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201312基于劈窗模型的MODIS地表温度反演

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物探 地震资料解释 地震处理 反演
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遥感事业部 网址: 技术支持网站: 电话: 010技术支持热线: 400于劈窗 模型 的 表温度反演 版权 声明:本教程 涉及到的数据提供下载, 供练习 使用,禁止 用于商业用途。 目录 基于劈窗模型的 表温度反演 ...................................................................................................................... 1 1. 概述 ....................................................................................................................................................................... 2 2. 详细操作步骤 ....................................................................................................................................................... 2 术流程 ........................................................................................................................................................ 2 键技术 ........................................................................................................................................................ 3 细处理流程 ................................................................................................................................................ 5 第一步:数据打开 ....................................................................................................................................... 5 第二步:辐射定标 ....................................................................................................................................... 5 第三步:几何校正 ....................................................................................................................................... 6 第四步:海表温度反演 ................................................................................................................................ 7 遥感事业部 网址: 技术支持网站: 电话: 010技术支持热线: 400. 概述 陆地表面温度 (是一个重要的地球物理参数。大家比较熟悉的是用卫星遥感数据提取海洋温度 (, 术已较为成熟,可以在全球范围内达到 1 K 的精度。由于陆地表面比海洋表面复杂得多 ,导致陆地表面温度反演的精度较低,陆地表面温度反演成了一个亟待解决的科学难题。 现有的地表温度反演算法大致有以下四种:大气校正法、单通道算法、分裂窗算法和多波段算法。大气校正法和单通道算法需要大气实时剖面数据,单通道算法适用于只有一个热红外波段的数据,如 M /据;劈 窗算法适合于两个热红外波段的数据, 如 波段波段算法适合于多个热红外波段的数据,所需参数多,运算复杂且需要白天晚上两景数据,反演难度较大,就成熟程度而言,多波段算法还在发展之中。到目前为止, 劈 窗 算法是目前发展比较成熟的地表温度遥感反演方法。这一算法需要两个彼 此相邻的热红外波段遥感数据来进行地表温度的反演。 劈 窗 算法主要是针对 热红外通道 4和 5 的数据来推导。在 8 个热红外波段中,第 31 和第 32 波段最接近于 道4 和 5 的波段范围,因而最适用于分裂窗算法。 本 课题主要学习 基于 劈 窗 算法 ,利用 据 反演海水温度, 涉及 据 的 几何 校正、裁剪、和 具使用 。 基于 件 下 操作完成 。 2. 详细 操作 步骤 术 流程 利用 据分裂窗算法反演海表温度技术流程: 遥感事业部 网址: 技术支持网站: 电话: 010技术支持热线: 400 1 技术流程图 注:( 1)按照本流程反演出来的结果是 地上的值可以视为无效值,若要得到正确的陆表温度,需要加入海陆分离的步骤,以及城镇和自然表面的比辐射率计算。 ( 2) 据下载: 网: ,包括传感器定标、地表比辐射率和大气透射率的获取。  传感器定标 将 转换为热辐射强度值,一般成熟的传感器都会提供定标参数,如 。 但是有些国产卫星的定标参数不太精确或者未提供,很多学者就研究出一些定标方法,常用的是交叉定标,即选择成熟的数据作为参考,进行线性回归,常选择的是 据。  地表比辐射率 上述几种方法会用到这个参数,目前也有很多的计算方法,如下几种方法: 1) 比辐射率数据库 +分类 据 几何校正、空间范围裁剪 2、 19波段反射率 31、 32 波段热辐射亮度 辐射定标 大气水汽含量 ω 大气透过率 τ 31、 τ 32 亮度温度 T 31 、 T 32 劈窗算法反演海表温度 水体比辐射率 Ɛ 31 、 Ɛ 32 遥感事业部 网址: 技术支持网站: 电话: 010技术支持热线: 400较常用的是其中一种方法是先对遥感影像进行分类 , 将地表分为不同的覆盖类型 , 再根据实测或者经验值的地物比辐射率给各个地表覆盖类型赋予不同的值 , 从而生成地表比辐射率影像。 根据这个方法的基本原理,学者推演了很多的方法和参数。如 覃志豪 将陆地表面分为三种覆盖类型:水体、居住地(包括城市、乡村、交通等)和自然表面(包括天然陆地表面、林地和农田等)三种覆盖类型,每种地表类型有一个近似或者经验比辐射率值。 目前有很多比辐射率数据库,比较实用的有以下几种方法: 辐射率库: (数据来自 谱数据库) : ) 根据可见光和近红外光谱信息估计 如下为 比辐射率的散点图,得到一个关系式,其中 a 和 b 是跟地表状况有关系常量。 图 2 比辐射率的散点图 3) 综合法 实际上是 值法 (et 2008),这种方法可以看成是一种综合的方法,使用了波谱库、图像分类以及可见光和近红外光谱信息,具体如下: 遥感事业部 网址: 技术支持网站: 电话: 010技术支持热线: 400值法:ε ={a+ b∙ 𝜌𝑟𝑒𝑑, ( a)当 , 该像元就被认为是完全由植被覆盖 , 则此时该像元的地表发射率以植被的典型发射率 值 ; ( c)当 , 该像元被认为是由裸土和植被组成的混合像元 , 其地表发射率计算公式如下 : ε =ε s (1- 其中 ,ε v 是植被比辐射率 ,ε s 是裸土的比辐射率 , 像元中的植被覆盖度 , 即植被构成比例。 当地表较平坦时 略不计。  大气透过率 常用的方法是通过 大气水汽含量和透过率的关系 , 然后通过大气水汽含量来计算透过率 。比如 据就很容易获取大气水汽含量。 对于 据, 在 网 ()上,通过输入经纬度信息可以找到大气透过率参数。 细 处理流程 第一步 : 数据打开 择 件,点击 开。分为三个数据集:热红外数据( 20段),可见光到短波红外的辐射率数据( 126 波段),可见光到短波红外的反射率数据( 126 波段)。 第二步 : 辐射定标 由于 认的设置是对 据进行自动的辐射定标,所以打开的数据即是经过了辐射定标的数据。 遥感事业部 网址: 技术支持网站: 电话: 010技术支持热线: 400 3 打开 2 级数据 第三步 : 几何校正 据是 式,自带有经纬度坐标信息,可自动进行几何校正,分别对热红外数据集和反射率数据集进行自动几何校正。 反射率数据集合校正: ( 1) 打开工具 /择反射率数据集,点击 择大亚湾的大概位置,点击 择 2和 19 波段。点击 遥感事业部 网址: 技术支持网站: 电话: 010技术支持热线: 400 4 选择数据同时选择空间子集和光谱子集 ( 2) 在 板设置为 49 带 。 图 5 板 ( 3) 点击 结果输出面板,设置路径和文件名输出。 热红外数据集几何校正:方法与反射率数据集校正方法一样,选择 31 和 32 两个波段校正。 第四步 : 海表温度反演 本文使用的是《 据反演地表温度的基本参数估计方法 》中分裂窗算法模型进行海表温度反演,旨在学习 的操作流程。 算法为: T s = A 0 + A 1*T 31 - A 2* T 32 ( 1) 其中 : T s 是 地 表 温 度 ( K ) , T 31 和 T 32 分 别 是 M S 第 31 和 32 波段的亮度温度; A 0, A 1 和 A 2 是分裂窗算法的参数,分别定义如下 : A 0 = [ D 32( 1 - D 31) / ( D 32 D 31 ] [ D 31( 1 - D 32) /( D 32 D 31 ] a 32 ( 2) A 1 = 1 + D 31/ ( D 32 D 31 + [ D 32( 1 D 31) / ( D 32 D 31 ] ( 3) A 2 = D 31/ ( D 32 D 31+ [ D 31( 1 - D 32) / ( D 32 D 31] ( 4) 式中, a 31, a 32 和 b 32 是常量 , 根据 波段特征确定 , 在地表温度 0 ~ 5 e 范围内 , 这些常量 分 别 可 取 a 31 = a 32 = 遥感事业部 网址: 技术支持网站: 电话: 010技术支持热线: 400述公式的中间参数分别计算如下 : Ɛ iτ i (ɵ) ( 6) D i = [ 1 -τ i (ɵ)] [ 1 + ( 1 - Ɛ i) τ i (ɵ)] ( 7) 式中 : i 是指 第 31 和 32 波段 , 分别为 i= 31 或 32; τi (ɵ)是视角为 ɵ的大气透过率 ; Ɛ i 是波段 i 的地表比辐射率。 由以上公式可以看出 , 该算法要求卫星遥感器的 31 和 32 波段数据来计算星上亮度温度 , 同时还要求已知大气透过率和地表比辐射率 , 才能进行地表温度的反演。 下面 是详细操作步骤: ( 1) 大气透过率计算 大气透过率 τi (ɵ)是计算地表温度的基本参数 , 通常是通过大气水汽含量来估计。经过前人研究,可以用 2 和 19 波段来反演大气水分含量,然后再根据大气水分含量与大气透过率之间的关系来估计大气透过率。对于 像中的任何一个像元,其可能的大气水分含量用下式估计 ( 8) 式中 : ω 是大气水分含量 ( g *, α和β常量,分别α = β =ρ19 和 ρ2 分别是 19 和 2 波段的地面反射率。 使用 具计算 大气水分含量 : 表达式: (()^2 19 波段反射率 2 波段反射率 大气透过率的计算中,水汽是最主要的考虑因素,毛克彪等将 大气模型模拟出来的两者的关系,应用到 据中,提高了地表温度反演的精度和实时性,本文采用模拟效果较好的指数关系模拟方程,拟合度达到了 上,公式为: τ 31= [ω/( ]} ( 9) τ32= [ω/( ]} ( 10) 式中, ω 是水汽含量 。 使用 具计算 大气 透过率: 31 波段大气透过率表达式: 遥感事业部 网址: 技术支持网站: 电话: 010技术支持热线: 4001:大气水分含量。 32 波段大气透过率表达式: 气水分含量。 ( 2) 地表比 辐射率 的 估算 地表比辐射率主要取决于地表的物质结构,对 说,大致分为水面、城镇和自然表面。对于反演来说,利用混合像元分解的方法,根据植被覆盖率来计算自然表面和城镇的比辐射率, 水体的可以用常量: Ɛ 31 水体 =Ɛ 32 水体 = 有 了这些参数,我们就可以计算 间 参数 , 示式 分别 为: 32=31=(1(1+(1(1+(其中 31 波段大气透过率 32 波段大气透过率 ( 3) 亮度温度 的计算 将图像 定标为 热辐射强度之后 , 可用 数求解出星上亮度温度 , 计算公式如下 : T i = K i 2 / l n ( 1 + K i 1 /I i ) 式中 , K i 1 和 K i 2 是常量,对于第 i = 31 波段 , 分别为 K 31 , 1 = 729 • K 31 , 2 = 对于第 i = 32 波段 , 为 K 32 , 1 = 474 . 6 84780 W•, K 31 , 2 = 1196 . 978785 K。 使用 具计算 31 和 32 的亮温。 31 波段亮温: +31 波段 辐射 亮度值 32 波段亮温: +32 波段辐射 亮度值 ( 4) A 0, A 1 和 A 2 参数计算 接下来 我们计算 A 0, A 1 和 A 2 参数, 达式 分别 为: A 0=1(b4*(1(b4*( 遥感事业部 网址: 技术支持网站: 电话: 010技术支持热线: 400 1=1+ b4*1( b4* 2=b4*1(b4* 中, 2: 3: 4: 5) 温度 计算 把 这些参数带入公式 1 中 计算 温度值 , 达式 为: T s=b0+b1*中 : 数 数 数 温值 温值 如下 为得到的最终地表温度反演结果,单位为摄氏度。 通过 /具 统计 看到 最初 的 结果会有一些 数量 很 少 的异常值, 几十个 像素 , 这些异常值大多是处于影像的边缘 。 如 下图为统计的结果, 小于 像元有 57 个,大于 32 度的 34 个像元。 可以将 这些像 元 处理,如 用 以下 理: 2。 遥感事业部 网址: 技术支持网站: 电话: 010技术支持热线: 400 6 初始 结果统计 图 7 最终 反演结果
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