基于MODIS数据的湖北省地表温度反演研究.doc

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1、文章编号 : 100021190 (2007) 0120143205基于 MOD IS 数据的湖北省地表温度反演研究许国鹏1 ,2 , 李仁东1 3 , 刘可群3 , 张斌1 ,2( 1 . 中国科学院测量与地球物理研究所 , 武汉 430077 ; 2 . 中国科学院研究生院 , 北京 100039 ;3 . 武汉区域气候中心 , 武汉 430074)摘要 : 利用遥感影像获取地表温度信息 ,对于监测地表状况和生态环境变化有重要意义. 利用MOD IS 影像和劈窗算法计算了反演地表温度的关键参数 : 大气透过率和地表比辐射率 ,并针对湖北省水域单独提取出水体像元来计算地表比辐射率 ,

2、估算出湖北省地表温度 ,与地面同步实测数据比较表明 ,平均误差为 0 . 51 ,精度比较高.关键词 : 地表温度 ; MOD IS ; 精度 ; 大气透过率 ; 地表比辐射率中图分类号 : P23文献标识码 : A地表温度是研究区域地表能量平衡和资源环境变化的重要参数之一 1 ,不仅可以为森林火灾和工厂热污染排放监测提供直接依据 ,而且还在以地表温度为基础的相关模型进行区域土壤水分估算、农业旱情监测、城市热岛效应、军事伪装辨别等方面都要重要的实际应用价值. 相对星上亮温 ,地表温度才能作为一个重要的基本参数直接参与相关模型的计算 ,如“全球环流模型”、地表潜热、显热通量方程

3、、土壤热流方程等 2 . 由于地表温度在时空上的动态分布变化特性 ,依靠地面观测站大面积获取地表温度参数、宏观地把握其时空分布规律是很难的. 而借助遥感技术大范围、快速地反演地表参数的优势 ,可利用热红外波段获取地表温度信息 ,进行资源环境的动态监测和研究.由于陆地表面的复杂性和大气影响的许多因素 ,地表真实温度反演是一个非常复杂的过程. 在对大气热辐射传输和相关参数各种近似、假设的基础上 ,先后提出了多种地表温度的反演算法 ,其中劈窗算法是目前为止发展最为成熟的地表温度反演算法 325 . 本文利用 MOD IS 数据的劈窗算法反演湖北省地表温度 ,并将反演结果与地面同步实

4、测数据进行了精度分析.用 A V H R R 大气窗口内热红外第 4 、5 两个相邻通道对大气吸收作用的差异 ,通过两个通道亮度温度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订正来获取地表温度的 2 .A V H R R 的两个热通道 10 . 511 . 3m 、11 . 512 . 5 m 与 MOD IS 第 31 波段 ( 10 . 780 5 11 . 280m) 和 32 波段 ( 11 . 77012 . 270m) 的中心波长基本对应 , 毛克彪 4 等人据此提出了一种利用 MOD IS 数据 31 、32 波段估算地表温度的劈窗算法. 该劈窗算法的表达式如

5、下 :T S = A 0 + A 1 T31 + A 2 T32 ,( 1)其中 : T S 为地表温度 , T31 、T32 是 MOD IS 31/ 32波段的亮度温度 , 单位是 , 可用 Pla nc k 辐射方程获取 ; A 0 、A 1 和 A 2 是系数 , 可用式 ( 2) 计算 :A 0 = - 64 . 6036 E1 - 68 . 7258 E2 - 273 . 16 ,( 2a)A 1 = 1 + A + 0 . 440817 E1 ,A 2 = - ( A + 0 . 473453 E2 ) ,( 2 b)( 2c) ( 2d) ( 2e) ( 2f )( 2g)

6、( 2 h)( 2i)E1 = D31 ( 1 -C31 -D31 ) / E0 ,= D( 1 -) / EECD,23132320A = D31 / E0 ,E0 = D32 C31 -Ci =i i ,D31 C32 ,1 MOD IS 数据的地表温度反演方法1 . 1 劈窗算法劈窗算法最初是根据地表热辐射传导方程 ,利D i = ( 1 - i ) ( 1 + ( 1 - i )i ) ,其中 , E1 、E2 、E0 、C31 、D31 、C32 、D32 均为中间变量 ,可迭代消除 ;i 为大气透射率 ;i 为地表辐射率. 算收稿日期 : 2006206203 .基金项目 : 国家

7、“863”项目 (2006A A12 Z128) .3 通讯联系人. Email :l r d a sch. w higg. ac. cn.法的关键是计算大气透射率 i率i .1 . 2 大气透射率的求算大气透射率是地表辐射、反射透过大气到达传感器的能量与地表辐射能、反射能的比值 , 它与大气状况、高度等因素有关. 对于热红外波段 , 最重要的大气变化是大气温度和水汽的变化. 在天气稳定情况下 , 水汽含量是影响大气透射率的主要因素.Ka uf ma n 、Bo 2Cai Gao 6 利用 MOD IS 第 19 和第 2 波段模拟出了大气水汽含量的表达式 :和

8、地表比辐射其中 , N D V I v 和 N D V I s 表示完全植被和裸土的植被指数 ; N D V I 表示任意像元的植被指数.地表比辐射率可根据像元 NDV I 来求算 : 当 N D V I N D V I v 时 , 像元被看作是完全的植被覆盖 , 取 Pv = 1 , 则i = Rv N D V I v 时 ,i = Pv R viv ; 当 N D V Is N D V Iiv + ( 1 - Pv ) Rs is ; 当N D V I N D V Is 时 , 像元被看作完全裸土 , 取 Pv =0 , 则i = Rs is .2 数据处理本文采用 200

9、5 年 10 月 10 日 HD F 格式 1B 级别的 MOD IS 数据. 首先进行预处理 : 对相邻扫描行之间数据重复的“蝴蝶结”现象 , 利用 EN V I 软件 IDL 模块中开发的纠正函数去除 ; 进行物理定标 , 将 DN 值转化为反射亮度或辐射亮度 ; 对于有云的区域 , 鉴于云在多波段的光谱特征互补性 , 可利用热温度信息和云检测指数进行云的综合检测 8 .数据处理过程中的编程、计算均在 Mat la b 环境中完成 , 主要步骤如下 : 用第 1 、2 波段计算 N D V I , 对比反射率提取水体 ; 根据湖北省秋季植被覆盖情况 ,

10、取 N D V I v = 0 . 70 , N D V Is = 0 . 05 , 估算水面和植被的构成 Pw 、Pv ; 根据式 ( 5) 及 Pww = (- l nw ) /2 ,( 3)其中 : w 是指大气水汽含量 ;w 是大气水汽吸收波段第 19 波段地面反射率与大气窗口波段第 2 波段地面反射率的比值 ;、是参数 , 对于复合性地表 ,= 0 . 02 ,= 0 . 651 .MOD IS 31/ 32 夏季中纬度标准大气状况下大气水汽含量和透过率的变化之间呈近似线性关系 7 :31 = - 0 . 10671 w + 1 . 04015 ,

11、32 = - 0 . 12577 w + 0 . 99229 .1 . 3 地表比辐射率的求算( 4a)( 4 b)地标比辐射率是物体与黑体在同温度、同波长下的辐射出射度的比值. 在传感器的波段区间及像元大小确定情况下 , 地表比辐射率主要取决于地表物质的组成和结构. 在 MOD IS 1 k m 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. MOD IS 混合像元的地表比辐射率可表示为 7 :和 Pv , 估计像元的地表比辐射率31 、32 ; 用第 2 、19 波段计算大气水分含量 w , 并进而根据式 ( 4) 估计大气透过率

12、31 、32 ; 用第 31 、32 波段的辐射亮度 , 根据 Pla nck 方程计算星上亮度温度 T31 、T32 ;运用劈窗算法式 ( 1) 、( 2) , 利用31 和32 、31 和32i = Pw R wiw + Pv R viv + ( 1 - Pw - Pv ) Rs is ,( 5)以及T31 和 T32 , 计算地表温度T s ; 利用数据自带的坐标信息做精几何校正 , 叠加省界掩膜 , 得到湖北省地表温度反演结果图. 具体反演流程如图 1 .其中 , Pw 和 P v 分别是水面和植被在该像元内的构成比例 ;iw 、iv 和is 分别是水

13、面、植被和裸土在该波段的辐射率 , 可在 A S T ER 提供的常用地物比辐射率光谱库内查得 ; R w 、R v 和 R s 分别是水体、植被和裸土的温度比率 , 在 5 45 范围内 , 分别为1 . 007 44 、0 . 992 40 和 0 . 995 65 5 . 该方程的求算关键在于估算混合像元中的 Pw 和 P v 值.对于水面较大的地区来说 , 可以利用可见光和红外波段水体反射率一般明显低于其它地物以及水体归一化植被指数 NDV I 0 的特性 , 提取纯水Pw = 1 . 此时 ,i = R wiw . 对于水面可体像元 , 并取图 1地表温度反演流程图以忽略的陆

14、地来说则构成比较复杂 , 像元中植被构成比例可以表示为 :Pv = ( N D V I - N D V Is ) / ( N D V I v - N D V Is ) , ( 6)Fig. 1 Flo w chart of ret rieved L S T第 1 期许国鹏等 :基于 MOD IS 数据的湖北省地表温度反演研究145表 12005 年 10 月 10 日 M O D I S 反演温度与地面同步实测值的比较/ Co mp a ri so n of ret rieved L S T f ro m MOD IS and mea sured val ue ( Oct . 10 , 200

15、5) / 3 结果分析Tab. 1实测值( Tm )反演温度( T r )实测值( Tm )反演温度( T r )观测站点误差观测( 5) 站点误差( 5)郧西郧县十堰房县丹江口老河口谷城襄樊枣阳巴东秭归兴山保康神农架南漳远安宜城荆门钟祥随州广水京山安陆云梦大悟红安麻城利川建始恩施宜昌县五峰当阳宜昌长阳枝城17 . 0020 . 1018 . 6017 . 0019 . 8020 . 0020 . 0022 . 4022 . 4019 . 0021 . 0018 . 4017 . 7016 . 3020 . 5020 . 4

16、023 . 2021 . 1021 . 8020 . 0023 . 8023 . 8024 . 2024 . 4024 . 1022 . 5024 . 1019 . 2020 . 1019 . 6023 . 3018 . 1020 . 9023 . 3022 . 6022 . 2017 . 4319 . 9817 . 4317 . 6919 . 3419 . 620 . 4922 . 6522 . 7818 . 2020 . 4917 . 5618 . 5816 . 9219 . 3419 . 3423 . 1620 . 2321 . 7620 . 6223 . 9323 . 4224 . 4

17、424 . 8223 . 6723 . 0424 . 5619 . 7318 . 9619 . 2222 . 6516 . 9221 . 8922 . 6522 . 6522 . 270 . 43 枝江0 . 12 潜江1 . 17 荆州0 . 69 公安0 . 46 应城0 . 40 孝感0 . 49 天门0 . 25 仙桃0 . 38 汉川0 . 80 汉阳0 . 51 黄陂0 . 84 新州0 . 88 武汉0 . 62 鄂州1 . 16 大冶1 . 06 咸丰0 . 04 宣恩0 . 87 鹤峰0 . 04 来凤0 . 62 石首0 . 13 监利0 . 38 洪湖0 . 24 蒲圻0

18、 . 42 嘉鱼0 . 43 崇阳0 . 54 通城0 . 46 咸宁0 . 53 通山1 . 14 罗田0 . 38 英山0 . 65 浠水1 . 18 黄石0 . 99 蕲春0 . 65 阳新0 . 05 武穴0 . 0723 . 4022 . 5024 . 2024 . 0024 . 1024 . 0022 . 6023 . 5022 . 7025 . 0023 . 6023 . 6022 . 6023 . 5024 . 4020 . 1020 . 1017 . 9022 . 3023 . 9025 . 0019 . 0023 . 5023 . 4021 . 4025 . 0025 .

19、4023 . 6024 . 4023 . 2023 . 4023 . 5023 . 3023 . 0022 . 5023 . 6723 . 0423 . 8024 . 3124 . 3123 . 4221 . 6322 . 9122 . 1425 . 0723 . 2923 . 9322 . 1423 . 6724 . 1819 . 9820 . 2316 . 9220 . 6223 . 9325 . 3319 . 6023 . 9323 . 0420 . 2325 . 2024 . 8223 . 4224 . 1822 . 1423 . 0423 . 9322 . 7823 . 2922 .

20、 140 . 270 . 540 . 400 . 310 . 210 . 580 . 970 . 590 . 560 . 070 . 310 . 330 . 460 . 170 . 220 . 120 . 130 . 981 . 680 . 030 . 330 . 600 . 430 . 361 . 170 . 200 . 580 . 180 . 221 . 060 . 360 . 430 . 520 . 290 . 36图 2湖北省地表温度分布图Fig. 2 Di st ri butio n map of L S T in H ubei Pro vince图 2 为 MOD IS 反演结果得

21、到的湖北省地表温度空间分布图. 经过云检测 , 鄂西北竹溪、竹山、鄂西南约 30N 沿线部分地区和鄂东南黄梅等地区反演温度明显偏低是由于云的覆盖造成的. 统计可知 , 遥感反演的湖北省地表温度平均值为14 . 24 ; 空间分布差别不大 , 97 . 66 %的地区温度在 13 到 27 之间 ,其中 17 、18 、22 、23 、24 的比例均达到了 9 % , 基本符合湖北省 10 月上中旬白天的季节特点.3 . 1 反演结果精度评价Te r ra 卫星在中国的过境时间为上午 10 3012 00 , 本文利用湖北省气象局野外观测站上午11 时

22、观测的地表温度数据对模拟结果进行精度分析. 在 75 个野外站点记录的数据中 , 由于竹溪、竹山、松滋、黄梅 4 个观测站刚好处于云覆盖区域 , 数据缺乏可比性 , 因此采用其它 71 个观测站的数据进行评价 , 如表 1 . 地表实测温度 ( T m ) 和反演结果( T r ) 的平均误差 ( 5) 为 9 n15 = T ri- T mi .( 8)n i = 1分析表明 , 71 个站点的平均误差为 0 . 51 ,反演精度在 0 . 5 以内为 57 . 7 % ,反演精度在 1 . 0 以内为 31 . 0 % ,反演精度在 1 . 2 以内为 9 . 9 % ,反演精

23、度在 1 . 7 以内为 1 . 4 %. 部分站点误差相对较大的原因可能是由于影像像元与地面实测点匹配的不确定性造成的.3 . 2 对真实地表温度的模拟将 71 个站点分别作为拟合和验证数据 , 用实测值和反演温度进行拟合获取回归方程 , 再由反演温度模拟真实地表温度. 根据数理统计原理 , 由计算机随机抽取 56 个观测站点处的反演温度和实测值进行一元线性回归 ( 如图 3) ,拟合结果表明 , 在95 %的置信水平下 ,两者之间一元线性相关性 R2精度 ,如表 2 . 分析发现 ,从整体上看 ,模拟值 ( T s)比反演值更接近实测值 ,平均误差由原来的0 . 53 减小到 0

24、. 43 . 这说明 ,用该一元线性回归方程直接模拟区域内各像元的地表温度 ,相比反演值 ,更接近真实地表温度 ,具有更好的效果.4 结论本文利用基于劈窗算法的地表温度反演算法 ,通过采用 MOD IS 可见光第 1 波段、近红外第2 波段、中红外第 19 波段提取大气透射率和地表比辐射率 , 结合热红外波段的亮温信息 , 反演了湖北省的地表温度 . 结果表明 : 反演精度比较高 ,71 个站点的实测值与反演结果平均误差为0 . 51 ; 可以用实测值和反演温度拟合的一元线性回归方程直接模拟各像

25、元的地表温度 , 能更接近真实地表温度 .图 3 反演温度与实测值的一元线性回归Fig. 3 U na r y linear regre ssio n bet ween ret rievedL S T and mea sured val ue为93 . 7 % ,结果比较理想.利用该线性拟合方程和另外 15 个站点处的反演温度模拟真实地表温度 ,并用实测值来验证模拟表 2 一元线性模拟值与反演值的比较/ Ta b. 2 Co mpa ri so n of simulated a nd ret rieved t emp erat ure / | Tr - Tm | T s - Tm | Tr

27、,避免了对地面气象数据的依赖 ,达到了遥感技术大面积对地表进行资源环境宏观观测的目的. 4 毛克彪 ,覃志豪 ,施建成. 针对 MOD IS 数据的劈窗算法研究J . 武汉大学学报 :信息科学版 ,2005 ,30 ( 8) :7032708 .Becker F , Li Z. To wa r ds a local split wi ndo w met ho d o ver la nd surf ace . Int J Re mo t e Sens ,1990 ,11 ( 3) :3692393 .Yo ra m J Ka uf ma n , Gao Bo2Cai . Re mo t e S

28、en si ng of Wat erVapo r i n t he Nea r IR f ro m EO S/ MOD IS J . I E EE Tra n sac2tio n s o n Geo science a nd Re mo t e Sen si ng , 1992 , 5 ( 30 ) :8712884 .毛克彪 ,覃志豪 ,王建明 ,等. 针对 MOD IS 数据的大气水汽含量及 31 和 32 波段透过率计算 J . 国土资源遥感 , 2005 , 63 ( 1) : 26229 .宋小宁. 基于植被蒸散法的区域缺水遥感监测方法研究 D .中国科学院博士学位研究生论文 ,2

29、004 .毛克彪 , 覃志豪 , 宫鹏. 劈窗算法 L S T 精度评价和参数敏感性分析J . 中国矿业大学学报 ,2005 , 34 ( 3) :3182322 . 5 6 参考文献 : 1 Li Z , Becker F . Fea si bilit y of land surf ace t e mp erat ure a nd e mi ssivit y det er mi natio n f ro m A V H R R dat a J . Re mo t e Sen si ng of Envi ro nment , 1993 ( 43) : 67285 . 2 赵英时. 遥

30、感应用分析原理与方法 M . 北京 : 科学出版社 ,2004 . 3 Qi n Zhi hao , Kar nieli A , Berli ner P . A mo no 2wi ndo w al go2 rit h m fo r ret rievi ng land surf ace t e mp erat ure f ro m L andsat TM dat a a nd it s applicatio n to t he Israel2Egyp t bo r der regio n J . Int J Re mo t e Sen s ,2001 , 22 ( 1

31、8) : 3 71923 746 . 7 8 9 第 1 期许国鹏等 :基于 MOD IS 数据的湖北省地表温度反演研究147Land surface temperature retrieved f romMOD IS data in Hubei ProvinceXU Guop e ng1 ,2 , L I Re ndo ng1 , L IU Kequn3 , Z HA N G Bi ng1 , 2(1 . Instit ute of Geo desy a nd Geop hysics , Chinese Academy of Science s , Wuha n 430077 ;2 . Gr

32、aduate U niver sit y , Chinese Academy of Science s , Beiji ng 100049 ;3 . Wuhan Regio nal Climat e Center , Wuha n 430074)Abstract : L a nd surf ace t e mp erat ure i nfo r matio n ca n be ret rieve d f ro m Re mo t e Se n si ngi ma ge , w hic h i s i mpo r t a nt a nd si gnifica nt to o b se r ve

33、macro scopicall y t he erat hs surf ace st at u a nd ecolo gical a nd e nvi ro nme nt al cha nge . The e ssay ret rieve s t he at mo sp herict ra n smit t a nce a nd t he surf ace e mi ssivit y w hich a re requi red w he n L S T i s calculat e d u2si ng MOD IS i ma ge by sp lit2wi ndo w al go rit h

34、m. The surf ace e mi ssivit y i s calc ulat ed by mea n s of o bt ai ni ng t he wat e r p ure pi x i ndivi duall y i n t hat t he wat er a rea i n H u bei Pro v2i nce ca n no t be i gno red . The n , t he val ue s of L S T i n H ubei Pro vi nce a re de rive d i n t hi s met ho d . The co mpariso n w

35、it h t he gro und synchro nizatio n o bservatio n data shows t hat t he to2tal average erro r is 0. 51 ,t herefore , t he estimated p recisio n is reaso nable quitely.Key words : la nd surf ace t e mp erat ure ; MOD IS ; p reci sio n ; at mo sp heric t ra n smit t a nce ;surf ace e mi ssivit y(上接第 1

36、37 页)The pattern innovat ion of Beijing City competitiveness evolvementand upgra de in the contexts of global izat ionMA Qi ngbi n , W EN H ui( China Center fo r To w n Refo r m a nd Develop ment ,Beijing 100045 ;Re sea rch Center of Eco no my Enviro nment , Chine se Academy of Science s , Beijing 1

37、00085)Abstract : Based o n t he descriptio n of co ncept and evaluatio n met hod of urban co mpetitiveness ,t he paper quantitatively analyses Beijing cit y co mpetitiveness and t he evolvement of indust ry st ruct ure under new indust ry t ype t hro ugh defining t he co ncept of cit y co mpetitiven

38、ess and co nst ructing new evaluatio n met hod , brings forward choo sing t he best pattern to imp roving t he cit y co mpetitiveness of Beijing and gives p ropo sal s o n correlative policy in t he end. It was showed wit h t he data t hat t he urban co mpetitiveness of Beijing f ro m 1995 to 2003 h

39、as beenp ro moted during t he cit y evolutio n p rocess o n a glo bal scale. Yet Beijings urban co mpetitive2ness still has a p rett y big ga Pco mpared wit h ot her equal level cit y. The ratio nalit y of t he envi2 ro nment policy in t he era of glo balizatio n can not be judged by it s st rict ne

40、ss degree ,but be ap2 p raised o n whet her t he enviro nment policy coincide wit h t he level of urban co mpetitiveness. The urban policy2maker s o ught to eit her find t he reaso nable binding site amo ng t he urban de2 velop ment st rategy , t he indust ry policy and t he environment policy or ch

41、oose t he app ropriate de2 velop ment pattern in order to imp ulse t he city to enhance it s competitiveness fleetly , steadily , proportionally and sustainable wit h t he least resources inp ut and t he minimal environmental cost .Key words : glo bal cit y ; cit y co mp etitive ne ss ; p at t e r n

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