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  • 2021-04-23 18:29:09

    本发明涉及一种反演方法,尤其涉及一种地表温度多通道热红外遥感反演方法,属于遥感反演技术领域。

    背景技术:

    地表温度是描述区域及全球水热变化的重要物理量,也是驱动陆地与大气之间能量交换的关键因素。精确的地表温度产品不仅能够反映能量平衡状态下地表辐射的时空动态变化信息,而且有助于土壤湿度、大气温度等水热参数的估算,它对研究全球或区域能量平衡、气候变化、环境监测等都具有重要意义,因此地表温度成为了水文学、气象学、气候学等许多研究领域中的一个重要输入参数。热红外卫星遥感技术提供了一种大范围获取地表温度数据的手段,具有传统野外测量方法所不具备的高效、廉价等优势。

    从多通道热红外卫星遥感观测数据中反演地表温度信息在理论上存在一个病态问题,即如果有A个观测通道,根据辐射传输理论可得A个方程,但是却存在A+1未知数(A个通道的发射率+1个地表温度),因此不管采用几个观测通道,方程数总比未知数少一。经过数十年的研究,学者们已经发展出了很多方法来解决这一问题,这些方法在一定的假设条件下,可以准确的从卫星遥感观测数据中反演出地表温度信息,现有的方法大致可分为四类:单通道法、日/夜法、分裂窗法与温度/发射率分离法。其中,单通道法假设精确的大气廓线与地表发射率信息都为已知;日/夜法不需要已知地表发射率信息,但是需要大气廓线的形状信息,并且假设地表发射率在白天和晚上变化不大,另外该方法的精度还受日/夜影像配准误差的影响,并且需要对方程组进行求解,方法较为复杂,不便于推广使用;分裂窗法不需要已知任何大气信息,它可以使用两个相邻的通道去除大气影响,但是地表温度的反演精度受输入的两个通道的发射率精度影响较大;温度/发射率分离法可以准确的对地表温度与发射率进行分离,但是该方法需要精确的大气校正才能保障较高的精度。很明显,这些方法都有各自的优缺点,并且都需要在已知一定先验知识的情况下,才能反演得到精确的地表温度信息。然而,在实际应用环境中,由于可利用的大气廓线等先验知识通常来自基于地面观测数据或基于其它卫星观测数据生产的产品,与热红外卫星观测数据之间不仅存在空间分辨率上的差异,而且大多数情况下还存在获取时间上的不匹配问题,并且这些产品自身也包含一定的不确定性,这些都将严重影响先验知识的精度,进而影响到地表温度与发射率的反演精度。

    技术实现要素:

    为了解决上述技术所存在的不足之处,本发明提供了一种地表温度多通道热红外遥感反演方法。

    为了解决以上技术问题,本发明采用的技术方案是:一种地表温度多通道热红外遥感反演方法,整体步骤为:

    步骤1、获取N个通道的卫星观测亮温;

    步骤2、将N个通道的卫星观测亮温进行排列,得到N*(N-1)组由两个不同通道卫星观测亮温构成的通道排列;

    步骤3、从N*(N-1)组通道排列中选取M组,3≤M≤N*(N-1);对每组通道排列应用SW算法(Split Window Algorithm,分裂窗算法),依次消除每个通道上的大气上行辐射与大气透过率的影响,得到共M个通道的地面观测亮温;

    步骤4、收集所有可用的大气信息,尽可能准确的估算步骤3中M个通道的大气下行辐射亮度;

    步骤5、基于步骤3获取的M个通道的地面观测亮温与步骤4估算的M个通道的大气下行辐射亮度,使用TES算法(Temperature/Emissivity Separation,温度/发射率分离算法)反演得到最终的地表温度与发射率。

    进一步地,步骤3中SW算法利用两个通道星上亮温之间的多项式关系,完成对其中一个通道的大气校正,进而反演得到该通道的地面观测亮温。

    进一步地,步骤3中,反演M个通道的地面观测亮温的具体过程如下:

    步骤301、利用现有大气廓线库、地物发射率库与大气辐射传输模型制作模拟数据集;

    步骤302、针对步骤3中的每组通道排列,基于模拟数据集确定SW算法相应的常数系数;

    步骤303、利用步骤302中获取的SW算法常数系数,反演得到共M个通道的地面观测亮温。

    进一步地,步骤3中反演得到的M个通道的地面观测亮温不能位于9.4~10.0μm的臭氧吸收带内,因为如果落在臭氧吸收带内,则通道观测亮温反映的不是地表的信息;并这M个通道不能全部位于8.0~9.4μm波段范围内,也不能全部位于10.0~14.0μm波段范围内,否则这M个通道上的发射率之间的对比不够明显,不能够建立TES算法所要求的M个通道上发射率之间的一个经验关系。

    进一步地,步骤4中,可用大气信息的精度要求从宽,包括实际观测数据、再分析数据、遥感数据产品、标准大气廓线这些可用信息。

    进一步地,步骤5中TES算法利用不同通道上地表发射率之间存在的经验关系,去掉地面观测亮温中发射率的影响,进而反演得到地表温度。

    本方法利用SW与TES算法优缺点互补的特点,首先从由两个不同通道卫星观测亮温构成的通道排列中选择出M个合适的通道排列;然后在这M个合适的通道排列上应用分裂窗算法,反演得到M个通道的地面观测亮温;最后在这M个通道的地面观测亮温上应用TES算法对地表温度与地表发射率进行分离,反演得到地表温度与发射率信息。

    本发明的有益效果为:提供了一种无需任何辅助信息的地表温度多通道热红外遥感反演方法。该方法可以从多通道热红外卫星遥感观测数据中同时反演得到地表温度与发射率,因而不必像SW算法一样需要已知精确的地表发射率信息来反演地表温度。该方法也不需要像TES算法一样需要已知准确大气先验知识进行大气校正,放宽了现有方法的前提假设条件,使得从多通道热红外卫星遥感数据中反演地表温度与发射率时,不再受先验知识精度的限制。而且该方法不涉及像日/夜方法一样复杂的解方程组的过程,容易进行推广应用。

    具体实施方式

    下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

    实施例一、

    步骤1:获取8.6、9.0、9.2、10.2、10.4、10.6、11.0、11.3和12.5μm处9个通道的卫星观测亮温,这9个卫星通道的半峰宽(Full Width at Half Maximum,FWHM)都应为0.1μm;

    步骤2:利用9个通道的卫星观测亮温,组合得到72组由两个不同通道卫星观测亮温构成的通道排列;

    步骤3:从步骤2中得到的72组通道排列中选取(T8.6μm,T12.5μm)、(T9.0μm,T12.5μm)、(T9.2μm,T12.5μm)、(T10.2μm,T11.3μm)、(T10.4μm,T11.3μm)和(T10.6μm,T11.0μm)这6组,基于模拟数据集,确定每组通道排列应用SW算法时所需要的常数系数,然后反演得到8.6、9.0、9.2、10.2、10.4和10.6μm这6个通道的地面观测亮温;其中,SW算法能够利用两个通道星上亮温之间的多项式关系,完成对其中一个通道的大气校正,进而反演得到该通道的地面观测亮温;

    步骤4:收集实际观测数据、再分析数据、遥感数据产品、标准大气廓线等一切可用的大气信息,根据每个像素的地理位置与获取时间,利用MODTRAN与全球5种典型大气廓线数据,对每个像素的8.6、9.0、9.2、10.2、10.4和10.6μm这6个通道上的大气下行辐射亮度进行估算;

    步骤5:基于步骤3获取的8.6、9.0、9.2、10.2、10.4和10.6μm这6个通道的地面观测亮温与步骤4估算的8.6、9.0、9.2、10.2、10.4和10.6μm这6个通道的大气下行辐射亮度,使用TES算法反演得到地表温度;其中,TES算法能够利用不同通道上地表发射率之间存在的经验关系,去掉地面观测亮温中发射率的影响,进而反演得到地表温度。

    本发明利用8.6、9.0、9.2、10.2、10.4、10.6、11.0、11.3和12.5μm处9个通道的卫星观测亮温,得到(T8.6μm,T12.5μm)、(T9.0μm,T12.5μm)、(T9.2μm,T12.5μm)、(T10.2μm,T11.3μm)、(T10.4μm,T11.3μm)和(T10.6μm,T11.0μm)这6组通道排列,在使用模拟数据对SW算法系数进行确定之后,获得8.6、9.0、9.2、10.2、10.4和10.6μm这6个通道的地面观测亮温,结合所估算的大气下行辐射亮度,最终应用TES算法对地表温度与发射率进行分离。本发明放宽了现有方法的前提假设条件,可以从多通道卫星观测亮温中直接反演得到准确的地表温度与发射率,使得从多通道热红外卫星遥感数据中反演地表温度与发射率时,不再受先验知识精度的限制。

    以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,上述实施方式并非是对本发明的限制,本发明也并不仅限于上述举例,本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换,也均属于本发明的保护范围。本发明中的所使用的观测通道个数及位置不限于8.6、9.0、9.2、10.2、10.4、10.6、11.0、11.3和12.5μm这9个,通道宽度不限于0.1μm,通道组合也不限于(T8.6μm,T12.5μm)、(T9.0μm,T12.5μm)、(T9.2μm,T12.5μm)、(T10.2μm,T11.3μm)、(T10.4μm,T11.3μm)和(T10.6μm,T11.0μm)这6组,采用其他涉及通道组合计算地面观测亮温,进而反演地表温度与发射率的变化均在本发明保护范围内。

    上述实施方式并非是对本发明的限制,本发明也并不仅限于上述举例,本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换,也均属于本发明的保护范围。

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