(定量遥感课件)地表温度

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。
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
为了提高分裂窗口法反演地表温度的精度， 近年来的工作越来越把大气状态作为温度反演中 的信息。而放弃那种建立对任何大气模式都适用 的“全能”模型。
总之，陆面温度反演的研究多以分裂窗 口方法为基础，为了提高温度的反演精度， 不同的作者主要从多个方面进行了研究。但 由于陆面温度反演问题的复杂性，迄今为止， 陆面温度反演的研究主要仍以可行性研究为 主，大气效应的纠正、地表比辐射率 未知 和地表温度的皮肤效应问题仍制约着陆面温 度遥感反演方法在实际中的应用。
大气 模型
热带
大气水 蒸汽总
量 （g/cm2
）
4.11
大气有 效温度
(K)
292.0
近地表 气温 Ta
(K)
299.7
中纬 2.99 286.6 294.2 度夏
季
中纬 0.85 264.3 272.2 度冬
季
Vidal(1994)把第四、五通道的温度先转化为8-14mm宽通
道的黑体亮度温度，再根据地表比辐射率改正得到地表温度，系 数通过回归得到，相关系数 R=2 0.89 。
TsA 0PT42 T5M T42 T5 A =0 constant
P 1 (1 e)e ee2
M (1 e)e ee2
A 0是一个与 无e 关的独立常数，P和M与 e有关，可以通过
大气辐射传输程序Lowtran 7用最小二乘法回归确定系
数 A 0,,,'。,','
Becker(1990b)进一步把 NOAA/AVHRR第三通道的信 息考虑进来，提出一个与温度无关的独立因子。Li(1993)在此基 础上讨论了用这个概念反演地表比辐射率的可行性。他也同时指 出，这种方法要能实际应用还有许多工作要做，其中两个最大的 制约因素是：
(1)太阳的中红外辐射受大气衰减比较严重，如何找到一 个合理的方法或模型来估算太阳辐射对第三通道的中红外波段的 贡献；
(2)地表在第三通道的中红外波段的双向反射率特性比第 四、五通道更强烈，有必要做更多的野外实测和理论工作以建立 地表在第三通道的双向反射率模型。
Gillespie et al.(1986,1987)也讨论了把地表比辐射率和 地表温度对辐射测量的影响分离开的问题。
Wan 和 Dozier(1989)把遥测地表温度当作一个地球物理 学的反演问题,通过Lowtran程序进行数值模拟,评价了温度反演 的可行性并提出了合理的波谱段范围,认为通过多波谱同时反演地 表温度和地表比辐射率是可行的。
Wan 和 Dozier(1996)通过大气传输模型进一步模拟计算 指出：1)统计回归的系数与传感器的视角有关；2)为了提高反演 精度，模拟计算回归系数时有必要把大气含水量、大气低层温度 和地表温度考虑进去,而不能在所有的情况下都用相同的系数来反 演地表温度。
NOAA/AVHRR第四、五通道在海温遥感反演取得成功之 后。Price(1984)首先把海温遥感的分裂窗口方法引用到农田地 区的温度反演中来。他在仔细分析了各种误差来源之后，预计反
演精度约 3K。e在 1时，他给出的反演 公式为：
e ee T s [T 4 3 .3 3 (T 4 T 5 )] 3 .5 4 .54 0 .7 5 T 5 (4 5 )
B 4 ( T s ) (1 R 2 ) B 4 ( T 4 ) (3 R 4 ) B 4 ( T 5 ) (5 R 6 )
Fra Baidu bibliotek
eee 其中：
i i 0 i 1 ( 1 4 ) i 2 ( 4 5 )
N
(T4k T40)(T5k T50)
R k 1 N
(T4k T40)2
地表温度的反演-地表温度反演算法
• 未来可能的发展方向
✓ 如何减少大气水蒸气量的测定误差
✓ 如何减少比辐射率的测定误差 ✓ 如何在地面上验证地表温度的反演算法
➢ 地表温度的时空变化，点与面相比的意义？ ➢ 由于缺乏地面有效的表面温度测量，由卫 星数据反演的地表温度的精度目前只能通过 理论误差分析和反演算法间的相互比较来估 计。
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
0 = 0.4 – 0.48W; 1 = 2 + 0.28W; 2 = 53.1 – 3.6W; 3 = -148.6 + 26.1W;
e e4 e5 2 ; e e4 e5
通过误差分析，目前用分窗技术反演的地表温度的精度在1~2K 之间，取决于大气和比辐射率的校正误差，大气和比辐射率的 校正误差又取决于水蒸气量和比辐射率的测定误差。
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
✓单通道法的精度取决于： ✓ 大气辐射传输模型的精度
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
TBB5.45T4 3.58T5 29.20
Ts
TBB501ee
300e e
Sobrino(1994)考虑大气透过率的非线性特点，利用
Klesspies 和McMillin(1990)提出的估算大气第四、五通道的透
过率之比的方法。把大气两个通道透过率之比和地表比辐射率的
影响同时考虑进来，改进了地表温度反演的分裂窗口方法。
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.
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
地表温度的反演-地表温度反演算法
分窗技术的主要目的是剔除大气的影响，一般形式：
Ts = a(atm, , ei, ej)Ti+b (atm, , ei, ej) Tj + c (atm, , ei, ej)
思路： ➢对不同的大气，观测角度及地表参数进行模拟。 所有的方法仅在一定范围内有效。
传感器 AVHRR
MODIS
通道 3 4 5 20 22 23 29 31 32 33
波长范围 (mm) 3.54-3.94 10.32-11.32 11.41-12.38 3.660-3.840 3.929-3.989 4.020-4.080 8.400-8.700
10.780-11.280 11.770-12.270 13.185-13.485
Price指出当温度为300K时，e 误差0.01可引起2K的温度
误差。
Becker(1987)考虑AVHRR第四、五通道的地表反射率之 差对温度反演的影响，并提出了一个模型解释热红外测量温度和 地表热力学温度的差别。Becker(1990a)接着在辐射传输方程线 性近似的基础上，进一步讨论了地表比辐射率第对温度反演的影 响，给出了一个“局地分裂窗口”法的反演公式。
(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)
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) +
+
b ,i(,;,)L a i t(m )co ds ]
✓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
k 1
R为第四、五通道大气透过率之比。通过模拟计算， Sobrino指出，在e已知的条件下，这种方法的精度可以达到
0.4K以内。
地表温度的反演-地表温度反演算法
ee Sobrino et al., 1996: (NOAA11)
T s T 4 0 1 T 4 T 5 2 1 3