīng)模型的估算結(jié)果和地理加權(quán)回歸模型所獲取的殘差相加，獲取待反演地區(qū)的地面PM2.5的第二濃度值。

具體地，當(dāng)交叉驗(yàn)證結(jié)果顯示混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)回歸模型存在過(guò)度擬合時(shí)，通過(guò)調(diào)整AOD數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)對(duì)混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)模型進(jìn)行調(diào)整，然后對(duì)調(diào)整后的混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)模型再次進(jìn)行交叉驗(yàn)證，直到交叉驗(yàn)證結(jié)果顯示調(diào)整后的混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)模型的過(guò)度擬合在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)時(shí)，根據(jù)調(diào)整后的混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)模型估算待反演地區(qū)的地面PM2.5的濃度值(即根據(jù)確定的最終的混合效應(yīng)模型和地理加權(quán)回歸模型估算待反演地區(qū)的地面PM2.5的第二濃度值)。

PM2.5濃度值估算單元230用于將第一濃度值與第二濃度值進(jìn)行融合，估算待反演地區(qū)的地面PM2.5的最終濃度值；其中，根據(jù)第一濃度值和第二濃度值的均方根誤差建立權(quán)重關(guān)系，根據(jù)權(quán)重關(guān)系融合所述第一濃度值與第二濃度值以估算待反演地區(qū)的地面PM2.5的最終濃度值。

此外，PM2.5濃度值估算單元230進(jìn)一步包括誤差權(quán)重獲取單元231、差值獲取單元232和融合單元233。其中，誤差權(quán)重獲取單元231用于分別獲取第一濃度值、第二濃度值的均方根誤差權(quán)重；差值獲取單元232用于獲取第二濃度值與第一濃度值的均方根誤差差值；融合單元233用于根據(jù)誤差權(quán)重獲取單元231所獲取的第一濃度值與第一濃度值的均方根誤差權(quán)重、差值獲取單元232所獲取的第二濃度值與第二濃度值的均方根誤差權(quán)重對(duì)第一濃度值與第二濃度值進(jìn)行融合。

通過(guò)上述可知，本發(fā)明提供的地統(tǒng)計(jì)插值與衛(wèi)星遙感聯(lián)合反演地面PM2.5的方法及系統(tǒng)，將時(shí)空克里金插值模型與衛(wèi)星AOD反演模型相結(jié)合，根據(jù)誤差權(quán)重將兩種模型的估算結(jié)果進(jìn)行融合，既可以保證PM2.5的估算精度，又可以彌補(bǔ)AOD缺失處PM2.5無(wú)法估算的缺點(diǎn)。

如上參照附圖以示例的方式描述了根據(jù)本發(fā)明的地統(tǒng)計(jì)插值與衛(wèi)星遙感聯(lián)合反演地面PM2.5的方法及系統(tǒng)。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)于上述本發(fā)明所提出的地統(tǒng)計(jì)插值與衛(wèi)星遙感聯(lián)合反演地面PM2.5的方法及系統(tǒng)，還可以在不脫離本發(fā)明內(nèi)容的基礎(chǔ)上做出各種改進(jìn)。因此，本發(fā)明的保 護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)由所附的權(quán)利要求書(shū)的內(nèi)容確定。