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1、第五章,热红外遥感,?,地表温度反演模型,本章主要内容,地表温度反演模型,?,地表温度（,LST,）,是地球资源监测和地表生态环境系,统研究的重要指标之一，对水文、生态、环境和生,物地球化学等研究有重要意义。,?,土壤水分的调查、森林火灾的检测、地热位置的判,别、军事伪装的应用、石油和铀矿的寻找等都离不,开陆地表面温度。,?,在几大地表时空多变要素中，,地表温度是最基本的,参数，,大多数遥感模型中都需要,地表温度作为输入,参数,。,?,因此，如何获取准确的地表温度是一个值得研究的,问题。,?,传统的地表温度测量方式主要是利用,地表温度计,?,一般分为地面温度计、直管地温计、曲管地温计,、直角地
2、温表四种类型。,普通直管地温计,数显直管地温计,直角地温计,?,传统获取地表温度的做法是采用温度计测量，所,测的结果只代表观测点的局部温度。,?,遥感可以提供,二维陆面温度分布信息,并且可以,快,速同步地获取大面积区域,地表温度。,?,因此利用卫星数据演算地表温度，探讨,卫星热通,道的理论及其实际应用方法,，已经成为遥感科学,的一个重要领域。,?,热红外遥感,记录的是地物发射的热辐射能量，具,有不破坏地表热力学状态的特点，用其反演陆面,温度早已被科学家重视,?,目前遥感反演地表温度的方法主要有：,?,单窗算法,?,劈窗算法,?,多通道算法,?,自然界任何高于热力学温度的物体都不断地向外,发射具
3、有一定能量的电磁波，,其辐射能量的强度,和波谱分布的位置是温度的函数,。随着温度的增,加，总辐射能量将相应增加，辐射能量的最大波,长也将逐渐变短。,?,通常我们把物体的辐射亮度,L,g,与相同温度下黑体,的辐射亮度,L,b,的比值称为物体的,比辐射率,?,，用它,来表征物体的发射本领。,?,若物体的光谱发射率已知，那么就可以求解对应,黑体的光谱辐射亮度，从而求解温度,T,。,?,受环境辐射和大气辐射传输的影响，在星载传感,器上观测到的目标的辐射亮度为,辐射亮,度值,光谱大气,透过率,比辐射率,下行,上行,?,因此，若想获得较精确的反演温度，必须考虑,3,部,分：,?,将,DN,值,精确地转换为
4、辐射亮度值,?,精确地,校正大气,影响，包括获取精确的大气透,过率，大气上行辐射亮度和大气下行辐射亮度,?,获取更精确的,地物比辐射率,单窗算法,?,单窗算法适用于只有一个热波段的遥感数据，主,要用于,TM6,数据进行地表温度反演。,?,通常用来从,TM6,数据中反演地表温度，这一方法,需要估计大气热辐射和大气对地表热辐射传导的,影响，计算过程很复杂，误差也较大，在实际中,应用不多,劈窗算法,?,主要利用在一个大气窗口的,两个临近红外通道，,存在与大气影响密切相关的,大气吸收、散射信息,来进行大气纠正。,?,地表温度同亮度温度和发射率之间呈线性关系。,地表温度可以用相邻的两个波段的亮度温度来线
5、,性表示，而表达式的系数是由通道发射率决定的,，它们不依赖于大气状况。,?,劈窗算法主要是针对,NOAA/AVHRR,开发的，最初用,在海面温度反演，,20,世纪,80,年代开始拓展到陆地,温度反演。,?,大气对热辐射的衰减很严重,，在热红外波段,10-,12.5um,的窗口，卫星与地面的差异可达到,10K,。,?,大气窗口有,8-14um,，,10-11.5um,，,10-12.5um,等，劈,窗算法利用,两个相邻热红外通道,对大气吸收作用的,不同，通过两个通道测量值的各种组合来剔除大气,的影响，进行大气和地表比辐射率的修正。,?,劈窗算法的一般表达式通常如下：,式中,Ts,是地表温度，,A
6、,和,B,是参数，,T4,和,T5,分别是,AVHRR,通道,4,和通道,5,的亮度温度，它们单位是绝,对温度（,K,）。,?,劈窗算法的另一常用表达式为：,其他表现形式,?,用,NOAA9,AVHRR,数据的局部劈窗算法,?,将视场角变化和大气水汽含量变化考虑在内，一,种适合于,NOAA11/AVHRR,和,MODIS,的劈窗算法,?,该算法已经成为,MODIS,温度产品的官方算法之一,，在大多数情况下，温度反演的精度可以控制在,1K,以内。,MODIS,地表温度的劈窗算法,其中：,Ts,是地表温度，,T31,、,T32,分别是,MODIS,第,31,、,32,通道的亮温。,亮温值计算,大气
7、透过率计算,19,和,2,分别是,MODIS,第,19,和第,2,波段的地面反射率,比辐射率计算,?,在,MODIS,1km,的像元尺度下，像元可以粗略视作由,水体、植被和裸土,3,种类型构成。,w,、,v,、,s,分别为水体、植被和裸地的地表比辐,射率，,31,波段为,0.992,、,0.9844,、,0.9731,；,32,波段为,0.989,、,0.9851,、,0.9832,Pw,和,Pv,分别为水面和植被的构成比例，水体纯像元,时，,Pw=1,，不为纯水体时,Pw=0,，,Pv,按照植被覆盖,率计算。,?,劈窗算法是当前热红外遥感反演地表温度中精度,较好、应用较广的算法，可以连续提供
8、较高精度,、较高分辨率的海面温度场。,?,进一步提高劈窗算法的精度主要是通过,修正大气,影响和地表发射率,来进行的。,?,单窗算法所应用的数据,TM/ETM,与多通道,NOAA,、,MODIS,等数据相比，空间分辨率较高，并且对地,表发射率的敏感性较低，单从反演的技术及精度,来讲，具有较大优势，但如果反演大区域地表温,度则需要很大的资金投人。,?,劈窗算法是目前应用最广、最成熟的方法，精度,较高。相对而言，它不需要输入大气廓线值。但,是，劈窗算法还不完善，例如只限于晴空大气条,件下的反演，对于混合像元只能给出有效平均温,度，而没有考虑亚像元问题。,?,热红外遥感机理的复杂性。,在地表热量平衡方
9、程中,，除了辐射通量外，还有大气湍流通量、水汽蒸发,通量和土壤热通量的作用项，给获取具有时空代表,性的真实地表温度造成了困难；,?,准确获取这些,大气参数,（如温度廓线、水汽廓线等,）非常困难，而且难以保证精度，从而降低了大气,辐射传输模拟的准确性；,?,海洋表面比较均一，而陆地表面状况比较复杂，对,于目标物的观测所得到的辐射亮度很容易收到周围,环境辐射亮度的影响。,现有的热红外遥感地表温度,反演算法大都是需要假设环境辐射已知或者为,0,，这,样不可避免地增加了观测辐射亮度的误差。,?,无论是单窗算法还是劈窗算法，它们都有一个共同,的缺陷，,就是只把像元看成同温同质体,，反演得到,的陆面温度只是像元的等效温度或平均温度。,?,无论是在野外还是在实验室，,发射率的测定,都是热,红外遥感地表温度反演的一个难题。,?,现有传感器的,热红外通道间高度相关,，不可能获得,稳定的高精度解，即使增加通道数也无济于事。,作业,?,根据劈窗算法，利用,MODIS,数据求解地表温度反,演模型。,
