一種利用中紅外遙感數(shù)據(jù)確定地表溫度的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于遙感定量反演的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用中紅外遙感數(shù)據(jù)確定地 表溫度的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 地表溫度在地-氣相互作用過(guò)程中扮演著十分重要的角色，是全球變化研究的關(guān) 鍵參數(shù)之一，對(duì)水文、生態(tài)、環(huán)境和生物地球化學(xué)等研究有非常重要的意義，并且在農(nóng)業(yè)氣 象、熱慣量計(jì)算等方面也有重要的應(yīng)用價(jià)值。地表溫度的定量遙感反演對(duì)推動(dòng)旱災(zāi)預(yù)報(bào)和 作物缺水研究、農(nóng)作物產(chǎn)量估算、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、全球氣候變化和全球碳平衡等領(lǐng)域的研究 起著非常重要的作用。
[0003] 迄今為此，衛(wèi)星傳感器已獲取了幾十年（1978年以來(lái)）的中紅外（光譜區(qū)為 3-5μπι)遙感數(shù)據(jù)，可遺憾的是，這些數(shù)據(jù)還沒有被很好地應(yīng)用于陸地環(huán)境研究中，以至于 中紅外通道被稱作"忽視了的通道"。其主要原因是這一光譜區(qū)光譜信號(hào)的組成非常復(fù)雜。 在白天衛(wèi)星測(cè)量的中紅外遙感數(shù)據(jù)中，不僅包含反射的太陽(yáng)光譜，而且還包含地表和大氣 的發(fā)射光譜。與別的大氣窗口相比，中紅外光譜具有很多與其它大氣窗口不一樣的特點(diǎn)： ①對(duì)比可見光和近紅外，中紅外受氣溶膠影響?。虎趯?duì)比熱紅外，中紅外受水汽吸收的影響 很小，幾乎可以忽略；③對(duì)比熱紅外波段，不同物體在中紅外波段的比輻射率和反射率變化 都很大；④在地表溫度反演方面，中紅外波段對(duì)比輻射率的精度要求熱紅外波段要低得多； ⑤中紅外波段對(duì)能量變化敏感性強(qiáng)；⑥中紅外波段的比輻射率對(duì)植被和土壤中水分的變化 靈敏性高?？梢?，在陸地環(huán)境研究中，中紅外輻射光譜具有很大的優(yōu)勢(shì)?？墒牵z憾的是，由 于目前還沒有一種真正的基于物理機(jī)制上精確的方法來(lái)分離中紅外的反射輻射和發(fā)射輻 射，所以還不能很好地利用白天衛(wèi)星獲取的中紅外輻射數(shù)據(jù)。
[0004] 由于中紅外數(shù)據(jù)受大氣水汽的干擾小，亦能穿透部分霧霾和煙霧，并且受比輻射 率誤差的影響小，故利用中紅外遙感數(shù)據(jù)反演地表溫度比熱紅外更有優(yōu)勢(shì)。然而，目前還沒 有一種有效地分離白天中紅外遙感數(shù)據(jù)反射輻射和發(fā)射輻射的方法，導(dǎo)致利用中紅外遙感 數(shù)據(jù)確定地表溫度非常困難。因此，為了解決白天中紅外遙感數(shù)據(jù)反射輻射和發(fā)射輻射的 有效分離，發(fā)展一種利用中紅外遙感數(shù)據(jù)確定地表溫度的方法和裝置，實(shí)現(xiàn)中紅外遙感數(shù) 據(jù)地表溫度的反演，是本發(fā)明的初衷所在。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用中紅外遙感數(shù) 據(jù)確定地表溫度的方法和裝置。
[0006] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：一種利用中紅外遙感數(shù)據(jù)確定地表 溫度的方法，實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0007] 步驟（Α)、利用中分辨率成像光譜儀M0DIS數(shù)據(jù)的中紅外波譜區(qū)第22 (3. 929μm- 3. 989μm)和23 (4. 020μm- 4. 080μm)通道輻射亮度數(shù)據(jù)和大氣參數(shù)數(shù)據(jù)，結(jié)合發(fā)展的中 紅外地表雙向反射率遙感反演方法，確定第22和23通道的地表雙向反射率；
[0008] 步驟（B)、利用步驟（A)中獲取的中紅外通道地表雙向反射率，結(jié)合發(fā)展的地表方 向比輻射率遙感反演方法，確定第22和23通道的地表方向比輻射率；
[0009]步驟（C)、利用步驟㈧和步驟⑶分別得到的中紅外地表雙向反射率和方向比輻 射率，結(jié)合發(fā)展的地表溫度遙感反演方法，確定地表溫度。
[0010] 其中，所述步驟（A)中確定M0DIS第22和23通道地表雙向反射率的過(guò)程是：
[0011]A1.根據(jù)中紅外波譜區(qū)大氣輻射傳輸理論，在局地?zé)崃W(xué)平衡條件下，中紅外輻射 傳輸方程可近似表示為：
[0012]
[0013] 式中，BJI^)是衛(wèi)星傳感器在i通道測(cè)量的輻射亮度值，τ1是i通道總的大氣透 過(guò)率，Ratni丨和Ratni丨分別是i通道測(cè)量的大氣的上行和下行輻射，和i分別 是i通道測(cè)量的大氣散射的太陽(yáng)上行和下行輻射，馬是到達(dá)地面的太陽(yáng)直射輻射，這些參數(shù) 可通過(guò)大氣輻射傳輸模型M0DTRAN，結(jié)合大氣廓線數(shù)據(jù)計(jì)算得到。確定地表溫度Ts，需要先 反演出地表雙向反射率Pbl和地表方向比輻射率ε1;
[0014]Α2.M0DIS數(shù)據(jù)的中紅外地表雙向反射率Pbl可由下式得到：
[0015]
[0016]
[0017]
[0018]Tgl表示i通道的地表亮溫，表示在沒有太陽(yáng)直射輻射條件下i通道的地表亮 溫。ai_a3是回歸系數(shù)，它們僅是太陽(yáng)天頂角的函數(shù)，與地表參數(shù)和大氣條件無(wú)關(guān)。
[0019] 其中，所述步驟（B)中確定M0DIS第22和23通道地表方向比輻射率的過(guò)程是：
[0020] B1.根據(jù)RossThick-LiSparse-R核驅(qū)動(dòng)模型，地表雙向反射率可表示為：
[0021]
[0022] 式中，kls。是各向同性散射系數(shù)，kVC]1是Roujean體散射核fVC]1的系數(shù)，kge。是 LiSparse-R幾何面散射核fgM的系數(shù)。fVC]1和是都是觀測(cè)天頂角θv、太陽(yáng)天頂角 和相對(duì)方位角供的函數(shù)。利用步驟（A)中得到的至少三組地表雙向反射率，便能擬合出系 數(shù)kisC]、kVC]1 和kge。；
[0023]B2.根據(jù)基爾霍夫定律，對(duì)于局地?zé)崃W(xué)平衡的非透明地物，其方向比輻射率可以 表示為：
[0024]ε(θv)=1-jtklso-kvolIfvol (Θv) -kgeoIfgeo (Θv) (5)
[0025] 式4
[的下標(biāo)x表示vol和geo。 利用擬合得到的核系數(shù)klscl、kvc^Pk，便能計(jì)算得到M0DIS第22和23通道的地表方向比 輻射率。
[0026] 其中，所述步驟（C)中確定地表溫度的過(guò)程是：根據(jù)中紅外大氣輻射傳輸方程，利 用大氣參數(shù)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星傳感器觀測(cè)的輻射亮度數(shù)據(jù)，并結(jié)合步驟（A)和（B)中分別獲取的 中紅外通道地表雙向反射率和地表方向比輻射率，反演得到地表溫度。
[0027] 本發(fā)明提供實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置，其包括：地表雙向反射率反演模塊、地表方向比 輻射率反演模塊和地表溫度反演模塊，其中：
[0028] 地表雙向反射率反演模塊，該模塊功能為：利用經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理的M0DIS中紅外 通道遙感數(shù)據(jù)以及大氣參數(shù)數(shù)據(jù)，結(jié)合第22和23通道的光譜響應(yīng)函數(shù)，根據(jù)反演算法，獲 取中紅外通道的地表雙向反射率。具體為：假設(shè)第22和23通道的地表雙向反射率相等，以 及無(wú)太陽(yáng)直射輻射情況下兩通道的地表亮溫相等的條件下，根據(jù)回歸系數(shù)％- &3，獲取在無(wú) 太陽(yáng)直射輻射情況下第22和23通道的地表亮溫巧_,，進(jìn)而計(jì)算得到第22和23通道的地表 雙向反射率；
[0029] 地表方向比輻射率反演模塊，該模塊功能為：利用獲取的至少三組的中紅外地表 雙向反射率，根據(jù)核驅(qū)動(dòng)模型，擬合出各向同性散射系數(shù)klsc]、體散射系數(shù)kVC]1和幾何散射系 數(shù)kgra，再根據(jù)基爾霍夫定律，利用發(fā)展的核驅(qū)動(dòng)系數(shù)半球積分參數(shù)化模型，計(jì)算得到第22 和23通道的地表方向比輻射率；
[0030] 地表溫度反演模塊，該模塊功能為：根據(jù)中紅外大氣福射傳輸方程，利用大氣參數(shù) 數(shù)據(jù)和衛(wèi)星傳感器觀測(cè)的輻射亮度數(shù)據(jù)，結(jié)合反演的中紅外通道地表雙向反射率和地表方 向比輻射率，確定地表溫度。
[0031] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0032] (1)、通過(guò)本發(fā)明的步驟實(shí)現(xiàn)了傳感器白天測(cè)量的中紅外遙感數(shù)據(jù)中反射輻射和 發(fā)射輻射的有效分離，為中紅外遙感數(shù)據(jù)的利用提供了技術(shù)支持。
[0033](2)、通過(guò)本發(fā)明的步驟實(shí)現(xiàn)了中紅外遙感數(shù)據(jù)中地表溫度的反演，為地表溫度的 遙感反演開辟了新的途徑。
[0034](3)、本發(fā)明提出的利用中紅外遙感數(shù)據(jù)確定地表溫度的方法中，僅使用白天測(cè)量 的中紅外數(shù)據(jù)，有效地減少了遙感定量化研究中的誤差來(lái)源，突破了以往使用白天/晚上 數(shù)據(jù)、中紅外和熱紅外相結(jié)合的地表溫度遙感反演方法，提高了反演精度，實(shí)現(xiàn)新技術(shù)與創(chuàng) 新研究的結(jié)合。
[0035] (4)、本發(fā)明建立的利用中紅外遙感數(shù)據(jù)確定地表溫度的裝置是通過(guò)地表雙向反 射率反演模塊、地表方向比輻射率反演模塊和地表溫度反演模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，模塊具有操作 簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0036] 圖1是本發(fā)明確定地表溫度的總體流程示意圖；
[0037] 圖2是本發(fā)明確定中紅外數(shù)據(jù)地表雙向反射率的流程示意圖；
[0038] 圖3是本發(fā)明確定中紅外數(shù)據(jù)地表方向比輻射率的流程示意圖；
[0039] 圖4是本發(fā)明確定中紅外數(shù)據(jù)地表溫度的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 如圖1所示，本發(fā)明具體實(shí)施例如下：
[0041]一種利用中紅外遙感數(shù)據(jù)確定地表溫度的方法，實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0042] 步驟（A)、利用中分辨率成像光譜儀M0DIS數(shù)據(jù)的中紅外波譜區(qū)第22 (3. 929μm- 3. 989μm)和23 (4. 020μm- 4. 080μm)通道輻射亮度數(shù)據(jù)和大氣參數(shù)數(shù)據(jù)，結(jié)合中紅外地 表雙向反射率反演方法，確定第22和23通道的地表雙向反射率。該步驟主要通過(guò)地表雙 向反射率反演模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)施方式為：
[0043] A. 1無(wú)太陽(yáng)直射輻射貢獻(xiàn)時(shí)地表亮溫ζ的確定
[0044] 在假設(shè)M0DIS第22和23通道的地表雙向反射率相等，以及無(wú)太陽(yáng)直射輻射情況 下兩通道的地表亮溫相等的條件下，發(fā)展了如下公式來(lái)計(jì)算無(wú)太陽(yáng)直射輻射貢獻(xiàn)情況下地 表亮溫g值：
[0045]
[0046] 式中，1；_22和T^分別是第22和23通道在地面上測(cè)量的亮溫值。a是回歸系 數(shù)，它們僅是太陽(yáng)天頂角的函數(shù)，與地表參數(shù)和大氣條件無(wú)關(guān)，計(jì)算公式如下：
[0047]a;=bli+b2icos(SZA)+b3icos2