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【word】 利用环境一号卫星热红外通道反演太湖流域地表温度的3种方法比较

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【word】 利用环境一号卫星热红外通道反演太湖流域地表温度的3种方法比较【word】 利用环境一号卫星热红外通道反演太湖流域地表温度的3种方法比较 利用环境一号卫星热红外通道反演太湖流 域地表温度的3种方法比较 生态与农村环境2011,27(2):100—104 JournalofEcologyandRuralEnvironment 利用环境一号卫星热红外通道反演太湖流域 地表温度的3种方法比较 孙俊,张慧洲,王桥,沈渭寿,孙明(1.南京信息工程大学遥感学院,江苏南京210044;2.环 境保护部南京环境科学研究所,江苏南京210042;3.环境保护部环境卫星应用中心,北京10002...
【word】 利用环境一号卫星热红外通道反演太湖流域地表温度的3种方法比较
【word】 利用环境一号卫星热红外通道反演太湖流域地表温度的3种比较 利用环境一号卫星热红外通道反演太湖流 域地表温度的3种方法比较 生态与农村环境2011,27(2):100—104 JournalofEcologyandRuralEnvironment 利用环境一号卫星热红外通道反演太湖流域 地表温度的3种方法比较 孙俊,张慧洲,王桥,沈渭寿,孙明(1.南京信息工程大学遥感学院,江苏南京210044;2.环 境保护部南京环境科学研究所,江苏南京210042;3.环境保护部环境卫星应用中心,北京100029) 摘要:利用太湖流域2010年3月26日过境的1景环境一号卫星热红外数据(轨道号为451/77),根据同步modis 数据反演大气水汽含量参数,分别利用覃志豪单窗算法,普适性单通道算法,基于影像的Artis反演算法反演太湖 流域地表温度,通过与同期的MOD1LL2级modis温度产品进行对比,探寻适合于环境卫星热红外通道反演 地表温度的方法,以达到对环境一号卫星热红外数据定量化应用示范的目的.结果表明,相比其他算法,普适性 单通道算法精度较高,与modis温度产品温差较小,为+1.23K,而环境一号卫星过境时间与modis温度产品时差 为39min,因此该方法的反演精度可以接受. 关键词:环境一号卫星;地表温度;单窗算法;太湖流域 中图分类号:X87文献标志码:A文章编 号:1673—4831(2011)02—0100—05 ThreeMethodsforInvertingLandSurfaceTemperatureoftheTalhuLakeBasinUsingHJ-1SatelliteThermal InfraredChanne1.SUNJun,ZHANGHui,WANGQiao,SHENWei—shou, SUNMing(1.SchoolofRemoteSens. ing,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China;2.NanjingInstituteofEnviron- mentalSciences,MinistryofEnvironmentalProtection,Nanjing210042,China;3.ChinaCenterofEnvironmentalSatel— liteDataandApplication,MinistryofEnvironmentalProtection,Beijing100029,China) Abstract:BasedonthethermalinfraredimagesoftheTaihuLakeBasintakenbytheHJ一1satelliteonMarch26,2010, atmosphericmoisturecontentwasinveaedusingthesynchronousmodisdataandlandSurfacetemperature(LST)wasin— veaedwithmono—windowalgorithm(Qin,2001),generalizedsingle—cha nnelalgorithm(Jimenez—Munoz&Sobrino, 2003)andimage—basedArtisinversionalgorithm(Artis&Carnahan,1982),separatelyforcomparisonwiththetempera— tareproductofmodisofGradeMODI1一 lJ2,SOastoexploresuitablemethodforinversionofsurfacetemperatureusingthe HJ一 c1satellitethermalinfraredchanne1.Resultsshowthatthegeneralizedsingle— hannelalgorithmismoreprecisethanthe othersanditsresultsdifferslightlyfromthemodistemperatureproduct,being 1.23Konaverage.Moreover,theoverhead timeofthesatelliteisonly39minutesdifferentfromthetimeofthemodisLSTproduct.Therefore,theuseofthegenerM— izedsingle—channelalgorithmforinversioniSacceptableinaccuracy. Keywords:HJ一 1satellite;landsurfacetemperature(LST);mono—windowalgorithm;TaihuL akeBasin 为了加强环境保护和抗灾减灾能力,我国于 2008年9月发射了环境一号光学小卫星HJ一1A和 HJ一1B.2颗卫星上均装载有宽覆盖多光谱可见光 相机(CCD),多光谱可见光相机有4个波段,波段设 置与LandsatTM5前4个波段基本相同,分辨率为 30m(表1),2星组网观测宽度可达720km,形成2 d1个周期的观测能力.超光谱成像仪(HSI)装载 在?.1A卫星上,幅宽为50km,谱段范围为 0.459,0.956Ixm,共115个谱段,平均光谱分辨率 为4nm,地面分辨率为1001TI,重访周期为4d.红 外相机(IRS)装载在HJ.1B卫星上,观测模式为星 下点垂直观测,相机内设4个谱段,其中长波红外波 段(10.5,12.5m)对热特性敏感,可用来记录地 表的发热特性,星下点空间分辨率为300m(表1), 重访周期为4d.环境一号卫星具有重访能力强,分 辨率高的特点,可为环境和灾害的大范围动态监测 提供良好的数据源. 地表温度的区域分布特征对于气候变化,植被 收稿日期:2010—09—15 基金项目:”十一五”国家科技支撑计划重点项目(2008BAC34B07— 03,2008BAC34B01—2);国家水体污染控制与治理科技重大专项 (2008ZX07528—005) ?通信作者E-mail:zhnies@126.coin 第2期孙俊等:利用环境一号卫星热红外通道反演太湖流域地表温度的3种方法比较 生态,环境监测和城市热岛效应等研究领域具有重 要的应用价值.地表温度又是地表通量(包括显 热,潜热和CO,等通量),土壤水分含量,作物估产 和作物缺水状况监测等遥感模型中的重要输入参 数?.传统获取地表温度的做法是采用温度计测 量,所测结果只代表观测点的局部温度,唯有遥感可 以提供二维陆地表面温度分布信息,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. 表1多光谱可见光相机和红外相机的波谱范围 Table1SpectralrangeofCCDandIRS 0.43,0.5230 0.52,O.6O30 O.63,O.6930 O.76,0.9O30 0.75,1.1O150 1.55,1.7515O 0.45,0.52 O.52,06O O.63,O.69 O.76,0.90 3O 30 30 30 1.55,1.7530 2.08,2.3530 3.50,3.9015O 10.50,12.50300l0.40,】2.50120 近20a来,热红外遥感技术飞速发展,为快速 获取区域地表温度空问差异信息提供了新的途径, 目前已经开发了很多实用的地表温度遥感反演方 法,如热辐射传输方程法,劈窗算法,单窗算法和多 通道算法.环境卫星仅有1个长波红外(10.5, l2.5m)波段,一般只能采用单通道算法来反演地 表温度.目前,利用单通道数据反演地表温度的算 法主要有3种,即覃志豪等提出的单窗算法, JIMENEZ—MUNOZ等提出的普适性单通道算法, 传统的辐射传导方程法(大气校正法),辐射传导方 程因需要实时大气廓线数据,而该数据一般很难获 取,计算过程较为复杂,实际应用起来比较困难,因 此选用此种方法进行反演的人偏少. 南表1可以发现,环境一号卫星和TM的热红 外波段范围非常相近,而且都只有1个热红外通道, 因此可以考虑借鉴TM的地表温度反演算法来对环 境卫星热红外通道进行反演.笔者分别利用覃志豪 的单窗算法,JIMENEZ—MUNOZ等提出的普适性单 通道算法,基于影像的Artis反演算法反演研究区 域地表温度,并通过与modis温度产品对比,得出适 用于环境一号卫星反演地表温度的算法. 1研究区域概况 太湖流域面积约为36900km,行政区划包括 江苏省南部地区,浙江省的嘉兴,湖州2市及杭州市 的一部分,上海市的大部分(崇明县除外).太湖流 域属于我国东部沿海经济较发达地区,白改革开放 以来工业化发展迅速,成为全国流动人口的主要集 中区,同时城市扩张速度也较快. 太湖流域以平原为主,占总面积的2/3,水域占 1/6,其余为丘陵和山地.流域属湿润的北亚热带季 风气候区,具有明显的季风特征,四季分明.冬季有 冷空气入侵,多偏北风,寒冷干燥;春夏之交,暖湿气 流北上,冷暖气流遭遇形成持续阴雨,称为”梅雨”, 易引起洪涝灾害;盛夏受副热带高压控制,天气晴 热,常受热带风暴和台风影响,形成暴雨狂风的灾害 天气 2数据处理与计算方法 使用的遥感数据包括2010年3月26日在太湖 流域成像的1景环境卫星红外遥感影像数据(轨道 号为451/77),1景modis遥感数据和1景MOD11一 L2级modis温度产品. 2.1数据预处理 首先根据已有的经过几何精校正的TM数据对 环境卫星IRS数据进行几何校正,将几何误差控制 在1个像元内;modis数据利用ENVI软件自带的 GEOREFERENCEMODIS模块进行几何校正,去除 蝴蝶结效应;利用太湖流域矢量边界数据裁剪遥感 数据,只保留研究区域. 2.1.1辐射定标 根据环境卫星热红外数据头文件提供的信息, 利用绝对定标系数将灰度值(digitalnumber,DN)图 像转换为辐亮度图像,其公式为: = (ND—b)/g(1) 式(1)中,为辐亮度,W?m,?sr,?m,;N.为 灰度值;6为偏移量,取值,44.598;g为绝对定标系 数增益,根据环境卫星热红外数据头文件,取 值61.472. 2.1.2亮温计算 在由式(1)计算得到辐亮度的基础上,可以直 接用Plank辐射函数根据热红外遥感数据计算其所 对应的像元亮温,或者使用近似公式(2),(4) 求算: (2) 外外矽矽矽外蓝绿红红红娃娃娃红芝碰胜臌臌臌 南 = ? 102?生态与农村环境第27卷 K1=2hcA(3) K2=hckA一(4) 式(2),(4)中,为亮温,K;L为辐亮度,w? m..?sr,?Ixm,;h为普朗克常量;c为真空中的 光速;A为波长;为玻尔兹曼常量.参照文献[8], 得到环境卫星热红外通道的有效波长为11.511 txm,据此求得中间变量K=1249.91W?131一? sr..?Ixm,,K2Im589.33K. 2.2环境卫星热红外通道反演地表温度的3种 方法 2.2.1覃志豪单窗算法 覃志豪等根据地表热辐射传导方程,通过一 系列假设,建立了适用于LandsatTM第6波段(即 热红外通道)的反演方法,由于该方法适用于仅有1 个热红外通道的遥感数据,故称为单窗算法.该算 法的优点在于仅需要3个基本参数:地表比辐射率, 大气透过率和大气平均作用温度,地表比辐射率与 地表构成直接相关;大气透过率和大气平均作用温 度这2个参数可以根据实时大气廓线数据计算,也 可以根据近地面空气湿度和气温的观测值来估 计[9].由于环境卫星与TM的热红外波段范围大致 一 致,区别仅在于两者的有效波长不同,主要体现在 亮温的计算,而其他算法参数不需改变,故该算法可 以直接应用于环境卫星反演地表温度.覃志豪单窗 算法的主要参数包括大气平均作用温度,地表比 辐射率和大气总透射率r. (1)大气平均作用温度 由于没有实时大气剖面数据,可根据中纬度 冬季平均大气温度推导得出: = 19.27040+0.91118ro(5) 式(5)中,为大气平均作用温度,K;ro为近地层空 气温度,K.根据中国天气网(. eom.cn/)提供的2010年3月26日11:O0太湖流域 各城市气温数据,利用ArcGIS软件中反距离权重法 空间插值成空间分辨率为300In的太湖流域近地层 空气温度影像. (2)大气总透射率r 可以根据大气总水汽含量来估算.冬季, 如果值为0.4,1.6g?em一,贝0=0.982O1— 0.09611w;如果值为>1.6,3.0g?em,,则r= 1.05371—0.14142w. 由于缺少实时大气水汽含量数据,只能通过同 步modis数据反演大气水汽含量.由于modis大气 水汽含量数据空间分辨率为1000m,须将该数据重 采样到300irl,以便和环境卫星热红外数据保持一 致.根据文献[11],得到计算公式为: = [—In‰(19/2)/~](6) 式(6)中,为大气水汽含量,g?em,;Tw(19/2)为 modis第19波段和第2波段表观反射率之比;和JB 分别为公式参数.对于混合型地表,=0.020,JB= 0.651;对于植被覆盖地表,O/=0.012,=0.651;对 于裸地,OL=一0.040,=0.651. (3)地表比辐射率 基于地表分类法来估算地表比辐射率. GRIEND等_1通过实地同时测量一系列自然地表 的热红外波段(8,14Ixm)比辐射率和归一化植 被指数,,发现两者之间具有良好的相关性,相关 系数为0.94,其相关关系为: = 1.0094+0.0470In,NDv(7) 地表比辐射率与地表构成直接相关,通常情 况下,植被覆盖区域为0.98,而非植被覆盖区域 为0.96,水体为0.99.当,.>0.2时,推测该区 域为植被覆盖区域,赋值0.98;当一0.1?,.? 0.2时,推测该区域为非植被覆盖区域,赋值 0.96;当,.<一0.1时,推测该区域为水体,赋 值0.99. 2.2.2普适性单通道算法 普适性单通道算法由JIMENEZ.MUNOZ等于 2003年提出,可以仅依靠1个热波段来反演陆地表 面温度.普适性单通道算法是基于TM数据提出的 反演地表温度算法,而TM数据与环境一号卫星数 据区别主要在于有效波长不同,TM的有效波长为 11.422Ixm,环境卫星的有效波长为11.511m.对 于小卫星,其所需参数包括:亮温,根据式(2)计 算;有效波长A,11.511Ixm;比辐射率,参照覃志 豪单窗算法中的比辐射率数据;大气水汽含量W,参 照覃志豪单窗算法中根据modis数据反演的大气水 汽含量数据. 2.2.3基于影像的Artis反演算法 ARTIS等_6认为,辐射亮温仅仅代表了黑体的 温度,而自然界的大部分物体并非黑体,所以应该用 比辐射率对其进行校正: (8) P=hc/o”(9) 式(8),(9)中,为地表温度,K;为传感器的亮 温,K;A为有效波长,其值为11.511t.Lm;为地表 比辐射率,参照覃志豪单窗算法中的比辐射率数据; h为普朗克常量,其值为6.626X10J?s;c为光 速,其值为2.998×10ITI?S,;为玻耳兹曼常量, 第2期孙俊等:利用环境一号卫星热红外通道反演太湖流域地表温 度的3种方法比较 其值为1.38×10.J?K,. 3太湖流域地表温度反演结果分析 根据3种算法反演得到太湖流域地表温度(图 1).验证该算法的最好可能是比较根据环境 卫星热红外数据反演得到的地表温度与该卫星飞过 天空时的实时地面测量温度之间的差异.然而,要 获得一个实时地面测量温度的数据集是极为困难 的.卫星飞过天空的时间极短,几乎不可能在这样 短的时间内用一种简便的办法获得与图像像元面积 相匹配的地面温度数据集以及相关的大气数据. 既然实时数据无法获得,另一种代替方法是利用 图例 NASA提供的modis地表温度数据集进行相对验证. 利用2010年3月26日覆盖太湖流域的MOD11一L2 级modis温度产品验证算法精度,此产品根据WAN 等l1提出的多通道反演算法计算得到,该算法同时 反演地表温度和比辐射率,在晴朗天气条件下, modis温度产品误差在1K以下.该modis温 度产品过境时间为10:15,环境卫星热红外数据过 境时间为10:54,两者差距不大.由于环境卫星热 红外数据空间分辨率是300m,而modis地表温度产 品空问分辨率是1000In,所以环境卫星热红外数据 需重采样到1000m,以便与modis数据保持一致. modis地表温度产品中白斑为缺值部分. 图1利用3种方法反演的太湖流域地表温度 Fig.1Landsurfacetemperature(LST)oftheTaihuLakeBasininvertedwithth reedifferentmethods 直接将3种方法反演的结果与modis地表温度 产品相减,得到各土地利用类型的温差数据(表2). 表23种算法反演结果与modis地表温度产品的温差 Table2Comparisonoftheinversionsofthethreemethods withmodisLSTproduct 从表2可以看出,普适性单窗算法结果与modis 地表温度产品差值最小,平均温差为1.23K,农田 温差最大,平均为1.80K,林地平均温差为0.93K. 覃志豪单窗算法与modis温度产品差值最大,平均 温差达2.27K,建设用地温差最大,为3.08K,林地 温差最小,为1.25K.这是因为覃志豪单窗算法根 据MODTRAN软件4种标准大气廓线(美国1976标 准大气廓线,低纬度标准大气廓线,中纬度夏季和中 纬度冬季标准大气廓线)进行参数拟合,并建立大 气平均温度和近地层空气温度的经验关系式;笔者 所使用的遥感影像数据日期为3月26日,采用中纬 ? 104’生态与农村环境第27卷 度冬季标准大气廓线建立关系式,而使用中纬度冬 季平均大气模型计算的大气平均作用温度比实际大 气平均温度低.基于影像的Artis反演算法所得结 果与modis温度产品平均温差为1.45K,主要原因 是该算法只考虑比辐射率的影响,而未考虑大气水 汽的作用.采用3种算法得出的演算结果均较 modis温度产品偏高,这主要是由于modis产品过境 时间为上午10:15,而环境卫星过境时间为上午 l0:54.总体而言,普适性单通道算法演算结果和 modis温度产品更为接近,普适性单窗算法使用简 便,考虑了大气水汽和比辐射率的影响,精度较高, 达到了环境卫星热红外数据定量示范的目的;而覃 志豪单窗算法对参数要求较高,虽然也考虑到大气 水汽和比辐射率的影响,但是该算法引人标准大气 廓线,而未使用实时大气廓线数据,从而造成反演结 果与modis温度产品差值最大;基于影像的Artis反 演算法简单,考虑了比辐射率的影响,但是未考虑大 气水汽的影响,在大气水汽影响较小时可以使用该 算法 4结论 针对中国自主研制的环境一号卫星热红外数据 特点,利用2010年3月26日环境卫星热红外通道 数据,分别用覃志豪单窗算法,普适性单通道算法和 基于影像的Artis反演算法反演太湖流域地表温度, 并与MOD11_I2级modis温度产品相比较,以验证 算法精度.结果表明,3种方法反演的地表温度都 比modis地表温度产品偏高,这主要是由于时差所 致,环境小卫星过境时间比modis过境时间晚39 min;普适性单通道算法精度较高,与modis温度产 品平均温差为+1.23K,精度可以接受,达到了对环 境卫星热红外数据定量化应用示范的目的. 作为新的数据源,环境卫星热红外数据在反演 地表温度方面的应用比较少,笔者只是使用modis 地表温度产品对反演结果作了相对验证,而modis 地表温度产品的精度尚需进一步考证,这也是以后 工作中有待提高的方面. 参考文献: [1]黄妙芬,邢旭峰,刘素红,等.反演地表温度三要素获取途径研 究及其研究价值[J].干旱区地理,2005,28(4):541—547. 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