MODIS数据地表温度反演分裂窗算法的IDL实现_姜立鹏

为传感器视角为 10°时的星下大气透过率 , 可根据表 1给
出的方程由大气水汽含量计算得出 ;δτi (T)是大气透过 率的温度校正函数 , 由表 2给出的方程计算得出 ;δτi (θ) 是传感器视角校正函数 , 由公式 (18)和公式 (19)给出 。
表 1 MO DIS第 31和 32波段的星下大气透过率估计方程 T ab. 1 Th e estmi at ion equa tion of atm osph eric transm ittance u sing band 31 and 32 ofMO DIS
w =((α- ln(ref19 /ref2)) /β)2
(11)
式中 , w 是大气水分含量 (g /cm -2 );α和 β 是常量 , 分别
取 α=0. 02和 β =0. 651;ref 19和 ref 2分别是 MODIS 第
19和 2波段的地面反射率 ,由下式计算 :
ref2 =sca le2(band 2 - o ffset2)
Ab strac t:Land surface tem pe ra tu re ( LST) is an important param e te r in m eteoro logy, hydro logy, eco logy and so on. A t present, M OD IS is w ide ly used fo r LST re triev ing , and the splitsw indow a lgo rithm is one of the m ost approved m e thods. A lthough the precision of this algorithm is qu ite h igh, it is difficult to opera te on practica l app lication because of its com plexity. W e have prog rammed this a lgorithm using ID L language, and realized the LST's re trieving autom atically. The results indica te that this procedure is fast, easy to hand le, and can be used for producing the LST products in ba tche s. K ey word s:M OD IS; land surface temperature;splits w indow a lgo rithm;ID L
函数 , 并化简可得 31 和 32波段的亮温计算公式 :
T31 =K31, 1 /ln(1 +K31, 2 /rad31) T32 =K32, 1 /ln(1 +K32, 2 /rad32) 式中 ,K 31, 1 =729. 541636,K 31, 2 =1304. 413871K , K 32, 1 =474. 684780,K 32, 2 =1196. 978785。 1. 2. 2 大气透过率的计算
b31D32 (1 - C31 - D31 ) /(D32C31 - D31C32 ) (3)
A2 =D31 /(D 32C31 - D 31C32 ) +
b32D31 (1 - C32 - D32 ) /(D32C31 - D31C32 ) (4)
在这里 , a31 , b31 , a31 , b32是常量 , 可取 a31 =- 64. 60363, b31
Program SplitsW indow A lgorithm to R etrieve Land Surface Temperature forMOD IS Data U sing IDL
JIANG L i-peng1, 3 , Q IN Zhi-hao1, 2 , X IE W en3 (1. In te rnationa l Institute fo r E arth Sy stem Sc ience of N anjing U niversity, N an jing 210093, China;2. Institu te o f N atura l R esou rces
(12)
ref19 =sca le19(band 19 - offset19)
(13)
式中 , band2 和 band 19 分别为第 2 和 19 波段的 DN 值 ;
sca le2、offset2、sca le19和 offset19 是定标常量 , 可从 MODIS
科学数据集的属性数据中查出 。
and Reg ional P lann ing, Ch inese A cademy o f A gricultura l Sc iences, Beijing 100081, Ch ina; 3. U rban and R esource D epartm ent of N anjing Un ive rsity, N an jing 210093, China)
大气透过率除受大气水汽含量影响外 , 还受遥感器
视角和大气剖面温度的影响 , 因此大气透过率的估计还 需要进行视角和温度校正[ 5～ 6] 。MOD IS第 31和 32波段
大气透过率可用下式来计算 :
τi (θ) =τi (10) +δτi (T) - δτi (θ)
(14)
式中 , τi (θ)是第 i(i =31, 32)波段的大气透过率 ;τi (10)
收稿日期:2005 - 11 - 08 基金项目:自然科学基金项目资助 (40471096) 作者简介:姜立鹏(1982 - ), 男 , 硕士生, 主要从事热红外遥感理论与应用、数字图像处理、地理信息系统应用研究 。
第 3期
姜立鹏等 :MOD IS数据地表温度反演分裂窗算法的 IDL实现
115
1 分裂窗算法简介及其参数求解
1. 1 分裂窗算法
我们采用的 算法是 覃志豪在 [ 2] 中提出 的适 用于
MOD IS数据的地表温度反演算法 , 该算法的公式如下 :
Ts =A0 +A1 T31 - A2T32
(1)
式中 , Ts是地表温度 (K ) , T31和 T32分别是 MOD IS第 31和
32波段的亮度温度 。 A0 , A1和 A2是分裂窗算法的参数 , 分
=0. 440817, a32 =-68. 72575, b32 =0. 473453;其他中间参
数分别计算如下 :
Ci =εi τi (θ)
(5)
D r =[ 1 - τi (θ)] [ 1 +(1 - εi )τi (θ)]
(6)
其中 , τi (θ)是 i(i =31, 32)波段视角为 θ的大气透过率 ;
τi (θ)是 i波段视角为 θ的大气透过率 。
1. 2 分裂窗算法各中间参数的计算
1. 2. 1 亮度温度的计算 MODIS 图像是用 DN 值表示的 , 因此 , 要计算星上亮
温 ,必须先将 DN 值转换成相应的辐射强度值 , 然后再用 P lanck函数求解星上亮温 。
MODIS 第 31 ～ 32波段的辐射强度值计算公式如下 :
(9) (10)
大气透过率是分裂窗算法中的一项基本参数 , 它主
要受大气水汽含量的影响 。对于 MODIS 数据地表温度反
演 ,大气水汽含量可通过 MOD IS 第 2和 19波段来反演 ,
然后再根据大气水汽含量与大气透过率之间的函数关系 来估计大气透过率 [ 3] (如表 1所示 )。大气水汽含量的计 算公式如下[ 4] :
第 29卷 第 3期 2006年 06月
测绘与空间地理信息
GEOMAT ICS ＆ SPATIAL INFORMAT ION TECHNOLOGY
V o .l 29, N o. 3 Jun. , 2006
MOD IS数据地表温度反演分裂窗 算法的 IDL实现
姜立鹏 1, 3, 覃志豪 1, 2 , 谢 雯 3
确 、简便地实现 MOD IS数据地表温度反演成为一个迫切 需要解决的问题 。
Q in et a.l (2001)在文献 [ 1] 中提出了两因素地表温 度反演分裂窗算法 , 该算法只需要两个参数并且精度较 高 。覃志豪等人在以前他本人针对 AVH RR提出的劈窗 算法基础上 , 改进并提出了适用于 MOD IS 数据的地表温 度反演算法[ 2] , 并且算法需要的基本参数都可以从 MOD IS数据中反演得到 。 该算法已经被推荐并应用于中国 MOD IS 地表温度产品生产 。 为了进行义务化流程生产 , 减少工作人员的工作量 , 本文先对这一义务化算法进行 介绍 , 然后对这一算法的程序 (IDL)实现进行简要介绍 。
rad 31 =sca le32(band31 - offset31)
(7)
rad 32 =sca le32(band32 - offset32)
(8)
式中 , rad31和 rad32分别为 MOD IS第 31 ～ 32波段的热辐 射强度 (W m - 2 sr- 1 (m -1 );band 31、band 32 分别为 MOD IS 第 31、32波段的 DN 值 ;scale31和 offset31 为 MOD IS第 31
波段的辐射定标常量 , 可从 MOD IS 数据集的属性数据中
查出 ;scale32 和 offset32为 MOD IS 第 32 波段的辐射定标
常量 , 也可从 MOD IS数据集的属性数据中查出 。
计算得到图像的热辐射强度之后 , 便可用 P lanck 函
数求解出星上亮度温度 。 对 31和 32波段分别应用 P lank
别定义如下 :
A0 =a31D 32 (1 - C31 - D 31 ) /(D C 32 Βιβλιοθήκη Baidu1 - D C 31 32 ) -
a32D 31 (1 - C32 - D 32 ) /(D C 32 31 - D C 31 32 ) (2)
A1 =1 +D31 /(D 32 C31 - D 31 C32 ) +
0 引 言
MODIS (M oderate Resolu tion Im aging Spectrorad iom eter, 中等分辨率成像光谱辐射仪 )有 36个光谱通道 , 其中 29 ～ 36通道为热红外通道 , 可用来监测地球表面的热量 变化 。它每天可获得同一地区的白天和夜间的重复观测 资料 (低纬地区为 2d), 双星可达到每天 4次的遥感数据 。 对我国白天地表温度反演而言 , 需要东部 、中部和西部 3 景遥感数据才能覆盖我国全部领土 , 双星将需要 6景遥感 数据 。而各应用领域 (如干旱监测 )要求我们必须快速反 演出地表温度 ,以达到各种应用目的 。因此 , 如何快速 、精
波段 MO D IS31 MO D IS32
水汽含量 0. 4 ～ 2. 0(g /cm 2) τ31(10)=0. 99513 - 0. 08082w τ32(10)=0. 99376 - 0. 11369w
(1. 南京大学 国际地球系统科学研究所 , 江苏 南京 210093;2. 中国农业科学院 农业资源与农业区划 研究所 , 北京 100081;3. 南京大学 城市 与资源学系 , 江苏 南京 210093)
摘 要 :地表温度是气象 、水文 、生态等研究领域中的一个重要参数 。本文针对 M OD IS数据的分裂窗 算法进行了 简要的介绍 , 并对参数的获取进行了分析 。该算法已经被推 荐并已经应用 于中国地表 温度产品生 产 。为了进行 义务化流程生产地表温度产品 , 我们在 IDL6. 0环境下 , 编程实现 了该算法 。该程 序运算速度 快 , 操作简 便 , 不需 人为干预就可快速反演地表温度 , 非常适合批量计算 MO IDS 地表温度 。 关键词 :M OD IS;地表温度 ;分裂窗算法 ;IDL 中图分类号 :P208 文献标识码 :B 文章编号 :1672 - 5867(2006)03 - 0114 - 04