热红外数据反演地表温度.pptx
遥感应用模型10-地表温度反演模型
大 气 对 热 辐 射 的 衰 减 很 严 重 ， 在 热 红 外 波 段 1012.5um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பைடு நூலகம்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 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
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。
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
热红外辐射定标及地表温度反演研究
分类号密级UDC 编号中国科学院研究生院博士学位论文热红外辐射定标及地表温度反演研究朱利指导教师顾行发研究员中国科学院遥感应用研究所申请学位级别理学博士学科专业名称地图学与地理信息系统论文提交日期 2008-5-10 论文答辩日期2008-6-6培养单位中国科学院遥感应用研究所学位授予单位中国科学院研究生院答辩委员会主席中国科学院遥感应用研究所学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律结果由本人承担。
论文作者签名：日期：年月日学位论文使用授权说明本人完全了解中国科学院遥感应用研究所关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；研究所有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；研究所可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的的前提下，研究所可以公布论文的部分或全部内容。
（保密论文在解密后遵守此规定）论文作者签名：导师签名：日期：年月日摘要摘要为了满足遥感定量化应用需求，需要开展热红外辐射定标研究和地表温度反演研究，这具有重要的意义。
论文以辐射传输模拟为主要手段，通过多场地、多时相场地辐射定标和无场地交叉辐射定标手段，开展高精度热红外辐射定标研究，再对劈窗和单窗通道设置下地表温度反演精度进行论证分析，最后进行海表温度的定量反演和真实性检验研究。
论文主要包括以下四个部分：第一部分：2004年8月至2007年9月在青海湖和达里湖进行了四次同步场地实验，对TERRA星MODIS传感器进行热红外场地辐射定标研究。
研究方法是在卫星过境时利用定标好的红外辐射计CE312测量水体向上的辐亮度，同时进行气象探空观测获取当时当地大气温湿压廓线，探空数据输入到辐射传输模型MODTRAN计算出大气透过率和向上程辐射，从而推算出卫星入瞳处的通道表观辐亮度。
定量遥感课件地表温度反演-最新课件
地表温度的反演-地表温度反演算法
• 单通道多角度法
同一物体从不同角度观测所经过的大气路径不 同而产生不同的大气吸收。 大气的作用可通过单通道在不同角度观测下所 获得的亮温的线性组合来消除。 大量的工作用于研究海水表面温度的反演 只有少量的关于陆面温度反演的研究。（由于 不同角度的地面分辨率不同，以及陆地表面状 况很不均匀和地物类型复杂）
Wan 和 Dozier(1989)把遥测地表温度当作一个地球物理 学的反演问题,通过Lowtran程序进行数值模拟,评价了温度反演 的可行性并提出了合理的波谱段范围,认为通过多波谱同时反演地 表温度和地表比辐射率是可行的。
Wan 和 Dozier(1996)通过大气传输模型进一步模拟计算 指出：1)统计回归的系数与传感器的视角有关；2)为了提高反演 精度，模拟计算回归系数时有必要把大气含水量、大气低层温度 和地表温度考虑进去,而不能在所有的情况下都用相同的系数来反 演地表温度。
MODIS
通道 3 4 5 20 22 23 29 31 32 33
波长范围 (mm) 3.54-3.94 10.32-11.32 11.41-12.38 3.660-3.840 3.929-3.989 4.020-4.080 8.400-8.700
10.780-11.280 11.770-12.270 13.185-13.485
设太阳的影响可忽略：
e T s i B i 1 B iT i R a ti i1 iR a ti
e
i
•大气参数的计算需要知道大气的温度和在通道上大气 吸收体密度的垂直廓线，而且还需知道这些大气吸收体 的物理特性。
地表温度的反演-地表温度反演算法
✓单通道法的精度取决于： ✓ 大气辐射传输模型的精度
Landsat8 TIRS 地表温度反演
热红外遥感（Infrared Remote Sensing）是指传感器工作波段限于红外波段范围之内的遥感。
即利用星载或机载传感器收集、记录地物的热红外信息，并利用这种热红外信息来识别地物和反演地表参数如温度、湿度和热惯量等。
目前有很多的卫星携带了热红外传感器，包括ASTER、AVHRR、MODIS、TM/ETM+/ TIRS等。
目前，地表温度反演算法主要有以下三种：大气校正法（也称为辐射传输方程：Radiative Transfer Equation——RTE）、单通道算法和分裂窗算法。
本实例是基于大气校正法，利用Landsat8 TIRS反演地表温度。
基本原理：首先估计大气对地表热辐射的影响, 然后把这部分大气影响从卫星传感器所观测到的热辐射总量中减去, 从而得到地表热辐射强度, 再把这一热辐射强度转化为相应的地表温度。
具体实现为：卫星传感器接收到的热红外辐射亮度值Lλ由三部分组成：大气向上辐射亮度L↑，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。
卫星传感器接收到的热红外辐射亮度值Lλ的表达式可写为（辐射传输方程）：Lλ = [εB(T S) + (1-ε)L↓]τ+ L↑（1.1）式中，ε为地表比辐射率，T S为地表真实温度(K)，B(T S)为黑体热辐射亮度，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) = [Lλ - L↑- τ(1-ε)L↓]/τε（1.2）T s可以用普朗克公式的函数获取。
T S = K2/ln(K1/ B(T S)+ 1) （1.3）对于TM，K1 =607.76 W/(m2*µm*sr)，K2 =1260.56K。
对于ETM+，K1=666.09 W/(m2*µm*sr)，K2 =1282.71K。
对于TIRS Band10，K1= 774.89 W/(m2*µm*sr)，K2 = 1321.08K。
地表温度反演
地表温度反演目录一：单窗算法 (3)1.1实验原理 (3)1.1.1TM/ETM波段的热辐射传导方程： (3)1.1.2化简后最终的单窗体算法模型为： (3)1.1.3大气平均作用温度Ta的近似估计 (3)1.1.4大气透射率t6的估计 (3)1.1.5地表比辐射率的估计 (4)1.1.6像元亮度温度计算 (4)1.1.7遥感器接收的辐射强度计算 (4)1.2操作步骤 (5)1.2.1研究区示意图 (5)1.3实验结果 (7)1.3.1灰度图像 (7)1.3.2密度分割后图像 (7)二：单通道算法 (8)2.1实验原理 (8)2.1.1单通道算法模型为： (8)2.1.2大气平均作用温度Ta的近似估计 (8)2.1.3大气透射率t6的估计 (8)2.1.5像元亮度温度计算 (8)2.1.6遥感器接收的辐射强度计算 (9)2.2操作步骤 (9)研究区示意图 (9)2.2.1计算L6 (10)2.2.2T6e6的求算 (10)2.2.3计算R (10)2.2.4计算t (10)2.3实验结果 (11)2.3.1温度反演灰度图像 (11)2.3.2密度分割后的图像 (11)三：辐射方程 (12)3.1实验过程 (12)3.1.1数据准备 (12)3.1.2地表比辐射率的估计 (12)3.1.3计算同温度下黑体的辐射亮度值 (12)3.1.4反演地表温度 (13)3.2温度反演结果 (13)一：单窗算法1.1实验原理1.1.1TM/ETM波段的热辐射传导方程：B6(T6)=t6(q)[ ε6B6(Ts)+(1-ε6)I6~]+I6_Ts是地表温度；T6是TM6的亮度温度；t6是大气透射率；ε6是地表辐射率。
B6(T6)表示TM6遥感器所接收到的热辐射强度；B6(Ts)是地表在TM6波段区间内的实际热辐射强度，直接决取于地表温度；I6~和I6_分别是大气在TM6波段区间内的向上和向下热辐射强度。
1.1.2化简后最终的单窗体算法模型计算Ts（地表温度）：Ts={a(1-C-D)+[b(1-C-D)+C+D]T6-DTa}/C式中C6=τ6ε6(ε6为比辐射率，τ6为透射率）D6=(1-τ6)[1+t6(1-ε6)]a =-67.355351，b=0.4586061.1.3大气平均作用温度Ta的近似估计温度换算：T＝t＋273.15本图为9月份拍摄，对于中纬度夏季平均大气Ta=16.0110+0.92621T0取平均气温为25摄氏度时Ta = 312.157531.1.4大气透射率τ6的估计τ6=0.974290-0.08007w，0.4≤w≤1.6。
热红外图像地表温度反演
主要内容
概述 温度反演基本原理 地表长波辐射传输建模 地表温度反演 地表能量与辐射平衡
1、概述——地表长波辐射
地球长波辐射
1、概述——城市热岛
城市热岛 遥感监测
1、概述——城市热环境监测
北京市城区地表温度遥感反演图
1997 2001
2004
1、概述——城市热环境监测
1997年北京城区地表温度等级分布图
•辐射出与观测物体相等的辐射能量的黑体温度 •亮温具有温度的量纲，但不具有温度的物理含义
Tkin 4
Tb4 , Tb
1/
T4 kin
2、温度反演的基本原理
真实温度Tkin
•分子运动温度（Kinetic temperature）、动力学温度 （dynamic temperature） •真实温度不会随着观测角度和观测方向而改变，它是地表能 量平衡结果的真实反映。
热红外遥感的波段选择
max T b
2.7 遥感图像DN与辐亮度的关系
L,T
2hc 2
5
ehc
1
kT
1
(焦耳·秒-1·米-2·球面度- 1·米-1)
其中：
h=6.6261*10-34Js-1, Planck 常数 k=1.3806*10-23JK-1, Boltzmann常数 c= 3.0*108ms-1, 光速 e=2.7183，常数 T, 绝对温度 λ，电磁辐射的波长 L，辐射亮度
主要内容
概述 温度反演基本原理 地表长波辐射传输建模 地表温度反演 地表能量与辐射平衡
2、温度反演的基本原理
自然界任何高于热力学温度的物体都向外辐射具有一 定能量和波长的电磁波；
定量遥感_地表温度反演
可见光J 於L 外朋速大气^正地表真实温度反演魁1地表温度真实分布團Landsat TM 数据数据预处理可见光数据定标 热红外数抿定标工程区矢量数据地表正式温度反演熟红外液段辐射定标大气上行辐射热红外波段辐射亮度值四、具体步骤4.1、打开数据选择后缀为MTL的文件Eriiter Laridsdi MeLdDdt<± -ilendn es«Lang5flt4-1 7M • JOiOuglO导入后截图:3 Avaihbk Bard? list *=^ 回.File OptionsTM OddE T£t?lfFh|.rH4!?maO0t 1 JW1X 讣t9 Qiray Scal«RGB C□>!or■EM栄Mup Inf*同L51210J4_0 2 4201MSL i _HTL tztU TN IUI 削(B wid 1) (0. -labJ)口TN' Heta Osdl 凸(0 &&□□)口TN Ne-tn 3> OQ G5Q3]■- □ TW IU5 CBwid 4) OD 63035--□ TN Neia CBgdl 5J 〔1. G5EDJ-口TN Nftis. Ottj L d 7.) C2 2203)；；l 斷Nltp Txfvad BedridW 也让®^id 63 fLl 4509):1^1211134,Mg 01T1 K 7061 (JJytsJ LBSQJ4.2、数据辐射定标:Q Landsaft Calibration Input FileFile InformationFile ： FALan^at4-5 rM\£010Q910\L51?1034 Diifes ： 61T1 K 7061 x. B Si^: [Md 65,535 bytts Fil« Typ« : Luiditt Mtttctt*Sumnqr Typp ： Linds Tf Byte Order : Hast (Intel)Proj ection : ITU 」50 Hat thFinal: X Me i.ci >Datum ；帕S-&4Wavelength : 0- 4ES to E-茲 MicrcfnetersUpper Left Coa.ii.ei-:1, 1Bescriptioii ： GEOTIFF File Imf ortsd into ENVI LSur. Hw 30 21; 18: 49EOK]. <3E0W - LI METAIATA.FILE, ACQWISITTO1I_IWTE = SMCbDAll,SPACESRAfT_n )= Lands atS, SEESM_ID -TN, SUW_ELSVATION - El.366773^Spitid Sublet Full SctnsSpectral Subset6/6 Bands3K ] C&hcd. | hr ・vimai~| [“如―]Select Iiqyut File ：15121034 03^20100511 MTL. tit ISJ21034 03^01000.11 MTL. txt4.3、裁剪数据:定标后的数据需要进行影像裁剪处理， 选择需要分析的区域。
反演
遥感技术专题——热红外遥感(TM数据反演地表温度，转自邓老师博客)2011-08-14 21:12:55| 分类：RS | 标签：|字号大中小订阅热红外遥感是利用热红外波段研究地球物质特性的技术手段，可以获取地球表面温度，在城市热岛效应、林火监测、旱灾监测等领域有很好的应用价值。
由于热红外遥感涉及知识多而且深，特别是地表温度反演，需要大气传输、几个定律等方面的知识，本文用通俗语言总结了热红外遥感基本原理和方法，能知道热红外遥感怎么回事及简单的应用。
本文主要包括：●基本定义和原理●常见名词●简单应用与温度反演●ENVI下地表温度反演1、基本定义和原理热红外遥感（infrared remote sensing ）是指传感器工作波段限于红外波段范围之内的遥感。
这是一个狭义的定义，只是说明的数据的获取。
另外一个广义的定义是：利用星载或机载传感器收集、记录地物的热红外信息，并利用这种热红外信息来识别地物和反演地表参数如温度、湿度和热惯量等。
热红外遥感的信息源来自物体本身，其基础是：只要其温度超过绝对零度，就会不断发射红外能量，即地表热红外辐射特性。
如下图为黑体的辐射光谱曲线（不同温度下物体辐射能量随波长变化的曲线），常温的地表物体（300K 左右）发射的红外能量主要在大于3μm的中远红外区，即地表热辐射。
热辐射不仅与物质温度的表面状态有关，物质内部组成和温度对热辐射也有影响。
在大气传输过程中，地表热辐射能通过3-5μm和8-14μm 两个窗口，这也是大多数传感器的设计波段范围。
热红外遥感在地表温度反演、城市热岛效应、林火监测、旱灾监测、探矿、探地热，岩溶区探水等领域都有很广的应用前景。
2、常见名词热红外遥感涉及的知识多而且深，下面来了解热红外遥感中几个基本的名词。
●辐射出射度单位时间内，从单位面积上辐射出的辐射能量称为辐射出射度，单位是wm-2●辐射亮度辐射源在某一方向上单位投影表面、单位立体角内的辐射通量，称为辐射亮度(Radiance)，单位是瓦/平方米*微米*球面度()。
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3
• LST信息提 供了地表 能量平衡 状态的时 空变化信 息，同时 也在很多 应用中起 到了重要 作用。
4
• 国际地圈 生物圈计 划（IGBP） 将LST列为 优先测定 的参数之 一
地面测量LST测量方式转变 空间测量
空间测量
？ 陆地表面的强非均质性
地表温度的复杂性
在大气传输过程中，地表热辐射能通过3-5μm和8-14μm两个窗口，这也 是大多数传感器的设计波段范围。 3-5μm和8-14μm两个窗口分别为TIR 和MIR的波段。
ak
的 ●仅考虑地表比辐射率(LSEs) 参
数 化
●考虑LSEs and WV
方 案
●同时考虑LSEs, WV, and VZA
• 多角度法 和SW法原理一致，多角度法在给定的通道的不同
的观测角度上不同的通道长度基于不同的大气 吸收。
Sobrino et al. (1996)提出线性
Sobrino et al.(2004c)提出剔除WV的影响的非线性修正算法
直接评估了卫星传 感器辐射能力和LST 反演算法订正大气 和发射率影响的能 力。
缺点
需要LST有一定的精 度，要求在夜间和
均质的地表。
• R-based
大气RTM使用卫星反演LST，大气廓线和LSEs 作为初始参数模拟TOA辐射
优点
不需要使用地面 LST测量
延伸，并且 可能适用于白天 或夜间
信息，精确的大气廓线和充分考虑对流层影响。
• 多通道法 考虑到单通道法需要已知LSEs、精度高的RTM和
大气廓线，这些需求在实际中很难满足。
由应用于海洋（利用在11和12μm的相邻通道中 的不同大气吸收，所谓的分裂窗（SW）算法， 不需要任何的大气廓线信息）获得SST的方法 推算出得到LST的算法（这些算法假设LSEs在 SW通道是已知的）。
• 逐步获取法 ① LSE是半经验的，取决于大气订正MIR和TIR
辐射估计或者可见光/近红外测量。 ②估计LST，使用任何单一，多通道（SW）或
多角度（双角）3.1节中描述的检索方法。
包括分类：发射型方法（CBEM）、植被指数 发射方法（NBEM）、温度独立光谱指数方 法（TISI）。
• 已知大气信息，同步LST和LSE获取法 包括TTM法，D/N法，GBE法，TES法，ISSTES
射率）和向下的大气辐射 （4）大气订正很难实施 （5）白天，反射的太阳辐射很难去除中红外数据 （6）如何物理的介绍LST测量结果是一个关键问题 （7）验证在传感器的像素尺度上星载测量的LST是一
个挑战性问题。
反演LST的算法
LST算法
• LSEs已知，可以归为三类： • 单通道法，多通道法，多角度法
热红外数据反演地表温度
主要内容
• 背景介绍 • 基础理论背景 • 反演LST的各种算法 • 验证卫星反演LST的三种方法 • 未来发展和展望
背景介绍
LST的重要性
1
• 在地-气过 程中，LST 是长波辐 射和湍流 热通量交 换的直接 驱动力。
2
• 在局地-全 球尺度下， LST是地表 能量和水 分平衡物 理过程中 的重要参 数。
LST的新方 法
• 基于物理模 型从被动微
波数据获得
LSTs和一个 结合了LSTs 和被动微波
卫星数据
基础理论背景
普朗克定律 维恩位移定律
⑴
是黑体的分光辐出度，
是温度T(k)和波长的函数，C1
和C2是物理常数。
⑵
辐射传输方程RTE
⑶
⑷ Θ，ψ分别代表天顶角和方位角
从空间测量LST的困难和问题
（1）从空间测量LST是数学未定的和未解决的 （2）仪器噪声和错误在大气订正中对LST获取的精度
影响很大 （3）在测量的辐射中很难解耦LST、LSE（陆地表面发
缺点
需要大气RTM和 大气廓线和LSEs的 精度
• 交叉验证法
没有大气廓线，地面LST测量和前面两个方法 都不能用的情况下。
优点
验证LST不需要任 何地面测量
可以在LST产品可 靠的前提下适用
于全球任何地方
缺点
两个测量的观测 时间尽可能短变 成同一像素下， 需要同样的观测 天顶角
未来的发展与展望
• LSEs未知，可归为这三类： • 逐步获取法 • 同步获取LSEs和已知大气信息的LST • 同步获取未知大气信息
已知LSEs
• 单通道法 也称为模式发散法，利用卫星传感器单通道得到
的辐射，选择大气窗区，订正大气衰减和发射 后大气辐射。
精度问题？ 缺点：高质量的辐射传输代码，需要已知LSEs的
热红外数据（TIR）通过辐射传输方程和LST联系起来。
为了更好的从局域尺度理解地球系统同时得到高于10%精度的蒸散量数据，LST 的精度要求小于1K。然而直接从TIR光谱区域的辐射发射估计LST是有困难的
因为从卫星上的辐射计来测量辐射不仅依赖于地表参数，同时也有大气影响。 除了辐射计刻度和云量，还需要考虑发射率和大气订正。
法，LECTES法
• LST，LSEs和大气廓线的同步获取 包括ANN法，TSRM
验证卫星反演LST的方法
• 验证是一个独立的评估反演数据不确定性 的过程。没有验证，方法，算法和反演参 数不能使用。
主要包括一下三种方法 • T-based • R-based • 交叉验证法
• T-based
优点
• 多通道法——不同的SW算法 线性分裂窗算法 在两个相邻的TIR通道i,j（11-12.5um）中相对于
温度和波长线性化RTE
非线性分裂窗算法
其中ck和ak等同
ak是系数，取决于响应函数gi,gj和两通道的发射率以 及蒸散量WV和观测角度VZA。
这一方法反演LST的精度取决于如何正确选择ak系数
• 解决方法：一系列的LST模型，在各种天气条件下 都必须发展包括角归一化和时间的标准化等用于生 产长期的、时间规范和角度规范一致的LST产品
• 高光谱TIR 数据分离 LST和LSE的 探索以及大 气廓线或大 气量参与大 气校正的检 索将成为定 量遥感研究 的热点
• 考虑多光谱 和多时段
TIR数据的 结合提取
三种方法的比较
单通道法 • 需要高质量的辐射传输代码，需要已知 LSEs的信息，精确的大气廓线和充分考虑 对流层影响。
多通道法 • 不需要大气廓线数据，不考虑地形影响， LSEs精度对SW算法敏感，且具有很大的 确定性
多角度法 • 无需大气廓线数据，只适用于海水表面温 度反演，不适用陆地
未知LSEs的情况