基于辐射传输方程和分裂窗算法的Landsat 8数据地表温度反演对比研究

地表温度作为陆地和大气能量平衡的重要参数,已经广泛应用于环境、农业等领域。以太谷县为例,基于Landsat 8卫星影像数据,利用ENVI软件,应用辐射传输方程和分裂窗算法对太谷县地表温度进行了反演以及对反演结果进行了对比分析,研究结果如下:采用辐射传输方程进行地表温度反演结果为地表温度集中在15°~24°,应用分裂窗算法反演的地表温度结果主要集中在18°~27°,分裂窗算法的结果地表温度大部分都高于辐射传输方程的反演的地表温度,两者的结果中都能看出有明显的城市热导效应,城镇居民点的地表温度相对较高,另外城镇居民点两种反演结果的温度差也较大。     

基于MODIS的祁连山区陆面温度反演算法比较

基于MODIS影像,利用7种分裂窗算法对祁连山区的陆面温度参数进行了反演.通过算法间直方图对比、算法间RMS误差分析,认为Becket-Li(1990)的算法比较适合本研究区的陆面温度反演.不仅和其他算法反演结果的相对误差较小,精度上可以保证,而且算法简单,不用考虑大气水汽含量对算法造成的误差影响.通过分裂窗算法误差估计,研究区分裂窗算法反演地表温度的精度为0.5～2.7℃,其中水体和冰川积雪的估算误差较小,而植被和裸土的混合地表误差较大.     

基于实测值的Landsat 8水面温度反演算法对比——以太湖为例

水面温度是影响湖泊物理、化学、生物和生态过程的关键因素,遥感反演可以扩展获取水面温度的空间尺度,现有研究多选择表层水温或其他温度产品而非实际水面温度来验证遥感反演结果。为获取太湖水面温度的最佳反演算法,首先量化水面温度与水下20 cm和50 cm水温的差异,再基于太湖四季典型日期的Landsat 8热红外数据,利用辐射传输方程法（radiative transfer equation, RTE算法）、覃志豪单窗算法（mono-window algorithm, MW算法）、Offer Rozenstein劈窗算法（split window, SW1算法）和Jiménez-Mu?oz劈窗算法（SW2）反演水面温度,以实测值验证反演结果。结果表明：太湖水面温度与表层水温存在显著差异,白天水面温度分别比20 cm和50 cm深处水温高3.6 K和5.6 K,Landsat 8过境时刻水面温度分别比20 cm和50 cm深处水温高2.7 K和2.9 K;以实测值为准,SW2算法对太湖水面温度的反演效果最佳,绝对误差范围为0.1~1.4 K,MW和RTE算法次之,SW1算法反演效果最差,在低温/高温时的反演值较实测值偏低/高2.0~3.0 K;四种算法均能反演出太湖水面温度的时间变化,但难以量化其空间格局。     

附加气溶胶信息以改进地表温度反演算法

FY-3A上搭载的中分辨率成像光谱仪(MERSI)和扫描辐射计(VIRR)都包含热红外通道,可用于地表温度的反演。结合热红外通道的光谱响应函数,用MODTRAN模拟清洁大气、城市气溶胶、乡村气溶胶和沙尘气溶胶条件下的亮温值,通过分裂窗算法求解不同气溶胶类型和光学厚度下的地表温度。结果表明:气溶胶类型和光学厚度之间的差异会造成热红外通道的亮温差发生变化,这一现象在VIRR的热红外通道表现得尤为显著。通过拟合系数和气溶胶光学厚度之间的关系建立新的反演算法,发现:在分裂窗算法基础上加入气溶胶光学厚度这一参量之后,地表温度反演的均方根误差有所降低,尤其是在气溶胶浓度高时改进效果更佳,其中对城市气溶胶这一类型改善效果明显(RMSE由0.814 K下降到0.442 K,BIAS从0.998K降到0.668 K)。     

利用分裂窗直方图法对半透明云云顶高度的反演研究

针对2016年4 — 9月90°—140°E, 15°—55°N区域的半透明云, 使用分裂窗直方图法, 利用Himawari-8的AHI观测数据进行云顶高度反演。首先使用阈值法筛选出半透明云区; 然后基于分裂窗直方图法, 利用Himawari-8的10.4 μm 和12.4 μm两个分裂窗通道数据以及ERA-Interim再分析资料中的温度气压层数据和位势高度气压层数据反演云顶高度, 并将反演结果与CloudSat的2B-GEOPROF产品数据进行匹配和对比, 结果表明: 1) 分裂窗直方图法对 Himawari-8数据反演半透明云云顶高度的结果与CloudSat的数据结果较一致, 均方根偏差为1.45 km; 2) 海陆类型对反演结果没有明显的影响。所提算法有较强的适用性, 可以应用于不同卫星的分裂窗通道数据反演, 特别是对中国新一代静止气象卫星风云四号的业务反演有理论参考价值。     

地表温度异常机理及热红外遥感监测——以河南焦作煤层气富集区为例

在地表能量辐射平衡理论分析的基础上,从岩石热传导、土壤热传导以及煤层气储层影响热导率等方面分析了地下热传导,探讨了地球内部热量传递导致地表温度异常的原因.选择河南焦作煤层气富集区作为热红外遥感监测靶区,运用ASTER热红外遥感数据进行温度反演.首先利用大气辐射传输模型MODTRAN 4进行大气校正获得大气透过率,然后根据NDVI计算地表比辐射率,最后采用分裂窗简化算法反演地表温度.结果表明: 研究区温度反演最低为296.62K,最高为302.67K,部分研究区呈现显著温度异常.通过分析该区域温度异常的不同原因,注意到富含煤层气对应的靶区呈现温度异常,根据地下热传导机理,据此推断该靶区温度异常是由于地下煤层富含煤层气从而导致地下热导率低于周围地层的热导率所致,该结论仍需要应用其他手段进一步验证.     

基于卫星红外遥感的云顶高度反演算法综述

针对近年来利用卫星可见和红外波段遥感数据反演云顶高度的算法,对国内外研究进展和存在的问题进行综述。首先,主要介绍以红外窗区和CO_2吸收技术为主的红外波段反演算法;在此基础上,进一步介绍目前相关国家和地区的业务算法,对这些方法在实际应用中的优缺点予以评述,提出针对中国地区云顶高度反演的解决方案。将来,有发展前途的方法为基于红外分裂窗的查算表法,利用静止卫星的分裂窗数据及极轨卫星云廓线雷达数据,建立基于分裂窗亮温差和11μm通道亮温的云顶高度查算表,根据分裂窗亮温差和11μm亮温查表得到云顶高度。     

地表温度异常机理及热红外遥感监测——以河南焦作煤层气富集区为例

在地表能量辐射平衡理论分析的基础上,从岩石热传导、土壤热传导以及煤层气储层影响热导率等方面分析了地下热传导,探讨了地球内部热量传递导致地表温度异常的原因。选择河南焦作煤层气富集区作为热红外遥感监测靶区,运用ASTER热红外遥感数据进行温度反演。首先利用大气辐射传输模型MODTRAN 4进行大气校正获得大气透过率,然后根据NDVI计算地表比辐射率,最后采用分裂窗简化算法反演地表温度。结果表明:研究区温度反演最低为296.62K,最高为302.67K,部分研究区呈现显著温度异常。通过分析该区域温度异常的不同原因,注意到富含煤层气对应的靶区呈现温度异常,根据地下热传导机理,据此推断该靶区温度异常是由于地下煤层富含煤层气从而导致地下热导率低于周围地层的热导率所致,该结论仍需要应用其他手段进一步验证。     

基于LANDSAT 8城市地温反演精度分析

利用LANDSAT 8数据,通过大气校正法和单窗算法反演的福州城市地温与福建省气象局提供的30个地面监测站的地温进行对比,估算遥感地温两种反演方法的精度,获得反演地温的经验纠正模型.结果表明:利用大气校正法和单窗算法反演出的福州城市地温范围分别为20.52~50.14℃和18.38~49.97℃,平均地温分别为29.35℃和27.51℃;以地面站点观测值为基准(n=30),大气校正法反演结果的MEA、MRE、RMSE为7.66℃、32%、8.14℃,单窗算法反演结果的MEA、MRE、RMSE为5.98℃、25%、6.62℃;以地面站点观测值空间插值为基准(n=500),大气校正法反演结果的MEA、MRE、RMSE为5.95℃、23%、6.89℃,单窗算法反演结果的MEA、MRE、RMSE为4.47℃、17%、5.63℃.因此,单窗算法的地温估算精度高于大气纠正法,其地温纠正模型为:TS=0.329 7TS+15.469,纠正后MEA、MRE、RMSE分别为1.28℃、5%、1.62℃.     

基于Landsat-8热红外数据的太湖地区地表温度反演与热岛效应分析

应用Landsat-8 TIRS遥感数据结合气象资料,使用三种不同的反演方法获得苏南太湖地区的地表温度(LST)数据.分析发现,辐射传输方程法反演的结果最接近于实测值;在缺乏实时大气廓线的情况下,普适性单通道算法更适用于Landsat-8热红外波段的地表温度反演;分裂窗算法在三种算法中精度最差.在反演结果的基础上,分析了不同地物的LST特征,建筑用地温度最高,水体最低.归一化植被指数(NDVI)和LST之间存在明显的负相关关系,证明了城市绿地是缓解城市热岛效应、改善城市热环境的重要途径.最后对2000年和2014年的两时相LST进行标准化和分区处理,分析发现,苏南太湖地区的热岛现象近些年来在不断加剧,城市热岛由原来单个存在逐渐成为多个热岛并存的局面,建筑用地的增加是导致整个城市热岛加剧的主要原因.     

陆面温度劈窗算法的试算对比与应用

应用四种典型的劈窗算法,对南宁市区范围1998～2001年36景NOAA-AVHRR图像数据进行陆面温度的试算对比,并用四个气象观测站点的地面观测数据预测图像相应时刻的地温来与各种算法反演地温相对比.在此过程中,对图像数据进行了大气散射校正,并使用大气散射校正数估算大气水分含量.最后,采用一种劈窗算法制作了南宁市城区陆面温度等值线图,得到比较理想的结果.     

基于Landsat 8TIRS的地表温度反演算法对比分析

为研究地表温度反演算法之间的异同,以神东矿区为例,以Landsat 8 TIRS为数据源,利用辐射传导方程法、基于影像算法(image-based method,IB算法)、单窗算法(mono-window algorithm,MW算法)和单通道算法(single-channel method,SC算法)分别反演研究区地表温度,并用MODIS地表温度(land surface temperature,LST)数据进行验证,结果表明辐射传导方程法、MW算法和SC算法分别高于MODIS LST数据0.19 K、0.03 K和0.58 K,IB算法低于MODIS LST数据0.65 K,四种算法与MODIS LST数据的相关系数均达到0.9以上,其中MW算法与MODIS LST数据相关系数为0.971 1,精度最高。     

NOAA气象卫星云检测方法研究

目前,NOAA卫星的热红外通道已经被广泛应用到反演陆表温度领域,且在此反演研究中,理论研究以及实践阶段均已取得可喜的成果;但对于把海面和陆面组合整体利用同一种模型来反演大陆海岸线的参数这一问题,目前还未找到有效的解决办法。本论文通过对海表除云的概括,分窗口技术的探讨和在海陆边界温度反演中对几个重要参数的确定的新探索,联系几种不同方法温度反演的结果进行分析和比较．得出反演结果的正确性和方法的可行性。     

基于卫星遥感数据的陆面温度反演算法研究

针对NODIS(Moderate Resolution Image Spectroradiometer)遥感数据每天4次过境(2颗星)的特点,利用两个红外通道(本研究选取31通道和32通道)在2个不同时刻的遥感数据,提出了2通道反演算法,找出了非均匀地表温度遥感反演的可行方法,并在实验区进行了反演实验,取得了与实际状况几乎一致的陆地表面温度反演结果.图1,表2,参9.     

气象卫星遥感陆表温度产品在公路路面温度监测中的应用

 使用FY-2G和Himawari-8卫星反演陆表温度产品,以天津境内津蓟高速和山西境内京昆高速有交通站观测的路段为试验对象,开展了卫星反演陆表温度产品在公路路面温度监测中的适用性及应用方法研究。卫星遥感陆表温度能够较好地反映出公路路面温度的日变化特征和逐日变化趋势,两者之间具有较好的相关性。使用线性回归方法,建立了卫星陆表温度的订正模型,并对实时卫星陆表温度产品进行滚动订正,大大降低了卫星反演陆表温度与实际路面温度之间的偏差。夏季时段平均绝对偏差由订正前的6.98℃降低至2.57℃,冬季时段由订正前的3.84℃降低至1.62℃。该方法在2017年5月18日京津冀周边地区一次高温过程路面温度的监测分析中具有较好的应用效果。     

南京市通风廊道研究

采用Landsat 8 OLI_TIRS卫星数字产品,借鉴NOAA-AVHRR反演地表温度的劈窗算法对南京地区的地表温度进行反演。利用南京城市地表温度的分析结果,采用基于局地环流的德国城市通风廊道的构建理论,分析了南京市通风廊道的作用空间与补偿空间;随后对空气引导通道进行了详细地分析;同时考虑到南京市的主导风向和南京都市区绿地系统规划,由此构建了"四横一纵"五条通风廊道,以增加城市空气的流动性,减缓城市热岛效应以及城市雾霾天气污染。     

利用微波亮温资料反演陆地和海洋降水方案的对比

为研究微波亮温资料在反演陆地和海洋降水中的效果和差异,利用TRMM卫星的PR（2A25）和TMI（1B11）资料,从1998～2004年的观测资料中,每年分别选取了一次陆地和海洋上的强降水个例,采用4种组合方案进行了TMI反演降水试验.结果表明,无论是洋面降水还是陆地降水,采用全通道的组合方案都是最佳的.全通道的对数组合方案是反演洋面降水的一种理想方法.而对于陆地降水,全通道直接组合方案在总体上体现了较强的优势,是反演陆地降水的一种较为理想的方法,同时尽管陆面发射率高,往往淹没低频信号,但高、低频微波通道组合的反演结果仍优于单独使用高频亮温通道组合的反演结果.     

利用ETM+和MODIS数据反演陆地表面温度

Landsat 7 ETM+数据是一种常用的中分辨率卫星遥感数据,它的热红外波段的空间分辨率为60m,是目前星载遥感数据中分辨率最高的。然而由于Landsat 7 ETM+只有一个热红外波段,给ETM+陆地表面温度反演造成了困难。本文在前人研究的基础上开展ETM+数据陆地表面温度反演研究,首先利用MODIS数据反演总大气水蒸汽含量,然后利用普适性单通道算法从ETM+数据得到陆地表面温度,试验结果表明该方法能够取得较好的反演结果。