地表温度 ppt课件
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(5) 陆面目标的比辐射随波段变化显著，这样导 致方程组的不完备，因为第一个波段包含一 个未知的比辐射率，N个波段包含N个未知比 辐射率，外加一个未知温度，所以未知数总 比独立方程数多一个。
地表温度的反演—热红外遥感的主要原理
•物体的波谱辐射能和大气窗口
✓ 物体的波谱辐射能
Ll = elBl(T)
地表物质的热学性质及 地表温度的反演
地表物质的热学性质
•热容Heat Capacity (C):
温度每升高1度，对应热能(Q)增加量的度量。 表示了一种材料存储热的能力, 单位为cal ℃ 1 。(与物体大小有关)
•比热specific heat (c) :
一定条件下单位质量的物质升高1 ℃ 所需 的热量.
航空平台：通常 3-5 µm， 8-14 µm
航天平台：通常 3-4 µm， 10.512.5 µm
为什么只在晚上 用 3-4 µm测量常 温地表？
地表温度的反演—热红外遥感的主要原理
✓ 辐射传输方程
热红外波段
Bsen i
so(r ,)
= [ei()Bi0(Ts) +
r +
b ,i(,;,)L a i t(m )co ds ]
atm i
+
Latm i
地表温度的反演
• 大气的作用及影响
✓ 吸收和再辐射（散射很小）
热红外不断的主要吸收气体是水蒸 气、二氧化碳和臭氧。
在10~12mm里，大气的主要吸收体 是水蒸气。透过率主要随水蒸气变 化，但不仅仅是水汽总量函数，还 受水蒸气分布及大气廓线的影响。
陆面温度遥感反演
陆面温度的遥感反演问题最早可追溯到TIROS2上 搭载的热红外辐射计，其波段为8-14mm 。大家发现传感 器得到的陆面温度和地面实测的沙漠表面温度差异很大 。Buettner and Kern(1965)通过测量沙子(石英含量 高)的比辐射率，发现沙子的比辐射率明显小于１，解释 了这个矛盾。Nimbus 4上的IRIS测量结果也证实了沙 地在m9m 附近辐射率明显小于１。 Marlatt(1967) 第一 次系统地野外测量了地表比辐射率对热辐射的影响。
地表物质的热学性质
•热传导率Thermal Conductivity (K):
热量通过物体的速率的度量。单位时间内通 过单位面积的热量与垂直于表面方向上的温 度梯度的负值之比。单位为Wm-1K-1 。
地表物质的热学性质 •热惯量Thermal Inertia (P):
物质对温度变化的热反应的一种量度（一种 材料对温度变化的阻抗），决定于热传导率 (K)，热容量(C)和密度(r)。
个关键因子。除了太阳辐照度之外，地-气 界面所有的通量都可参数化为温度的一个 函数。
地表温度的反演
•如何获得地表温度？
✓ 利用温度计或其它点接触探测头测定 ➢受时间和空间的限制，没有足够的空间覆盖数据 ➢受其它外界环境的影响很难获得精确的表面温度
✓ 利用热红外辐射仪来测定 ➢ 在局部尺度上： 地面测量 ➢ 在大、中尺度上： 卫星空间测量 ➢ 测量的量是波谱辐射能 Ts，e, 大气和周围环境
设太阳的影响可忽略：
e T si B i 1 B iT i R a ti i1 iR a ti
e
i
大气参数的计算需要知道大气的温度和在通道上大气 吸收体密度的垂直廓线，而且还需知道这些大气吸收 体的物理特性。
地表温度的反演-地表温度反演算法
✓单通道法来自百度文库精度取决于： ✓ 大气辐射传输模型的精度
地表30cm温度廓线
在地表下的一定距离，温度趋于稳定。这个 深度可能是30-50 cm
陆面温度遥感反演面临的主要问题
(4)陆面目标的比辐射率往往受物理状况（如土 壤比辐射率随土壤含水量而变），表面粗糙 度、地表起伏等因子控制，所以一般只能作 为未知量，不能事先设定。
陆面温度遥感反演面临的主要问题
陆面温度的遥感反演
•如何获得表面比辐射率？
✓ 根据室内、外测量 ➢波谱辐射仪 ➢辐射仪结合CO2激光仪（主动与被动结合） ➢黑箱子 需要假定表面温度和比辐射率在测量过程中不变
✓ 从卫星上测定 ➢ 根据可见光和近红外光谱信息的统计关系(NDVI/e) ➢ 根据热红外光谱仪里最小e和在最大相对比辐射率 之差的统计关系 ➢利用多时相数据假定： eday = enight 或 eday1 = eday2
✓对水气连续统一体的吸收还不完全清 楚。相对精度约10%，且没有温度低 于280K的有用吸收系数。 ✓ 测定的或已知的通道比辐射率的精度
✓ 大气廓线的精度
地表温度的反演-地表温度反演算法
• 多通道法（分窗法）
起初用来反演海水温度，后被推广到陆地。
利用10~13mm里，两个相邻通道（一个 在11mm附近，另一个在12mm附近）上 大气的吸收作用不同，通过两通道的组合 来剔除大气的影响
地表物质的热学性质
•热扩散率Thermal diffusivity (k):
表征物质内部温度变化的速率，其值决定于 单位时间内沿法线方向通过单位面积的热量 与物质的比热、密度、法向上温度梯度三者 的乘积之比。
地表温度的反演
地表温度的反演
• 为什么要测量地表温度？ 地表温度是地-气系统研究能量平衡的一
陆面温度遥感反演面临的主要问题 (1) 非同温混合象元占绝大多数，对这样的象
元而言，定义象元的有效平均温度也比较 困难，关于这类非同温混合象元的陆面温 度遥感问题需要专门讨论。 (2) 对纯象元陆面温度的遥感问题，由于陆面 目标的比辐射率明显小于“1”，所以需要 考虑大气下行辐射的贡献与干扰。
（3）地表温度的“皮肤”效应
地表温度的反演-地表温度反演算法
• 单通道法 • 多通道法（分窗法） • 单通道多角度法 • 多通道多角度法
地表温度的反演-地表温度反演算法
• 单通道法
利用卫星传感器上单独的一个热红外通道获得的辐射， 借助无线电探空或卫星遥感确定的大气廓线数据（温度、 湿度、压力），结合辐射传输方程来修正大气和比辐射 率的影响。
地表温度的反演-地表温度反演算法
✓ 陆地表面温度反演
分窗技术用到海水表面温度反演很成功，可以小于 0.7K误差，但在陆地上比海面困难许多。
陆地表面温度的反演精度受下面几种因素影响： ➢ 陆地表面的比辐射率在时空领域变化大 (11~12mm 0.9~0.99) ➢陆地表面的比辐射率随波长变化 ➢陆地表面的比辐射率随观测角变化 ➢ 陆地表面温度和近地表气温差远大于海水表面温度 和近海水气温差（普朗克一级近似不适用） ➢陆地表面温度在一个像元内变化很大 ➢地表反射的大气向下辐射不可忽略
地表温度的反演—热红外遥感的主要原理
•物体的波谱辐射能和大气窗口
✓ 物体的波谱辐射能
Ll = elBl(T)
地表物质的热学性质及 地表温度的反演
地表物质的热学性质
•热容Heat Capacity (C):
温度每升高1度，对应热能(Q)增加量的度量。 表示了一种材料存储热的能力, 单位为cal ℃ 1 。(与物体大小有关)
•比热specific heat (c) :
一定条件下单位质量的物质升高1 ℃ 所需 的热量.
航空平台：通常 3-5 µm， 8-14 µm
航天平台：通常 3-4 µm， 10.512.5 µm
为什么只在晚上 用 3-4 µm测量常 温地表？
地表温度的反演—热红外遥感的主要原理
✓ 辐射传输方程
热红外波段
Bsen i
so(r ,)
= [ei()Bi0(Ts) +
r +
b ,i(,;,)L a i t(m )co ds ]
atm i
+
Latm i
地表温度的反演
• 大气的作用及影响
✓ 吸收和再辐射（散射很小）
热红外不断的主要吸收气体是水蒸 气、二氧化碳和臭氧。
在10~12mm里，大气的主要吸收体 是水蒸气。透过率主要随水蒸气变 化，但不仅仅是水汽总量函数，还 受水蒸气分布及大气廓线的影响。
陆面温度遥感反演
陆面温度的遥感反演问题最早可追溯到TIROS2上 搭载的热红外辐射计，其波段为8-14mm 。大家发现传感 器得到的陆面温度和地面实测的沙漠表面温度差异很大 。Buettner and Kern(1965)通过测量沙子(石英含量 高)的比辐射率，发现沙子的比辐射率明显小于１，解释 了这个矛盾。Nimbus 4上的IRIS测量结果也证实了沙 地在m9m 附近辐射率明显小于１。 Marlatt(1967) 第一 次系统地野外测量了地表比辐射率对热辐射的影响。
地表物质的热学性质
•热传导率Thermal Conductivity (K):
热量通过物体的速率的度量。单位时间内通 过单位面积的热量与垂直于表面方向上的温 度梯度的负值之比。单位为Wm-1K-1 。
地表物质的热学性质 •热惯量Thermal Inertia (P):
物质对温度变化的热反应的一种量度（一种 材料对温度变化的阻抗），决定于热传导率 (K)，热容量(C)和密度(r)。
个关键因子。除了太阳辐照度之外，地-气 界面所有的通量都可参数化为温度的一个 函数。
地表温度的反演
•如何获得地表温度？
✓ 利用温度计或其它点接触探测头测定 ➢受时间和空间的限制，没有足够的空间覆盖数据 ➢受其它外界环境的影响很难获得精确的表面温度
✓ 利用热红外辐射仪来测定 ➢ 在局部尺度上： 地面测量 ➢ 在大、中尺度上： 卫星空间测量 ➢ 测量的量是波谱辐射能 Ts，e, 大气和周围环境
设太阳的影响可忽略：
e T si B i 1 B iT i R a ti i1 iR a ti
e
i
大气参数的计算需要知道大气的温度和在通道上大气 吸收体密度的垂直廓线，而且还需知道这些大气吸收 体的物理特性。
地表温度的反演-地表温度反演算法
✓单通道法来自百度文库精度取决于： ✓ 大气辐射传输模型的精度
地表30cm温度廓线
在地表下的一定距离，温度趋于稳定。这个 深度可能是30-50 cm
陆面温度遥感反演面临的主要问题
(4)陆面目标的比辐射率往往受物理状况（如土 壤比辐射率随土壤含水量而变），表面粗糙 度、地表起伏等因子控制，所以一般只能作 为未知量，不能事先设定。
陆面温度遥感反演面临的主要问题
陆面温度的遥感反演
•如何获得表面比辐射率？
✓ 根据室内、外测量 ➢波谱辐射仪 ➢辐射仪结合CO2激光仪（主动与被动结合） ➢黑箱子 需要假定表面温度和比辐射率在测量过程中不变
✓ 从卫星上测定 ➢ 根据可见光和近红外光谱信息的统计关系(NDVI/e) ➢ 根据热红外光谱仪里最小e和在最大相对比辐射率 之差的统计关系 ➢利用多时相数据假定： eday = enight 或 eday1 = eday2
✓对水气连续统一体的吸收还不完全清 楚。相对精度约10%，且没有温度低 于280K的有用吸收系数。 ✓ 测定的或已知的通道比辐射率的精度
✓ 大气廓线的精度
地表温度的反演-地表温度反演算法
• 多通道法（分窗法）
起初用来反演海水温度，后被推广到陆地。
利用10~13mm里，两个相邻通道（一个 在11mm附近，另一个在12mm附近）上 大气的吸收作用不同，通过两通道的组合 来剔除大气的影响
地表物质的热学性质
•热扩散率Thermal diffusivity (k):
表征物质内部温度变化的速率，其值决定于 单位时间内沿法线方向通过单位面积的热量 与物质的比热、密度、法向上温度梯度三者 的乘积之比。
地表温度的反演
地表温度的反演
• 为什么要测量地表温度？ 地表温度是地-气系统研究能量平衡的一
陆面温度遥感反演面临的主要问题 (1) 非同温混合象元占绝大多数，对这样的象
元而言，定义象元的有效平均温度也比较 困难，关于这类非同温混合象元的陆面温 度遥感问题需要专门讨论。 (2) 对纯象元陆面温度的遥感问题，由于陆面 目标的比辐射率明显小于“1”，所以需要 考虑大气下行辐射的贡献与干扰。
（3）地表温度的“皮肤”效应
地表温度的反演-地表温度反演算法
• 单通道法 • 多通道法（分窗法） • 单通道多角度法 • 多通道多角度法
地表温度的反演-地表温度反演算法
• 单通道法
利用卫星传感器上单独的一个热红外通道获得的辐射， 借助无线电探空或卫星遥感确定的大气廓线数据（温度、 湿度、压力），结合辐射传输方程来修正大气和比辐射 率的影响。
地表温度的反演-地表温度反演算法
✓ 陆地表面温度反演
分窗技术用到海水表面温度反演很成功，可以小于 0.7K误差，但在陆地上比海面困难许多。
陆地表面温度的反演精度受下面几种因素影响： ➢ 陆地表面的比辐射率在时空领域变化大 (11~12mm 0.9~0.99) ➢陆地表面的比辐射率随波长变化 ➢陆地表面的比辐射率随观测角变化 ➢ 陆地表面温度和近地表气温差远大于海水表面温度 和近海水气温差（普朗克一级近似不适用） ➢陆地表面温度在一个像元内变化很大 ➢地表反射的大气向下辐射不可忽略