热红外数据反演地表温度.pptx
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热红外数据反演地表温度
主要内容
• 背景介绍 • 基础理论背景 • 反演LST的各种算法 • 验证卫星反演LST的三种方法 • 未来发展和展望
背景介绍
LST的重要性
1
• 在地-气过 程中，LST 是长波辐 射和湍流 热通量交 换的直接 驱动力。
2
• 在局地-全 球尺度下， LST是地表 能量和水 分平衡物 理过程中 的重要参 数。
热红外数据（TIR）通过辐射传输方程和LST联系起来。
为了更好的从局域尺度理解地球系统同时得到高于10%精度的蒸散量数据，LST 的精度要求小于1K。然而直接从TIR光谱区域的辐射发射估计LST是有困难的
因为从卫星上的辐射计来测量辐射不仅依赖于地表参数，同时也有大气影响。 除了辐射计刻度和云量，还需要考虑发射率和大气订正。
基础理论背景
普朗克定律 维恩位移定律
⑴
是黑体的分光辐出度，
是温度T(k)和波长的函数，C1
和C2是物理常数。
⑵
辐射传输方程RTE
⑶
⑷ Θ，ψ分别代表天顶角和方位角
从空间测量LST的困难和问题
（1）从空间测量LST是数学未定的和未解决的 （2）仪器噪声和错误在大气订正中对LST获取的精度
影响很大 （3）在测量的辐射中很难解耦LST、LSE（陆地表面发
• 逐步获取法 ① LSE是半经验的，取决于大气订正MIR和TIR
辐射估计或者可见光/近红外测量。 ②估计LST，使用任何单一，多通道（SW）或
多角度（双角）3.1节中描述的检索方法。
包括分类：发射型方法（CBEM）、植被指数 发射方法（NBEM）、温度独立光谱指数方 法（TISI）。
• 已知大气信息，同步LST和LSE获取法 包括TTM法，D/N法，GBE法，TES法，ISSTES
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）。
• 解决方法：一系列的LST模型，在各种天气条件下 都必须发展包括角归一化和时间的标准化等用于生 产长期的、时间规范和角度规范一致的LST产品
• 高光谱TIR 数据分离 LST和LSE的 探索以及大 气廓线或大 气量参与大 气校正的检 索将成为定 量遥感研究 的热点
• 考虑多光谱 和多时段
TIR数据的 结合提取
三种方法的比较
单通道法 • 需要高质量的辐射传输代码，需要已知 LSEs的信息，精确的大气廓线和充分考虑 对流层影响。
多通道法 • 不需要大气廓线数据，不考虑地形影响， LSEs精度对SW算法敏感，且具有很大的 确定性
多角度法 • 无需大气廓线数据，只适用于海水表面温 度反演，不适用陆地
未知LSEs的情况
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
适用于地表LST测 量不可行地区并 向均质和非等温 地区延伸，并且 可能适用于白天 或夜间
• LSEs未知，可归为这三类： • 逐步获取法 • 同步获取LSEs和已知大气信息的LST • 同步获取未知大气信息
已知LSEs
• 单通道法 也称为模式发散法，利用卫星传感器单通道得到
的辐射，选择大气窗区，订正大气衰减和发射 后大气辐射。
精度问题？ 缺点：高质量的辐射传输代码，需要已知LSEs的
射率）和向下的大气辐射 （4）大气订正很难实施 （5）白天，反射的太阳辐射很难去除中红外数据 （6）如何物理的介绍LST测量结果是一个关键问题 （7）验证在传感器的像素尺度上星载测量的LST是一
个挑战性问题。
反演LST的算法
LST算法
• LSEs已知，可以归为三类： • 单通道法，多通道法，多角度法
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
缺点
需要大气RTM和 大气廓线和LSEs的 精度
• 交叉验证法
没有大气廓线，地面LST测量和前面两个方法 都不能用的情况下。
优点
验证LST不需要任 何地面测量
可以在LST产品可 靠的前提下适用
于全球任何地方
缺点
两个测量的观测 时间尽可能短变 成同一像素下， 需要同样的观测 天顶角
未来的发展与展望
法，LECTES法
• LST，LSEs和大气廓线的同步获取 包括ANN法，TSRM
验证卫星反演LST的方法
• 验证是一个独立的评估反演数据不确定性 的过程。没有验证，方法，算法和反演参 数不能使用。
主要包括一下三种方法 • T-based • R-based • 交叉验证法
• T-based
优点
• 多通道法——不同的SW算法 线性分裂窗算法 在两个相邻的TIR通道i,j（11-12.5um）中相对于
温度和波长线性化RTE
非线性分裂窗算法
其中ck和ak等同
ak是系数，取决于响应函数gi,gj和两通道的发射率以 及蒸散量WV和观测角度VZA。
这一方法反演LST的精度取决于如何正确选择ak系数
LST的新方 法
• 基于物理模 型从被动微
波数据获得
LSTs和一个 结合了LSTs 和被动微波
卫星数据
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
Hale Waihona Puke Baidu
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。
主要内容
• 背景介绍 • 基础理论背景 • 反演LST的各种算法 • 验证卫星反演LST的三种方法 • 未来发展和展望
背景介绍
LST的重要性
1
• 在地-气过 程中，LST 是长波辐 射和湍流 热通量交 换的直接 驱动力。
2
• 在局地-全 球尺度下， LST是地表 能量和水 分平衡物 理过程中 的重要参 数。
热红外数据（TIR）通过辐射传输方程和LST联系起来。
为了更好的从局域尺度理解地球系统同时得到高于10%精度的蒸散量数据，LST 的精度要求小于1K。然而直接从TIR光谱区域的辐射发射估计LST是有困难的
因为从卫星上的辐射计来测量辐射不仅依赖于地表参数，同时也有大气影响。 除了辐射计刻度和云量，还需要考虑发射率和大气订正。
基础理论背景
普朗克定律 维恩位移定律
⑴
是黑体的分光辐出度，
是温度T(k)和波长的函数，C1
和C2是物理常数。
⑵
辐射传输方程RTE
⑶
⑷ Θ，ψ分别代表天顶角和方位角
从空间测量LST的困难和问题
（1）从空间测量LST是数学未定的和未解决的 （2）仪器噪声和错误在大气订正中对LST获取的精度
影响很大 （3）在测量的辐射中很难解耦LST、LSE（陆地表面发
• 逐步获取法 ① LSE是半经验的，取决于大气订正MIR和TIR
辐射估计或者可见光/近红外测量。 ②估计LST，使用任何单一，多通道（SW）或
多角度（双角）3.1节中描述的检索方法。
包括分类：发射型方法（CBEM）、植被指数 发射方法（NBEM）、温度独立光谱指数方 法（TISI）。
• 已知大气信息，同步LST和LSE获取法 包括TTM法，D/N法，GBE法，TES法，ISSTES
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）。
• 解决方法：一系列的LST模型，在各种天气条件下 都必须发展包括角归一化和时间的标准化等用于生 产长期的、时间规范和角度规范一致的LST产品
• 高光谱TIR 数据分离 LST和LSE的 探索以及大 气廓线或大 气量参与大 气校正的检 索将成为定 量遥感研究 的热点
• 考虑多光谱 和多时段
TIR数据的 结合提取
三种方法的比较
单通道法 • 需要高质量的辐射传输代码，需要已知 LSEs的信息，精确的大气廓线和充分考虑 对流层影响。
多通道法 • 不需要大气廓线数据，不考虑地形影响， LSEs精度对SW算法敏感，且具有很大的 确定性
多角度法 • 无需大气廓线数据，只适用于海水表面温 度反演，不适用陆地
未知LSEs的情况
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
适用于地表LST测 量不可行地区并 向均质和非等温 地区延伸，并且 可能适用于白天 或夜间
• LSEs未知，可归为这三类： • 逐步获取法 • 同步获取LSEs和已知大气信息的LST • 同步获取未知大气信息
已知LSEs
• 单通道法 也称为模式发散法，利用卫星传感器单通道得到
的辐射，选择大气窗区，订正大气衰减和发射 后大气辐射。
精度问题？ 缺点：高质量的辐射传输代码，需要已知LSEs的
射率）和向下的大气辐射 （4）大气订正很难实施 （5）白天，反射的太阳辐射很难去除中红外数据 （6）如何物理的介绍LST测量结果是一个关键问题 （7）验证在传感器的像素尺度上星载测量的LST是一
个挑战性问题。
反演LST的算法
LST算法
• LSEs已知，可以归为三类： • 单通道法，多通道法，多角度法
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
缺点
需要大气RTM和 大气廓线和LSEs的 精度
• 交叉验证法
没有大气廓线，地面LST测量和前面两个方法 都不能用的情况下。
优点
验证LST不需要任 何地面测量
可以在LST产品可 靠的前提下适用
于全球任何地方
缺点
两个测量的观测 时间尽可能短变 成同一像素下， 需要同样的观测 天顶角
未来的发展与展望
法，LECTES法
• LST，LSEs和大气廓线的同步获取 包括ANN法，TSRM
验证卫星反演LST的方法
• 验证是一个独立的评估反演数据不确定性 的过程。没有验证，方法，算法和反演参 数不能使用。
主要包括一下三种方法 • T-based • R-based • 交叉验证法
• T-based
优点
• 多通道法——不同的SW算法 线性分裂窗算法 在两个相邻的TIR通道i,j（11-12.5um）中相对于
温度和波长线性化RTE
非线性分裂窗算法
其中ck和ak等同
ak是系数，取决于响应函数gi,gj和两通道的发射率以 及蒸散量WV和观测角度VZA。
这一方法反演LST的精度取决于如何正确选择ak系数
LST的新方 法
• 基于物理模 型从被动微
波数据获得
LSTs和一个 结合了LSTs 和被动微波
卫星数据
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
Hale Waihona Puke Baidu
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。