温度反演模型
landsat遥感影像地表温度反演教程（大气校正法）
landsat遥感影像地表温度反演教程（⼤⽓校正法）基于辐射传输⽅程的Landsat数据地表温度反演教程⼀、数据准备Landsa 8遥感影像数据⼀景，本教程以重庆市2015年7⽉26⽇的=⾏列号为（128，049）影像（LC81280402016208LGN00）为例。
同时需提前查询影像的基本信息（详见下表）⼆、地表温度反演的总体流程三、具体步骤1、辐射定标地表温度反演主要包括两部分，⼀是对热红外数据，⼆是多光谱数据进⾏辐射定标。
（1）热红外数据辐射定标选择Radiometric Correction/Radiometric Calibration。
在File Selection对话框中，选择数据LC81230322013132LGN02_MTL_Thermal，单击Spectral Subset选择Thermal Infrared1（10.9），打开Radiometric Calibration⾯板。
Scale factor 不能改变，否则后续计算会报错。
保持默认1即可。
（2）多光谱数据辐射定标选择要校正的多光谱数据“LC81230322013132LGN02_MTL_MultiSpectral”进⾏辐射定标。
因为后续需要对多光谱数据进⾏⼤⽓校正，可直接单击Apply Flaash Settings，如下图。
注意与热红外数据辐射定标是的差别，设置后Scale factor值为0.1。
2、⼤⽓校正本教程选择Flaash 校正法。
FLAASH Atmospheric Correction，双击此⼯具，打开辐射定标的数据，进⾏相关的参数设置进⾏⼤⽓校正。
注意：如果在多光谱数据辐射定标时Scale factor值忘记设置，可在本步骤中打开辐射定标数时设置single scale faceor 值为0.1，若已设置，则默认值为1即可。
1)Input Radiance Image：打开辐射定标结果数据；2)设置输出反射率的路径，由于定标时候；3)设置输出FLAASH校正⽂件的路径，最优状态：路径所在磁盘空间⾜够⼤；4)中⼼点经纬度Scene Center Location：⾃动获取；5)选择传感器类型：Landsat-8 OLI；其对应的传感器⾼度以及影像数据的分辨率⾃动读取；6) 设置研究区域的地⾯⾼程数据；7)影像⽣成时的飞⾏过境时间：在layer manager中的Lc8数据图层右键选择View Metadata，浏览time字段获取成像时间；注：也可以从元⽂件“LC81230322013132LGN02_MTL.txt”中找到，具体名称：DATE_ACQUIRED = 2013-05-12；SCENE_CENTER_TIME = 02:55:26.6336980Z；8) ⼤⽓模型参数选择：Sub-Arctic Summer（根据成像时间和纬度信息选择）；9) ⽓溶胶模型Aerosol Model：Urban，⽓溶胶反演⽅法Aerosol Retrieval：2-band（K-T）；10) 其他参数按照默认设置即可。
遥感应用模型4-温度反演
园霜冻情况和霜冻受害面积等。
一、地表温度反演的理论基础
1 辐射定律
地表温度的遥感反演涉及热辐射定律、黑体辐射定律以及大气 热红外辐射传输。 主要基础——普朗克函数。 普朗克函数——描述物体的辐射亮度与其温度的关系。
一、地表温度反演的理论基础
测定地表温度。
根据维恩位移定律：
地球（环境温度300K）最大出射辐射的波长为9.66μm。
太阳（表面温度6000K）出射辐射0.17～4um，最大波长0.48um。
下图——热红外波段(8－13um )的大气总体透过率；
最重要的大气窗口位于8.0－9.4um和10-13um处。
主要的温度遥感反演数据源
一、地表温度反演的理论基础
B 普朗克定律 非黑体描述： （3）
B(λ, T)是非黑体的波谱辐射亮度（单位Wm-2μm-1sr-1）； ε（λ）是物体在波长λ处的波谱比辐射率； 波谱比辐射率——物体在某波长处辐射出射度与同温下黑体 辐射出射度的比值。 自然界地物——多数并非黑体，波谱比辐射率介于0和1之间。
Contents
1
概述
2
地表温度反演——已知比辐射率
3
地表温度反演——未知比辐射率
4
温度反演应用实例
1
概述
地表温度——区域和全球尺度上陆地表面物理过程的一个关键参数； 地球表面能量平衡和温室效应的良好指示计；综合了地气间相互作 用的结果，在各领域有着广泛的应用。
۞ 精确的北极冰雪表面温度对提高极地热量收支估算精度及加深其
物体辐射能量的外部表征形式，也称表征温度; 用热传感器来探测。
亮度温度： 辐射出与观测物体相等的辐射能量的黑体的温度。 对于黑体：
landsat5地表温度反演步骤
landsat5地表温度反演步骤
Landsat 5地表温度反演步骤如下：
1. 获取Landsat 5卫星遥感数据：从美国地质调查局(USGS)或其他相关机构获取相应的Landsat 5地表温度遥感数据。
2. 辐射校正：对遥感数据进行辐射校正，将数字计数值转换为辐射亮度。
3. 大气透过率校正：通过大气透过率模型校正遥感数据，去除大气影响。
4. 辐射温度计算：根据温度-辐射关系模型，将辐射亮度转换为辐射温度。
5. 地表辐射温度计算：考虑地表辐射率、植被覆盖、水汽含量等因素，将辐射温度转换为地表温度。
6. 数据剔除和补全：根据质量控制指标剔除无效数据，并进行缺失数据的补全。
7. 结果验证与分析：对反演结果进行验证和分析，与实地观测数据进行比较，并考虑地形、土壤类型等因素对结果进行解释和讨论。
8. 结果输出和应用：将地表温度反演结果输出为栅格数据或矢量数据，用于环境监测、气候研究、农业生产等应用领域。
需要注意的是，地表温度反演是一个复杂的过程，需要综合考虑多个因素，如大气状况、地表材料、遥感数据质量等，以确保反演结果的准确性和可靠性。
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。
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；
遥感应用模型10 地表温度反演模型
?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 光谱大气 比辐射率 下行 上行
度值
透过率Leabharlann ?因此，若想获得较精确的反演温度，必须考虑 3部 分：
?将DN值精确地转换为辐射亮度值
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 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。
?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 Lg与相同温度下黑体 的辐射亮度 Lb的比值称为物体的 比辐射率 ?，用它 来表征物体的发射本领。
? 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。
地表物质的热学性质及地表温度的反演
(1)
太阳的中红外辐射受大气衰减比较严重，如何找到一
个合理的方法或模型来估算太阳辐射对第三通道的中红外波段的
贡献；
(2)
地表在第三通道的中红外波段的双向反射率特性比第
四、五通道更强烈，有必要做更多的野外实测和理论工作以建立
地表在第三通道的双向反射率模型。
Gillespie et al.(1986,1987)也讨论了把地表比辐射率 和地表温度对辐射测量的影响分离开的问题。
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
陆面温度的遥感反演
•如何获得表面比辐射率？
√ 根据室内、外测量 ➢ 波谱辐射仪 ➢ 辐射仪结合CO2激光仪（主动与被动结合） ➢ 黑箱子 需要假定表面温度和比辐射率在测量过程中不变
√ 从卫星上测定 ➢ 根据可见光和近红外光谱信息的统计关系(NDVI/e) ➢ 根据热红外光谱仪里最小e和在最大相对比辐射率 之差的统计关系 ➢ 利用多时相数据假定： eday = enight 或 eday1 = eday2
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）
地表温度遥感反演模型改进及其在城市规划中的应用思考
地表温度遥感反演模型改进及其在城市规划中的应用思考地表温度是指地表各点的温度值，它是地球能量平衡过程中重要的参数之一。
传统的地表温度观测方法包括气象站点观测和陆地表面观测，然而这些方法在时间和空间上存在一定的局限性。
近年来，利用遥感技术对地表温度进行反演成为一种重要的手段。
本文将通过改进地表温度遥感反演模型，并探讨其在城市规划中的应用思考。
首先，地表温度遥感反演模型的改进对于提高反演精度具有重要意义。
目前，一般采用黑体辐射模型和亮温-温度关系模型进行地表温度的反演。
然而，这些模型在复杂地表条件下存在一定的局限性，如城市地表由于城市热岛效应等因素造成的温度变化较大。
因此，我们可以通过引入辅助因子来改进地表温度遥感反演模型。
例如，可以利用土地利用/覆盖类型（Land Use/Cover Types，LULC）数据、高程数据和气象数据等，结合多源数据构建地表温度反演模型。
这样可以综合考虑不同因素对地表温度的影响，提高反演模型的准确性和稳定性。
其次，地表温度遥感反演模型在城市规划中有着广泛的应用前景。
城市规划是指通过合理的布局和设计，以实现城市的可持续发展和人民生活质量的提升。
地表温度作为城市热环境的重要参数，对城市规划具有重要的指导意义。
首先，地表温度反演模型可以为城市规划提供科学依据。
通过对地表温度的反演和分析，可以揭示城市热岛效应的空间分布特征，为城市规划提供热环境指导。
其次，地表温度反演模型可以辅助城市热环境评价。
通过对地表温度的反演和分析，可以评估城市热环境的状况，为城市规划和城市管理部门提供决策支持。
再次，地表温度反演模型可以为城市热环境治理提供科学依据。
通过对地表温度的反演和分析，可以研究城市热岛效应的形成机制，制定相应的治理措施，以改善城市热环境。
然而，地表温度遥感反演模型在应用过程中还面临一些挑战和问题。
首先，地表温度遥感反演模型对数据质量要求较高。
由于遥感数据本身具有一定的噪声和误差，因此对遥感数据进行预处理和校正是必不可少的。
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1.地表温度反演模型概述
地表温度反演模型概述 大气校正法地表温度反演原理
2.反演流程介绍
3.详细处理过程
图像辐射定标和大气校正
地表比辐射率计算
黑体辐射亮度与地表温度计算
1.地表温度反演模型概述
随着城市化进程的不断加速，城市热岛效应 表现的尤为突出。地表温度作为城市热岛效 应、地球环境分析的重要指标，而遥感技术 作为现代重要的对地观测手段，使得基于遥 感图像的地表温度反演的研究越来越多。地 表温度反演方法有很多，如：大气校正法， 单窗算法，单通道法等等。本专题主要采用 Landsat8 TIRS数据，运用辐射传输方程法 （大气校正法）对地表温度进行反演。
地面的真实辐射亮度为同温度黑体的辐射亮度值 LT与地物发射率ε的乘积ε·LT。
即，大气校正法的表达式可写为：
Lλ = [εB(TS) + (1-ε)L↓]τ + L↑ （1） 这里，T为地表真实温度，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LT为：
B(TS) = [Lλ - L↑- τ(1-ε)L↓]/τε（2）
其中，b1： 同温度下的 黑体辐射亮 度图像
地表温度图像
在图层管理器（Layer Manager）中的地表温度 图像图层，右键选择 Raster Color Slices。将温 度划分为四个区间：
地表温度图
反演结果分析和验证
在北京天气后报网站上查询2013年 10月3日的天气预报
提示：缺少同步温度测量数据用于验证反演结果，查询2013年10 月3号北京市最低气温为10°，最高气温为22°。本示例反演结 果大部分在这个区间内，反演结果有一定的参考价值。
大气剖面信息
大气在热红外波段的透过 率τ：0.90 大气向上辐射亮度 L↑：0.75 W/(m2· sr·μm) 大气向下辐射亮辐射亮度 L↓：1.29W/(m2·sr·μm)
黑体辐射亮度
根据公式（2）在Band math计算同温度下黑体辐 射亮度
黑体在红外波段的辐射亮度图
地表温度
根据公式（3）在Band math中计算地表温 度
band10辐射亮度图像
OLI大气校正
1）数据准备
2）输入参数
地表比辐射率计算
TIRS的Band10热红外波段与TM/ETM+ 6热红外 波段具有近似的波普范围，本专题采用 TM/ETM+6相同的地表比辐射率计算方法。使 用Sobrino提出的NDVI阈值法计算地表比辐 射率：
ε=0.004Pv+0.986
thank you！
谢谢批评指教
大气校正法
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：
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↑，大气向下辐射到 达地面后反射的能量L↓，以及地面的真实辐射亮 度经过大气层之后到达卫星传感器的能量。
打开Toolbox → Spectral → Vegetation → NDVI
植被覆盖度
根据公式（5）在 Bandmath中计算植被覆盖 度
其中，b1：NDVI
地表比辐射率计算
根据公式（4）在 Band math 中计算地表比辐射率
其中，b1：植 被覆盖度图像
地表比辐射率图像
黑体辐射亮度和地表温度计算
（4）
其中，Pv是植被覆盖度，用以下公式计算：
Pv=[(NDVI-NDVISoil)／(DVIVeg-NDVISoil)] （5）
其中，NDVI为归一化植被指数，NDVISoil为完全是 裸土或无植被覆盖区域的NDVI值，NDVIVeg则代表 完全被植被所覆盖的像元的NDVI值，即纯植被像 元的NDVI值。取经验值NDVIVeg= 0.70和NDVISoil = 0.05，即当某个像元的NDVI大于0.70时，Pv取值 为1；当NDVI小于0.05，Pv取值为0。
Ts可以用普朗克公式的函数获取。
TS = K2/ln(K1/ B(TS)+ 1)
（3）
对 于 TIRS Band10 ， K1= 774.89 W/(m2*µm*sr) ， K2 = 1321.08K
反演流程
图像辐射定标和大气校正
辐射定标
用ENVI打开
打开Toolbox → Radiometric correction→ Radiometric Calibration