高分五號(hào)熱紅外數(shù)據(jù)地表溫度反演算法研究.pdf

1、海表溫度（Sea surface temperature，SST）和陸表溫度(Land surface temperature，LST)在地球表面與大氣相互作用過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。海表溫度對(duì)于從根本上了解海洋物化特性、監(jiān)測(cè)海洋表面熱狀況變化等研究具有重要意義。陸表溫度是眾多其他研究與應(yīng)用的基礎(chǔ)，如土壤水分狀況監(jiān)測(cè)、地?zé)嵛恢门袆e等都離不開(kāi)陸表溫度的測(cè)定。因此對(duì)海表和陸表溫度的研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)性。遙感技術(shù)是獲取區(qū)域尺度海表和陸表溫度信息

2、的唯一切實(shí)可行的手段。
　　隨著遙感技術(shù)的迅猛發(fā)展，研究者也越發(fā)重視高分辨率影像的使用。我國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)（以下簡(jiǎn)稱為高分專項(xiàng)）于2010年5月開(kāi)展實(shí)施。作為高分系列的第五顆衛(wèi)星，高分五號(hào)（Gaofen-5，GF-5）衛(wèi)星預(yù)計(jì)于2017年下半年發(fā)射，其攜帶的全譜段光譜成像儀(Multiplespectral-imager, MSI)具有空間分辨率達(dá)40米的熱紅外波段。相比其他中、低空間分辨率數(shù)據(jù)而言，高空間分辨率熱紅

3、外數(shù)據(jù)能夠很好的滿足探討城市熱島效應(yīng)的形成機(jī)制、研究海灣水體熱特性、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)沿海核電站溫排水分布范圍等小區(qū)域精細(xì)研究的需求。因此，針對(duì)GF-5衛(wèi)星熱紅外數(shù)據(jù)的地表參數(shù)反演算法研究勢(shì)在必行。
　　本文旨在為GF-5衛(wèi)星提供海表和陸表溫度反演算法。首先回顧了國(guó)內(nèi)外關(guān)于海表和陸表溫度的研究現(xiàn)狀，給出了熱紅外遙感中重要的基本概念和定律，介紹了本研究需使用的相關(guān)數(shù)據(jù)以及模擬數(shù)據(jù)的生成過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，從分裂窗算法的發(fā)展機(jī)理入手，開(kāi)展海

4、表和陸表溫度反演算法研究。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)由于海水在分裂窗通道的比輻射率接近1，因此在發(fā)展海表溫度反演算法時(shí)，我們將海水視為比輻射率為1的黑體輻射源。分析分裂窗算法發(fā)展過(guò)程中的兩個(gè)假設(shè)和近似條件[(i)普朗克函數(shù)使用泰勒公式線性化，(ii)兩個(gè)相鄰?fù)ǖ来髿獾刃囟认嗟?Tai=Taj)]導(dǎo)致的溫度反演誤差。對(duì)于普朗克函數(shù)線性化的誤差，以輻射傳輸方程為基礎(chǔ)，對(duì)普朗克函數(shù)采用泰勒公式的二階展開(kāi)式近似，并經(jīng)過(guò)一定的數(shù)理推導(dǎo)

5、，給出普朗克函數(shù)線性化誤差的修正公式。
　　對(duì)于Tai=Taj這一假設(shè)條件的修正，通過(guò)分析兩個(gè)通道各自的大氣上行輻亮度和大氣透過(guò)率計(jì)算的Tai和Taj值，發(fā)現(xiàn)二者之間是呈線性關(guān)系。如果在分裂窗算法推導(dǎo)過(guò)程中使用這種大氣等效溫度之間的線性關(guān)系，可以將Tai=Taj這一假設(shè)造成的溫度誤差由RMSE=1.74 K降低至RMSE=0.62 K。
　　(2)將普朗克函數(shù)線性化誤差修正公式以及大氣等效溫度間的線性關(guān)系應(yīng)用到兩個(gè)通道中以推

6、導(dǎo)海表溫度反演算法，并對(duì)推導(dǎo)出的算法進(jìn)行分析簡(jiǎn)化，發(fā)現(xiàn)新推導(dǎo)出的算法可以簡(jiǎn)化為二次項(xiàng)分裂窗算法。說(shuō)明在二次項(xiàng)分裂窗算法中，實(shí)際上已經(jīng)包含了普朗克函數(shù)泰勒公式的二階展開(kāi)式和大氣等效溫度間的不等關(guān)系。使用二次項(xiàng)分裂窗算法反演海表溫度，可以得到RMSE=0.30K的算法反演誤差。采用歐洲氣象衛(wèi)星組織(European Organisation for the Exploitation ofMeteorological Satellites,

7、EUMETSAT) Ocean and Sea-Ice Satellite Application Facility(OSI-SAF)生產(chǎn)的Matchup Data Set數(shù)據(jù)集驗(yàn)證二次項(xiàng)分裂窗算法，結(jié)果表明，在衛(wèi)星觀測(cè)天頂角小于20°的情況下，二次項(xiàng)分裂窗算法可以用于海表溫度獲取，其算法誤差為RMSE=0.41 K。
　　(3)探究陸表比輻射率對(duì)Ts-T與Ti-Tj（Ts表示地表溫度，Ti和Tj分別表示通道i和通道j的星上亮溫）

8、之間二次項(xiàng)關(guān)系的影響，研究發(fā)現(xiàn):隨著兩個(gè)通道的平均比輻射率(ε)變小，Ts-Ti與Ti-Tj間的二次項(xiàng)關(guān)系被改變了，且這種二次項(xiàng)關(guān)系也受兩個(gè)通道比輻射率之差(△ε)的影響。當(dāng)ε=0.90，△ε=-0.02時(shí)，二次項(xiàng)分裂窗算法能造成RMSE為1.71 K的誤差。為此，針對(duì)ε=0.90，△ε=-0.02的情況，將二次項(xiàng)分裂窗算法中的系數(shù)固定為黑體情況下所得的系數(shù)，分析算法中常量的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在低比輻射率情況下，這一常量受大氣水汽含量

9、和大氣近地表氣溫的影響，而大氣水汽含量和近地表氣溫之間又呈近似指數(shù)的關(guān)系，借助這一指數(shù)關(guān)系，可以避免使用近地表氣溫這一參數(shù)，僅用大氣水汽含量來(lái)參數(shù)化二次項(xiàng)分裂窗算法中的常量，以此來(lái)改進(jìn)二次項(xiàng)分裂窗算法。利用模擬數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，結(jié)果表明改進(jìn)后的分裂窗算法誤差為RMSE=0.70 K。對(duì)于給定的比輻射率，如ε=0.90，△ε=-0.02，改進(jìn)后的算法陸表溫度反演誤差為RMSE=0.85 K。
　　(4)借助于ASTER L1B衛(wèi)星數(shù)據(jù)驗(yàn)證