高分五號熱紅外數據地表溫度反演算法研究.pdf

1、海表溫度（Sea surface temperature，SST）和陸表溫度(Land surface temperature，LST)在地球表面與大氣相互作用過程中發(fā)揮著重要作用。海表溫度對于從根本上了解海洋物化特性、監(jiān)測海洋表面熱狀況變化等研究具有重要意義。陸表溫度是眾多其他研究與應用的基礎，如土壤水分狀況監(jiān)測、地熱位置判別等都離不開陸表溫度的測定。因此對海表和陸表溫度的研究具有很強的現實性。遙感技術是獲取區(qū)域尺度海表和陸表溫度信息

2、的唯一切實可行的手段。
　　隨著遙感技術的迅猛發(fā)展，研究者也越發(fā)重視高分辨率影像的使用。我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項（以下簡稱為高分專項）于2010年5月開展實施。作為高分系列的第五顆衛(wèi)星，高分五號（Gaofen-5，GF-5）衛(wèi)星預計于2017年下半年發(fā)射，其攜帶的全譜段光譜成像儀(Multiplespectral-imager, MSI)具有空間分辨率達40米的熱紅外波段。相比其他中、低空間分辨率數據而言，高空間分辨率熱紅

3、外數據能夠很好的滿足探討城市熱島效應的形成機制、研究海灣水體熱特性、準確監(jiān)測和評價沿海核電站溫排水分布范圍等小區(qū)域精細研究的需求。因此，針對GF-5衛(wèi)星熱紅外數據的地表參數反演算法研究勢在必行。
　　本文旨在為GF-5衛(wèi)星提供海表和陸表溫度反演算法。首先回顧了國內外關于海表和陸表溫度的研究現狀，給出了熱紅外遙感中重要的基本概念和定律，介紹了本研究需使用的相關數據以及模擬數據的生成過程。在此基礎上，從分裂窗算法的發(fā)展機理入手，開展海

4、表和陸表溫度反演算法研究。主要研究內容如下:
　　(1)由于海水在分裂窗通道的比輻射率接近1，因此在發(fā)展海表溫度反演算法時，我們將海水視為比輻射率為1的黑體輻射源。分析分裂窗算法發(fā)展過程中的兩個假設和近似條件[(i)普朗克函數使用泰勒公式線性化，(ii)兩個相鄰通道大氣等效溫度相等(Tai=Taj)]導致的溫度反演誤差。對于普朗克函數線性化的誤差，以輻射傳輸方程為基礎，對普朗克函數采用泰勒公式的二階展開式近似，并經過一定的數理推導

5、，給出普朗克函數線性化誤差的修正公式。
　　對于Tai=Taj這一假設條件的修正，通過分析兩個通道各自的大氣上行輻亮度和大氣透過率計算的Tai和Taj值，發(fā)現二者之間是呈線性關系。如果在分裂窗算法推導過程中使用這種大氣等效溫度之間的線性關系，可以將Tai=Taj這一假設造成的溫度誤差由RMSE=1.74 K降低至RMSE=0.62 K。
　　(2)將普朗克函數線性化誤差修正公式以及大氣等效溫度間的線性關系應用到兩個通道中以推

6、導海表溫度反演算法，并對推導出的算法進行分析簡化，發(fā)現新推導出的算法可以簡化為二次項分裂窗算法。說明在二次項分裂窗算法中，實際上已經包含了普朗克函數泰勒公式的二階展開式和大氣等效溫度間的不等關系。使用二次項分裂窗算法反演海表溫度，可以得到RMSE=0.30K的算法反演誤差。采用歐洲氣象衛(wèi)星組織(European Organisation for the Exploitation ofMeteorological Satellites,

7、EUMETSAT) Ocean and Sea-Ice Satellite Application Facility(OSI-SAF)生產的Matchup Data Set數據集驗證二次項分裂窗算法，結果表明，在衛(wèi)星觀測天頂角小于20°的情況下，二次項分裂窗算法可以用于海表溫度獲取，其算法誤差為RMSE=0.41 K。
　　(3)探究陸表比輻射率對Ts-T與Ti-Tj（Ts表示地表溫度，Ti和Tj分別表示通道i和通道j的星上亮溫）

8、之間二次項關系的影響，研究發(fā)現:隨著兩個通道的平均比輻射率(ε)變小，Ts-Ti與Ti-Tj間的二次項關系被改變了，且這種二次項關系也受兩個通道比輻射率之差(△ε)的影響。當ε=0.90，△ε=-0.02時，二次項分裂窗算法能造成RMSE為1.71 K的誤差。為此，針對ε=0.90，△ε=-0.02的情況，將二次項分裂窗算法中的系數固定為黑體情況下所得的系數，分析算法中常量的變化規(guī)律。結果表明，在低比輻射率情況下，這一常量受大氣水汽含量

9、和大氣近地表氣溫的影響，而大氣水汽含量和近地表氣溫之間又呈近似指數的關系，借助這一指數關系，可以避免使用近地表氣溫這一參數，僅用大氣水汽含量來參數化二次項分裂窗算法中的常量，以此來改進二次項分裂窗算法。利用模擬數據的驗證，結果表明改進后的分裂窗算法誤差為RMSE=0.70 K。對于給定的比輻射率，如ε=0.90，△ε=-0.02，改進后的算法陸表溫度反演誤差為RMSE=0.85 K。
　　(4)借助于ASTER L1B衛(wèi)星數據驗證