地表温度热红外遥感反演方法(段四波,李召良,范熙伟 著)思维导图
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
热红外图像地表温度反演
3、地表长波辐射传输建模
L o
Fd
B (Ts )
3、地表长波辐射传输建模
在晴朗的大气条件下，热红外波段的散射可 以忽略，到达传感器的波谱辐射亮度可以简 单地表示为路径辐射亮度与地表上行辐射透 过大气到达传感器的亮度之和。
L L
[B (Ts )
(1 )
Fd
1
kT
1
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
对水气连续统一体的吸收还不完全清楚。相对精度 约10%，且没有温度低于280K的有用吸收系数。
测定的或已知的通道比辐射率的精度
T
0.2
~
0.6
大气廓线的精度
地表温度的反演-地表温度反演算法
2.4 Planck's Radiation Law for Blackbodies
普朗克定律的频率表示形式：
Lv,T 2hv3 1
c2 ehv kT 1
普朗克定律的波长表示形式：
L,T
2hc 2
5
ehc
1
kT
1
注意I(ν,T)和I(λ,T)这两个函数具有不同的单位：第一 个函数是描述单位频率间隔内的辐射率，第二个则 是单位波长间隔内的辐射率。因而I(ν,T)和I(λ,T)并不 等价。
处的辐射出射度与同温度、同波长下的黑体辐射出射度 的比值
(T , ) M s (T , ) M b (T , )
2.3 真实物体的辐射
为比辐射率（发射率），由材料性质决定，取值在0-1之间。
岩浆岩的比辐射率
(T , ) M s (T , ) M b (T , )
地表温度与近地表气温热红外遥感反演方法研究
地表温度与近地表气温热红外遥感反演方法研究一、本文概述本文旨在探讨和研究地表温度与近地表气温的热红外遥感反演方法。
随着遥感技术的快速发展，热红外遥感已成为获取地表温度信息的重要手段。
地表温度是地球表面与大气之间热交换过程的关键参数，对于理解地表能量平衡、气候变化、城市热岛效应等具有重要意义。
近地表气温作为地表与大气层之间的重要参数，对气象学、气候学、环境科学等领域的研究也具有重要作用。
本文将首先介绍热红外遥感的基本原理和方法，包括热红外辐射的基础理论、遥感传感器的选择和使用、遥感数据的获取和处理等。
在此基础上，我们将详细阐述地表温度和近地表气温的热红外遥感反演方法，包括遥感图像的预处理、辐射定标、大气校正、温度反演等步骤。
我们还将探讨不同反演方法的优缺点和适用范围，以及在实际应用中可能遇到的问题和解决方案。
本文还将对地表温度和近地表气温热红外遥感反演方法的应用进行综述，包括在气象学、气候学、环境科学、城市规划等领域的应用案例和研究成果。
通过本文的研究，旨在为相关领域的研究人员提供有益的参考和借鉴，推动热红外遥感反演技术的发展和应用。
二、理论框架与基本原理地表温度与近地表气温热红外遥感反演方法研究的理论框架主要基于热红外辐射传输理论、地表能量平衡原理和遥感反演算法。
这些理论共同构成了从卫星或航空遥感平台获取的热红外数据到地表温度或近地表气温的转换过程。
热红外辐射传输理论描述了热红外辐射在大气中的传播和与地表相互作用的过程，是遥感反演地表温度的基础。
地表能量平衡原理则提供了地表与大气之间能量交换的理论依据，是理解地表温度动态变化的关键。
遥感反演算法则是根据热红外数据和大气参数，结合辐射传输模型和地表能量平衡模型，反演出地表温度或近地表气温的方法。
在热红外遥感中，地表和大气发射的热红外辐射包含了丰富的温度信息。
地表温度可以通过测量地表发射的热红外辐射强度，结合大气参数和地表发射率，利用辐射传输方程求解得到。
热红外数据反演地表温度.pptx
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）。
第六章热红外遥感
16
热辐射过程
式中：Lλ为遥感器所接受的波长λ的热辐射强度,Bλ (TS)为地表黑体辐射强度，ελ为波长λ的地表比辐 射率,τOλ为从地面到遥感器的大气透过率,LOλ↑和 LOλ↓分别为波长λ的大气上行热辐射强度和大气下 行热辐射强度。
17
热红外遥感系统
热红外传感器设计原则
预期探测目标在所选择热红外波段具备最强的信号 特征 所探测的遥感信息能最大限度地透过大气到达传感 器
热红外遥感基本原理热红外遥感基本原理物体温度高于绝对零度发射红外能量热辐射能量强度和波谱分布由物质类型和温度决定热红外遥感的实质是对地球热辐射场的研究热红外遥感基本概念热红外遥感基本概念黑体基尔霍夫定律普朗克定律波尔兹曼定律波尔兹曼定律维恩位移定律维恩位移定律比辐射率比辐射率热红外遥感辐射源热红外遥感辐射源太阳与地球的辐射波谱太阳与地球的辐射波谱10e0110e0010e0110e0210e0310e0410e0510e0610e0710e080110100wavelengthsun5800kscaledearthsundistanceearth288knirswirmidirthermalir太阳与地球的辐射波谱太阳与地球的辐射波谱地球热红外辐射地球热红外辐射地球热红外辐射由地表辐射率和地表温度两个因地球热红外辐射由地表辐射率和地表温度两个因素决定素决定地表温度与地表反射率地表热学性质和地表红地表温度与地表反射率地表热学性质和地表红外比辐射率相关外比辐射率相关比辐射率比辐射率黑体是一种理想物体自然界中并不存在这样的物体大多数是灰体
19
热红外传感器波段选择示例
地表温度通常在－45～+45°C 之间,大部分地区平均为 27°C 左右。根据维恩位移定律,地面物体的热辐射峰值 波长在9.26～12.43μm 之间,恰好位于 8～14μm 的大气 窗口内。因此这个谱段区间通常被用来调查地表一般物体 的热辐射特性,探测常温下的温度分布和目标的温度场， 进行热制图等。随温度升高,热辐射谱段峰值波长向短波 方向移动。 对于地表高温目标，如火燃等,其温度达 600K，热辐射谱 段峰值在 4.8μm，位于热红外谱段 3～5μm 的大气窗口 内。所以为了对火灾、活火山等高温目标识别，通常把热 红外遥感波段选择在这个区间内。
遥感应用模型4-温度反演
TM 6 的热传导方程
Ts为地表温度； T6为TM6的亮度温度； τ6为大气透射率， Є6为地表辐射率。 B6(T6)为TM6遥感器所接收到的热辐射强度， B6(Ts)为地表在TM6波段区间内的实际热辐射强度; I6↑和I6↓分别为大气在TM6波段区间内的向上和向下热辐射 强度。
热红外辐射传感器接收的能量主要包括： • 大气削弱后的地表热辐射 • 大气下行辐射的地表反射 • 大气上行辐射
大气热红外传输方程： 第i波段大气上行辐射
Li 0ii Bi (Ts ) Lai 0i (1 i )Lai
第i波段大气透过率 第i波段地表比辐射率
第i波段大气下行辐射
TM单通道算法
覃志豪等针对仅有一个热红外波段的Lands at TM/ETM+数据提 出单通道劈窗算法，这是世界上第一个这种类型的算法。
随后，Jimenez-Munoz and Sobrino也提出一个普适性单通道
算法。
这类方法的提出使长期以来被广泛使用的Landsat卫星数据可 成功应用于地表温度反演。
2004.7.4.晚持续近4小时大暴雨，7.5.上午晴； 土壤含水量较大； 表面光滑使比辐射率降低，干湿土比辐射率差值不大。
不同地物比辐射率观测值（2004.7.6）
7月6日，经过一天太阳暴晒后，土壤表面变干程度加剧。 干土和湿土之间的比辐射率差值增大。 干土之间，由于表面颗粒度不同，粗糙度明显不同，因而比辐射 率也不同。
遥感反演
地表比辐射率 遥感反演方法 ۞NDVI阈值法（地表比辐射率是NDVI的函数），根据可见光红 波段和近红外光谱信息估计。 ۞ 根据热红外光谱仪获取的最小比辐射率与最大相对比辐射率之
差的统计关系来确定。
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()。
利用遥感技术的地表温度反演及时空演变分析
DOI ：10.15913/ki.kjycx.2024.02.047利用遥感技术的地表温度反演及时空演变分析＊胡干新，谢民民（江西理工大学土木与测绘工程学院，江西 赣州 341000）摘 要：随着城市的快速发展，城市热岛效应也越发受到人们的关注。
基于Landsat 系列卫星影像，采用辐射传输方程算法对南昌市地表温度进行反演，并利用均值-标准差法对地表温度进行热岛效应分级研究。
结果表明，南昌市热岛效应的区域面积不断增加，并存在低温区向高温区进行转换的现象；城市内植被和水体的合理布局对热岛效应具有一定的缓解作用，而不透水面的增加会加剧城市热岛效应。
关键词：城市热岛效应；温度反演；热岛分级；不透水面中图分类号：P413 文献标志码：A 文章编号：2095-6835（2024）02-0157-04——————————————————————————＊［基金项目］江西省研究生创新专项资金项目（编号：YC2021-S561）城市热岛效应这一概念的出现，在一定程度上引起了人们对热岛现象的关注。
而热岛效应随着城市的发展越来越明显，对人类的生活影响也越来越显著，更加让人们意识到研究城市热岛效应的重要性。
周淑贞（1990）[1]曾利用上海10年内的气候资料，研究发现人口、建筑物和能源都是城市热岛效应越来越明显的主要影响因素。
但是对于形成热岛效应的影响因素较多、范围较广、方式较为复杂，以至于现今人们对于城市热岛效应的研究只能从单个方面或者几个方面去研究分析。
利用遥感技术研究城市热岛效应，具有获取数据方便、能同时获取研究区域的影像数据等优点，是目前主要的研究手段。
BORNSTEIN ＆LIN （2000）[2]及姚远等（2018）[3]通过研究发现，城市高温热场的存在会在一定程度上增加城市的温度，从而促成全球变暖。
又有中国学者姜允芳和黄静（2022）[4]、王煜等（2021）[5]、何泽能等（2022）[6]通过研究发现，热岛效应会改变城市的一些气候现象，如结霜日数及结霜量[7]。