基于劈窗算法的地表温度反演

研究背景
参考文献
《基于 Landsat-8 数据和劈窗算法的地表温度反演及城市热岛效应研究》 作者：宋挺等 2014年10月 发表于《环境监控与预警》
研究背景
数据源
Landsat 8 OLI 数据： 3、4、5、6 波段 TIRS数据： 10、11 波段
MODIS数据 计算大气水分含量、大气透过率等参数
基于劈窗算法的地表温度反演
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研究理论
地表温度反演
通过热红外遥感反演地表温度的算法一般根据 热辐射方程 建立，若通过辐射传输 方程的方法直接计算地表温度，不仅需要剔除大气作用的影响，还需要考虑地表比辐 射的影响。
基于热红外通道建立的热辐射方程，除了大气参数需要估计外，地表的比辐射率 和地表温度都是未知的，故建立的方程数小于需求解的未知数，这就说明地表温度是 遥感反演中属于典型的“病态”的反演问题。
方法重现
参数计算·辐射亮温
Band10 亮温
Band11 亮温
方法重现
建立方程 根据计算的各项参数，建立劈窗算法方程，求算研究区地表温度。
总结讨论
总结与发现
• 结果表明，基于 Landsat-8 数据的劈窗算法误差＜1K，比MODIS温度产品更为接 近地面实测的水温数据。
• 文中进一步对劈窗算法涉及的关键输入参数( 大气水汽含量和地表比辐射率) 进行 了敏感性分析。结果表明，在正常的大气水汽含量和地表比辐射率变化的情况下， 其误差较低( 1K左右)。
• 利用 Landsat-8 进行劈窗算法反演地表温度，具备较高的精度，可满足大多数研 究应用需求。
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研究结果
无锡市地表温度反演 计算亮度温度、地表比辐射率、大气透过率等参数，通过无锡市Landsat-8数据反
演得到地表温度数据。
2014年3月16Landsat-8数据地温反演结果与MODIS地温产品对比
研究结果
无锡市地表温度反演
基于Landsat-8影像反演得出的LST与MODIS地温产品与实测数据比对结果 （单位：K）
将Landsat-8数据的10和11波段数据代入，即可得到一个方程组。
������10 ������10 = ������10������10 ������������ + ������10������10(������������) ������11 ������11 = ������11������11 ������������ + ������11������11(������������)
研究方法
构建地表热辐射传输方程 代入普朗克辐射函数线性展开式，得到如下反演地表温度公式，即所要推导的劈
窗算法：
������������ = ������0 + ������1������10 − ������2������11
其中：
������10、������11、������10、������11 为热红外数据的反演回归系数，不同温度环境下系数不同。
实测水温数据 用于精度和敏感性分析与评价
研究背景
数据源
Landsat-8（第 10和 11波段）与 MODIS热红外波段（31 和 32 波段）数据对比
研究方法
工作流程
Landsat-8地表温度反演与热岛效应分级评价流程
研究方法
构建地表热辐射传输方程
大气透射率 地物出射度
地物反射的大 气下行辐射
亮度温度（亮温） 是指辐射出与观测物体相等辐射量的黑体的温度。 计算公式为：
������������ = ������������2/ln(1 + ������������1/������������)
其中： ������������1、������������2为常量，由该波段中心波长确定。 将影像像元亮度值标定位������������ 进行计算。
方法重现
参数计算·比辐射率
基于Band4、5计算NDVI
基于NDVI计算植被覆盖度
方法重现
参数计算·比辐射率
基于NDVI计算植被温度比率（左）和土壤温度比率（右）
方法重现
参数计算·比辐射率
基于植被覆盖度，植被/土ห้องสมุดไป่ตู้温度比率计算Band10（左）和Band11（右）地表比辐射率
方法重现
参数计算·辐射亮温
研究理论
劈窗算法
劈窗算法 利用10～13μm大气窗口内，两个相邻热红外通道（一般为10.5～ 11.5μm、11.5～12.5μm）对大气吸收作用的不同，通过两个通道测量值的各种组合 来剔除大气的影响,进行大气和地表比辐射率的修正。
劈窗算法是最早是基于 AVHRR 数据，当然该方法通过一定的参数调整后同样适 于 MODIS 数据。
方法重现
参数计算·大气透过率 原文作者通过MODIS第2波段，第19波段数据反演大气水含量，再通过大气模拟来
确定大气透过率。
方法重现
参数计算·比辐射率
作者研究区包含多种类型地物，需要借助决策树算法进行分类，再计算地表比辐 射率。
重现数据地物主要为森林及农作物，可以视为自然表面，求算地面比辐射率。
大气上行 辐射
地表比 同温黑体 辐射率 出射度
大气下行 辐射
基尔霍夫定律表明，地物地表辐射率等于其辐射吸收率
下行辐射 地物辐射
上行辐射 地物反射
研究方法
构建地表热辐射传输方程
研究方法
构建地表热辐射传输方程 定义系数，令：
������������ = ������������������������(������) ������������ = 1 − ������������ ������ [1 + (1 − ������������)������������(������)]
������������ = ������0 + ������1������������ + ������2������������
其中：������������是地表温度；������������和������������分别是热通道 i 和 j 的亮度温度；������0、������1和������2是参数， 由大气透过率和地表比辐射率等因子确定，不同算法它们的值各不相同。