遥感应用模型-第五章-热红外遥感-地表温度估算模型
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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
大气遥感第五章：大气中的热红外辐射传输
( m )
空间分辨率 (水平/垂直)
视 场 瞬时视角
(度)
mrad
AIRS大气红外探测仪 EOS(美国) 2300;6 3.74-15.4 13.5km-1km 49.5
1.1
用途 大气温度湿度
ASTER高级空间热辐射 热反射探测器
ATSR纵向扫描辐射仪
EOS (美国)
ERS-1 (欧空局)
14
2 (MWR)
ASTER模拟仪器
美国
20
8-12
始于1991年 65或104 2或5.0
云,陆地测量
CIS中国成像光谱仪
DAIS-7915数值式 航空成像光谱仪 DAIS-16115数值式 航空成像光谱仪 GER-63通道扫描仪
ISM红外成像光谱仪
中国 美国 美国 美国 法国
1
3.53-3.94
始于1993年
80
大气不仅是削弱热红外辐射的介质，而且它本身也发射热红外 辐射，有时甚至发射的辐射会超出吸收的部分。
总之，热红外辐射在大气中的传输，是一种漫射辐射在无散射 但有吸收又有发射的介质中的传输。
热红外光谱和温室效应
➢ 地气系统维持辐射平衡状态，吸收太阳辐射的同 时，也向太空发射辐射，地气系统发射的辐射称 为热红外辐射。由能量守恒原理，令 表示地
热红外遥感系统
热红外遥感在海面温度、陆面温度、大气温度、大气 水汽、云顶温度的遥测中具有无可替代的地位。热红外遥 感传感器的发展十分迅速，现在使用和即将投入使用的热 红外传感器达几十种之多。我们把主要的热红外传感器的 有关信息列于下表。
传感器
现在及将来地球观测计划红外传感器概览(星载部分)
卫星/计划 波段数 光谱范围
态分辨仪
空间分辨率 (水平/垂直)
视 场 瞬时视角
(度)
mrad
AIRS大气红外探测仪 EOS(美国) 2300;6 3.74-15.4 13.5km-1km 49.5
1.1
用途 大气温度湿度
ASTER高级空间热辐射 热反射探测器
ATSR纵向扫描辐射仪
EOS (美国)
ERS-1 (欧空局)
14
2 (MWR)
ASTER模拟仪器
美国
20
8-12
始于1991年 65或104 2或5.0
云,陆地测量
CIS中国成像光谱仪
DAIS-7915数值式 航空成像光谱仪 DAIS-16115数值式 航空成像光谱仪 GER-63通道扫描仪
ISM红外成像光谱仪
中国 美国 美国 美国 法国
1
3.53-3.94
始于1993年
80
大气不仅是削弱热红外辐射的介质，而且它本身也发射热红外 辐射，有时甚至发射的辐射会超出吸收的部分。
总之，热红外辐射在大气中的传输，是一种漫射辐射在无散射 但有吸收又有发射的介质中的传输。
热红外光谱和温室效应
➢ 地气系统维持辐射平衡状态，吸收太阳辐射的同 时，也向太空发射辐射，地气系统发射的辐射称 为热红外辐射。由能量守恒原理，令 表示地
热红外遥感系统
热红外遥感在海面温度、陆面温度、大气温度、大气 水汽、云顶温度的遥测中具有无可替代的地位。热红外遥 感传感器的发展十分迅速，现在使用和即将投入使用的热 红外传感器达几十种之多。我们把主要的热红外传感器的 有关信息列于下表。
传感器
现在及将来地球观测计划红外传感器概览(星载部分)
卫星/计划 波段数 光谱范围
态分辨仪
热红外遥感机理及应用
只是温度、波长的函数．与物体的性质无关。
FT E,T
AT
这就是基尔霍夫定律。基尔霍夫定律表明：任何物体的 辐射出射度FT ，和其吸收率 AT 之比都等于同一温度
下的黑体的辐射出射度 E,T
第11页/共125页
（2）Plank定律
B
(T
)
C1
[e 5 C2 /(T )
1]
T
ln[1
K1 K2 / B (T )]
• 4）另外还有定标上的困难以及将测量值校正到 目标真实物理量值；
第4页/共125页
• 5）对复杂地形，如植被（包括森林）、斜地形、 水体、裸土和城市景观的混合系统进行精确评 价表面通量；以及云影响的探测和消除等问题 。
• 植物生长、作物产量、地表水分的蒸发及循环、气候变迁、全球变化以及地质矿 产的开发均与地球热系统状况有着密切的关系，用热红外遥感技术来获取地球热 状况的信息是一个非常重要的手段。
• Where Bi(Ti)
observed radiance
• Bi(Ts) ground radiance
• Ii
radiance
downwell atmospheric
• Ii
radiance
upwell atmospheric
•
i()
transmittance
atmospheric
•
i
gr第o1u8页n/共d12e5页missivity
Atmospheric emissions
I
i
Z 0
Bi
(Tz
)
i
( , z,
z
Z
) dz
I
i
2
FT E,T
AT
这就是基尔霍夫定律。基尔霍夫定律表明：任何物体的 辐射出射度FT ，和其吸收率 AT 之比都等于同一温度
下的黑体的辐射出射度 E,T
第11页/共125页
（2）Plank定律
B
(T
)
C1
[e 5 C2 /(T )
1]
T
ln[1
K1 K2 / B (T )]
• 4）另外还有定标上的困难以及将测量值校正到 目标真实物理量值；
第4页/共125页
• 5）对复杂地形，如植被（包括森林）、斜地形、 水体、裸土和城市景观的混合系统进行精确评 价表面通量；以及云影响的探测和消除等问题 。
• 植物生长、作物产量、地表水分的蒸发及循环、气候变迁、全球变化以及地质矿 产的开发均与地球热系统状况有着密切的关系，用热红外遥感技术来获取地球热 状况的信息是一个非常重要的手段。
• Where Bi(Ti)
observed radiance
• Bi(Ts) ground radiance
• Ii
radiance
downwell atmospheric
• Ii
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upwell atmospheric
•
i()
transmittance
atmospheric
•
i
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Atmospheric emissions
I
i
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Bi
(Tz
)
i
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z
Z
) dz
I
i
2
第五章热红外遥感图像判读
（二）植被判读
白天，绿色植物在图像上一般为冷显示，呈较 暗的色调，而夜间一般为热显示，出现中到亮 灰色调。 但草地的情况则不同，夜间它在热图像上呈暗 色调的冷显示。 干燥的植物，如农作物秸秆等，在夜间的图像 上呈暖色调。 这是因为干燥植物保护了其下面的地面热量， 从而形成暖的夜间显示。
（三）岩石判读
热红外扫描图像的信息特征
一、图像的空间信息特征 （一）投影性质——中心轴线投影 热红外扫描属点扫描式成像：仪器在飞行过程 中依靠扫描镜左右摆动完成一行行扫描线，即 每条扫描线由一系列扫描点构成。 而每一条扫描线都有一个透视中心，这样在一 条航带的飞行轨迹上就有一条由许多透视中心 的连线构成的投影轴线。 因此热红外扫描图像属中心轴线投影。
必须指出，这些图像上所表示的温度是地物的 辐射温度（又叫亮度温度），而不是地物的实 际温度。辐射温度是根据地物辐射能量大小标 定出来的，它等于具有同等辐射能量的黑体的 温度。 地物的辐射温度（T辐）与其实际温度（T实） 的关系为： T辐=ε3/4T实 由于各种地物的发射率都小于1，所以地物的 辐射温度总是低于其实际温度
如上图所示，扫描角（θ ）和瞬时视场 （β）不同。前者是个变量，它取决于扫 描镜摆动的幅度，其所对应的地面宽度 是瞬时视场线度的累积。 但对于某一具体扫描仪而言，它有一个 最大的扫描角或称总扫描角，这是个常 数，其所对应的地面宽度范围即为整个 扫描条带的宽度。
瞬时视场的大小和扫描条带的宽度，还 与航高有关。航高增加，地面分辨力减 小，整个地面覆盖宽度加大。 机下点（或星下点）的瞬时视场线度 D=βH 式中β为瞬时视场角(弧度)，H为航高（m）
2、切线比例尺
热红外遥感图像温度反演
比辐射率，又称发射率，定义为物体在温度T、波长 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
M s (T , ) (T , ) M b (T , )
2.3 真实物体的辐射——比辐射率
典型平均比辐射率 物质 清水 湿雪 人的皮肤 粗冰 健康绿色植被 湿土 沥青混凝土 砖 木 玄武岩 干矿物质 8‐14μm 0.98‐0.99 0.98‐0.99 0.97‐0.99 0.97‐0.98 0.96‐0.99 0.95‐0.98 0.94‐0.97 0.93‐0.94 0.93‐0.94 0.92‐0.96 0.92‐0.94 物质 水泥混凝土 油漆 干植被 干雪 花岗岩 玻璃 粗铁片 光滑金属 铝箔 亮金 典型平均比辐射率 8‐14μm 0.92‐0.94 0.90‐0.96 0.88‐0.94 0.85‐0.90 0.83‐0.87 0.77‐0.81 0.63‐0.70 0.16‐0.21 0.03‐0.07 0.02‐0.03
第三讲 热红外遥感图像温度反演
胡德勇 deyonghu@
《遥感图像处理》课程内容
第一讲 第二讲 第三讲 第四讲 第五讲 第六讲 第七讲 第八讲 概论（遥感数字图像基础） 遥感图像辐射校正 热红外遥感图像温度反演 遥感图像几何纠正 遥感数字图像增强 遥感图像融合 遥感图像模式识别与分类 遥感图像变化检测
2、温度反演的基本原理
2.2 Planck's Radiation Law for Blackbodies
辐射出射度
(w m -2 )
M , T 和辐射亮度L的关系
(w m -2 sr -1 m -1 )
L, T ,
表示为辐射出射度形式：
M , T L( , T , )d L
M s (T , ) (T , ) M b (T , )
2.3 真实物体的辐射——比辐射率
典型平均比辐射率 物质 清水 湿雪 人的皮肤 粗冰 健康绿色植被 湿土 沥青混凝土 砖 木 玄武岩 干矿物质 8‐14μm 0.98‐0.99 0.98‐0.99 0.97‐0.99 0.97‐0.98 0.96‐0.99 0.95‐0.98 0.94‐0.97 0.93‐0.94 0.93‐0.94 0.92‐0.96 0.92‐0.94 物质 水泥混凝土 油漆 干植被 干雪 花岗岩 玻璃 粗铁片 光滑金属 铝箔 亮金 典型平均比辐射率 8‐14μm 0.92‐0.94 0.90‐0.96 0.88‐0.94 0.85‐0.90 0.83‐0.87 0.77‐0.81 0.63‐0.70 0.16‐0.21 0.03‐0.07 0.02‐0.03
第三讲 热红外遥感图像温度反演
胡德勇 deyonghu@
《遥感图像处理》课程内容
第一讲 第二讲 第三讲 第四讲 第五讲 第六讲 第七讲 第八讲 概论（遥感数字图像基础） 遥感图像辐射校正 热红外遥感图像温度反演 遥感图像几何纠正 遥感数字图像增强 遥感图像融合 遥感图像模式识别与分类 遥感图像变化检测
2、温度反演的基本原理
2.2 Planck's Radiation Law for Blackbodies
辐射出射度
(w m -2 )
M , T 和辐射亮度L的关系
(w m -2 sr -1 m -1 )
L, T ,
表示为辐射出射度形式：
M , T L( , T , )d L
地表温度计算模型
3、地表亮温提取亮度温度是遥感器在卫星高度所观测到的热辐射强度相对应的温度。
这一温度包含有大气和地表对热辐射传导的影响, 因而不是真正意义上的地表温度。
但地表温度是根据这一亮度温度来演算而得。
陆地卫星遥感器TM 在设计制造时已考虑到把所接收到的辐射强度转化为相对应的DN 值问题。
因此,对于TM 数据,所接收到的辐射强度与其DN 值有如下关系:L(λ) = Lmin(λ)+( Lmax(λ) -Lmin(λ)) Qdn/Qmax(λ)式中L(入) 为TM遥感器将接收到的辐射强度, Qmax(入)为最大的DN值，即Qmax(入)=255，Qdn 为TM数据的像元灰度值，Lmin(入)和Lmax(入)为TM传感器所接收到的最大和最小辐射强度，即相对应于Qdn =255和Qdn=0时的最大和最小辐射强度。
对于Landsat 5，TM传感器的热波段TM6的中心波长为11.475μm。
发射前预设TM6的常量为Lmin(入) = 0.1238时Qdn= 0；当Lmax(入)= 1.56时，Qdn= 255，因此公式可简化为：L(λ) = 0.1238 + 0.0056322Qdn一旦L(λ)已求得。
所对应的像元亮温可直接用如下模型球算：T6 = K2/㏑(1+K1/L(λ))式中T6为TM6的像元亮温K，K1和K2为发射前设置的常量，对于Landsat 5的TM数据，K1=60.776mWcm-2sr-1μm-1，K2=1260.56K。
遥感技术与应用原理-第5章 遥感图像的目视解译与制图
成像过程
成像方式、探测波段 投影方式、时空因素
目视解译
增强处理、信息提取 逻辑推理、对比分析
遥感图象
大小形状、色调灰阶 畸变失真、成图比例
地表景观
空间结构、时间特点 化学组分、物理属性
遥感图像目标地物识别特征——解译标志
遥感图像上那些能够作为识别、分 析、判断景观地物的影象识别特征
直接解译标志 间接解译标志
• 色调/颜色：灰阶（黑白）或色别与色 阶（彩色），最重要、最直观的解译标志。
• 阴影：遥感图像上光束被地物遮挡而产生的地物的影子； 有时需去除地形起伏引起的部分阴影
• 形状：地物的轮廓在影象平面的投影。需要根据 影象比例尺和分辨率具体分析，注意畸变（雷达、
航片边缘）
大小：地物的尺寸、面积、体积等按比例缩小的相 似记录。根据比例尺在影象上量算.指地物形状，面 积或体积在影像上的尺寸。对于形状相似而难于判 别的两种物体，可以根据大小标志加以区别，如在 航片上判别单轨与双轨铁路。
先易后难是指易识别的地物先确认, 然后根据客观规 律和影像特征不断地进行解译实践, 逐渐积累解译经 验, 取得解译标志，克服各种解译困难的过程。
遥感图像目视解译的一般顺序
“先山区后平原 , 先地表后深部、先整体后局部 , 先宏观后微观, 先图形后线形”等步骤亦属先易后 难的组成部分。
例如, 由于山区基岩裸露, 影像清晰 , 而平原地区平 坦, 影像较为模糊 , 所以前者容易辨识, 后者就比较 困难，况且山区与平原在构造上总有这样那样的牵 连,因此，一方面在解译上可以借鉴, 另一方面又可 用“延续性分析”不断扩展。至于圆形构造、线形 构造 , 在一般情况下, 两者都易于发现。
直接解译标志
• 色调(Tone) • 颜色(Color) • 阴影(Shadow) • 纹理(Texture) • 形状(Shape) • 大小(Size) • 位置(Site) • 图型（样式）(Pattern) • 布局(Association)
遥感之热红外遥感
遥感之热红外遥感前段时间有⼈问到关于热红外遥感的相关内容，发现这⼀部分内容还挺杂的，在这⾥对热红外遥感的⼀些概念以及常⽤的⼀些⽅法进⾏说明。
地表热红外辐射及⽐辐射率的⽅向性问题、温度与⽐辐射率的分离问题、⾮同温像元的分解问题等等，⼀直是热红外遥感中⽐较现实的⼀个难点，因此⽬前很多理论和模型，以及⼀些反演结果的精度在实⽤性上还是有很⼤的差距。
概念⽐辐射率：物体发射能⼒的表征，与物体的表⾯组成以及表⾯状态、介电常数都有密不可分的关系。
物体的发射率和它的反射率之间的关系：反射率越低，其发射率越⾼，如⾦属⽚反射热能，因⽽它的发射率⼏乎为1。
热红波段理论上来讲热红外的波段是在3~14um，但是由于⼤⽓的吸收散射，这个波段范围内的很多波谱区间会被完全散射或吸收，根据测定，常⽤的热红外波段的⼤⽓窗⼝分为3~5um、8~14um。
通常这两个波段的应⽤⽅⾯是按照波段的特点来区分的：8~14um主要⽤于调查⼀般物体的热辐射特性，探测常温下的温度分布、⽬标的温度场、进⾏热制图等。
如地热调查、⼟壤分类等⽐较宏观的⼀些调查信息的提取，但是对于⽕线、⽕点信息不是⾮常的敏感。
3~5um短波红外的热红外谱段，对⽕灾、活⽕⼭等⾼温⽬标的识别敏感，常⽤语捕捉⾼温信息进⾏各类⽕灾、活⽕⼭等⾼温⽬标的识别。
地表温度反演算法地表温度的反演⼀直是关于热红外研究的⼀个热点问题，根据学者们对于热红外的研究成果，常⽤的地表温度反演可以分为⼤致的以下⼏类：单通道法、多通道法、单通道多⾓度法、多通道多⾓度算法等。
单通道法单通道法主要是利⽤传感器的单个通道数据，借助于卫星遥感提供的⼤⽓垂直廓线数据如温度、湿度、压⼒等，结合⼤⽓传输⽅程计算⼤⽓透射率等参数，以修正⼤⽓对⽐辐射率的影响，从⽽得到地表温度，这种算法需要地表辐射率、⼤⽓廓线等参数来去获取地表温度。
多通道法（劈窗法）这⾥的意思是利⽤8~14um波谱范围内的⼤⽓窗⼝，通过对⽐10.5~11.5um、11.5~12.5这两个通道对⼤⽓吸收的不同，通过各种组合来剔除⼤⽓的影像，获取真实的地表辐射率等信息，这种⽅法相对来说⽐较常⽤。
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准确获取这些大气参数（如温度廓线、水汽廓线等 ）非常困难，而且难以保证精度，从而降低了大气 辐射传输模拟的准确性；
海洋表面比较均一，而陆地表面状况比较复杂，对 于目标物的观测所得到的辐射亮度很容易收到周围 环境辐射亮度的影响。现有的热红外遥感地表温度 反演算法大都是需要假设环境辐射已知或者为0，这 样不可避免地增加了观测辐射亮度的误差。
作业
根据劈窗算法，利用MODIS数据求解地表温度反 演模型。
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
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。
直角地温计
传统获取地表温度的做法是采用温度计测量，所 测的结果只代表观测点的局部温度。
遥感可以提供二维陆面温度分布信息并且可以快 速同步地获取大面积区域地表温度。
因此利用卫星数据演算地表温度，探讨卫星热通 道的理论及其实际应用方法，已经成为遥感科学 的一个重要领域。
热红外遥感记录的是地物发射的热辐射能量，具 有不破坏地表热力学状态的特点，用其反演陆面 温度早已被科学家重视
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ห้องสมุดไป่ตู้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。
无论是单窗算法还是劈窗算法，它们都有一个共同 的缺陷，就是只把像元看成同温同质体，反演得到 的陆面温度只是像元的等效温度或平均温度。
无论是在野外还是在实验室，发射率的测定都是热 红外遥感地表温度反演的一个难题。
现有传感器的热红外通道间高度相关，不可能获得 稳定的高精度解，即使增加通道数也无济于事。
第五章 热红外遥感
本章主要内容
地表温度反演模型
地表温度反演模型
地表温度（LST）是地球资源监测和地表生态环境系 统研究的重要指标之一，对水文、生态、环境和生 物地球化学等研究有重要意义。
土壤水分的调查、森林火灾的检测、地热位置的判 别、军事伪装的应用、石油和铀矿的寻找等都离不 开陆地表面温度。
在几大地表时空多变要素中，地表温度是最基本的 参数，大多数遥感模型中都需要地表温度作为输入 参数。
因此，如何获取准确的地表温度是一个值得研究的 问题。
传统的地表温度测量方式主要是利用地表温度计
一般分为地面温度计、直管地温计、曲管地温计 、直角地温表四种类型。
普通直管地温计
数显直管地温计
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。
热红外遥感机理的复杂性。在地表热量平衡方程中 ，除了辐射通量外，还有大气湍流通量、水汽蒸发 通量和土壤热通量的作用项，给获取具有时空代表 性的真实地表温度造成了困难；
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
辐射亮 光谱大气 比辐射率 下行 上行 度值 透过率
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
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 的影响，进行大气和地表比辐射率的修正。
比辐射率计算
在MODIS 1km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。
εw 、 εv 、 εs 分别为水体、植被和裸地的地表比辐 射率，31波段为0.992、0.9844、0.9731；32波段为 0.989、0.9851、0.9832
Pw和Pv分别为水面和植被的构成比例，水体纯像元 时，Pw=1，不为纯水体时Pw=0，Pv按照植被覆盖 率计算。
该算法已经成为MODIS温度产品的官方算法之一 ，在大多数情况下，温度反演的精度可以控制在 1K以内。
MODIS地表温度的劈窗算法
其中：Ts是地表温度，T31、T32分别是MODIS第 31、32通道的亮温。
亮温值计算
大气透过率计算
ρ19 和 ρ2 分 别 是 MODIS 第 19 和第2波段的地面反射率
精确地校正大气影响，包括获取精确的大气透 过率，大气上行辐射亮度和大气下行辐射亮度
获取更精确的地物比辐射率
单窗算法
单窗算法适用于只有一个热波段的遥感数据，主 要用于TM6数据进行地表温度反演。
通常用来从TM6数据中反演地表温度，这一方法 需要估计大气热辐射和大气对地表热辐射传导的 影响，计算过程很复杂，误差也较大，在实际中 应用不多
海洋表面比较均一，而陆地表面状况比较复杂，对 于目标物的观测所得到的辐射亮度很容易收到周围 环境辐射亮度的影响。现有的热红外遥感地表温度 反演算法大都是需要假设环境辐射已知或者为0，这 样不可避免地增加了观测辐射亮度的误差。
作业
根据劈窗算法，利用MODIS数据求解地表温度反 演模型。
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
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。
直角地温计
传统获取地表温度的做法是采用温度计测量，所 测的结果只代表观测点的局部温度。
遥感可以提供二维陆面温度分布信息并且可以快 速同步地获取大面积区域地表温度。
因此利用卫星数据演算地表温度，探讨卫星热通 道的理论及其实际应用方法，已经成为遥感科学 的一个重要领域。
热红外遥感记录的是地物发射的热辐射能量，具 有不破坏地表热力学状态的特点，用其反演陆面 温度早已被科学家重视
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ห้องสมุดไป่ตู้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。
无论是单窗算法还是劈窗算法，它们都有一个共同 的缺陷，就是只把像元看成同温同质体，反演得到 的陆面温度只是像元的等效温度或平均温度。
无论是在野外还是在实验室，发射率的测定都是热 红外遥感地表温度反演的一个难题。
现有传感器的热红外通道间高度相关，不可能获得 稳定的高精度解，即使增加通道数也无济于事。
第五章 热红外遥感
本章主要内容
地表温度反演模型
地表温度反演模型
地表温度（LST）是地球资源监测和地表生态环境系 统研究的重要指标之一，对水文、生态、环境和生 物地球化学等研究有重要意义。
土壤水分的调查、森林火灾的检测、地热位置的判 别、军事伪装的应用、石油和铀矿的寻找等都离不 开陆地表面温度。
在几大地表时空多变要素中，地表温度是最基本的 参数，大多数遥感模型中都需要地表温度作为输入 参数。
因此，如何获取准确的地表温度是一个值得研究的 问题。
传统的地表温度测量方式主要是利用地表温度计
一般分为地面温度计、直管地温计、曲管地温计 、直角地温表四种类型。
普通直管地温计
数显直管地温计
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。
热红外遥感机理的复杂性。在地表热量平衡方程中 ，除了辐射通量外，还有大气湍流通量、水汽蒸发 通量和土壤热通量的作用项，给获取具有时空代表 性的真实地表温度造成了困难；
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
辐射亮 光谱大气 比辐射率 下行 上行 度值 透过率
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
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 的影响，进行大气和地表比辐射率的修正。
比辐射率计算
在MODIS 1km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。
εw 、 εv 、 εs 分别为水体、植被和裸地的地表比辐 射率，31波段为0.992、0.9844、0.9731；32波段为 0.989、0.9851、0.9832
Pw和Pv分别为水面和植被的构成比例，水体纯像元 时，Pw=1，不为纯水体时Pw=0，Pv按照植被覆盖 率计算。
该算法已经成为MODIS温度产品的官方算法之一 ，在大多数情况下，温度反演的精度可以控制在 1K以内。
MODIS地表温度的劈窗算法
其中：Ts是地表温度，T31、T32分别是MODIS第 31、32通道的亮温。
亮温值计算
大气透过率计算
ρ19 和 ρ2 分 别 是 MODIS 第 19 和第2波段的地面反射率
精确地校正大气影响，包括获取精确的大气透 过率，大气上行辐射亮度和大气下行辐射亮度
获取更精确的地物比辐射率
单窗算法
单窗算法适用于只有一个热波段的遥感数据，主 要用于TM6数据进行地表温度反演。
通常用来从TM6数据中反演地表温度，这一方法 需要估计大气热辐射和大气对地表热辐射传导的 影响，计算过程很复杂，误差也较大，在实际中 应用不多