衛(wèi)星遙感產(chǎn)品支持的單通道法地表溫度反演方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種衛(wèi)星遙感產(chǎn)品支持的單通道法地表溫度反演方法，包括如下步驟：a、收集與待反演影像同時(shí)相的16天合成的MODIS地表植被指數(shù)產(chǎn)品NDVI；b、通過MODIS地表植被指數(shù)產(chǎn)品NDVI與HJ-1B?IRS近紅外波段反射率在降序排列下各個(gè)數(shù)值區(qū)間的像元個(gè)數(shù)百分比匹配，實(shí)現(xiàn)對(duì)HJ-1B?IRS熱紅外波段對(duì)應(yīng)像元的NDVI植被指數(shù)賦值；c、基于NDVI與地表比輻射率的統(tǒng)計(jì)關(guān)系模型，計(jì)算地表比輻射率；d、獲取與IRS數(shù)據(jù)同時(shí)相的MODIS水汽通道數(shù)據(jù)，用三通道比值法來實(shí)現(xiàn)大氣水汽含量的反演，確定HJ-1B?IRS的水汽含量；e、將地表比輻射率和水汽含量代入QK&B算法或JM&S算法得到地表溫度反演結(jié)果。本發(fā)明中地表比輻射率確定精度較高，利于實(shí)現(xiàn)該類型傳感器單通道法地表溫度的反演。
【專利說明】衛(wèi)星遙感產(chǎn)品支持的單通道法地表溫度反演方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星遙感產(chǎn)品支持的單通道法地表溫度反演方法，適用于具有單一熱紅外通道的衛(wèi)星影像的地表溫度遙感反演。
【背景技術(shù)】
[0002]地表溫度是進(jìn)行區(qū)域和全球尺度地球表面物理過程研究的一個(gè)重要參數(shù)，是研究地氣系統(tǒng)能量平衡、地氣相互作用的基本物理量。在環(huán)境以及災(zāi)害監(jiān)測中，地表溫度也發(fā)揮著重要的作用，如對(duì)影響城市生活舒適度的熱島效應(yīng)的監(jiān)測，對(duì)影響農(nóng)作物產(chǎn)量的旱災(zāi)的監(jiān)測，對(duì)危害森林、草地的火災(zāi)監(jiān)測等。因此，精確獲取地表面溫度具有重要的實(shí)際意義。隨著定量遙感技術(shù)的發(fā)展，近年來使用具有熱紅外通道的衛(wèi)星傳感器反演地表溫度的研究也得到越來越多的開展。
[0003]在地表溫度反演中，地表比輻射率的確定是一個(gè)關(guān)鍵的問題，其確定精度直接影響地表溫度的反演精度。常用的地表比輻射率確定方法主要有以下兩種，第一種是基于地表分類的方法。第二種是基于地表比輻射率和植被指數(shù)或植被覆蓋度之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系模型，如Sobrino (2001年)提出的混合像元比輻射率估算方法。由于第二種方法獲取數(shù)據(jù)容易，而且精度較高，被廣泛用于地表溫度反演時(shí)地表比輻射率的確定。但由于部分衛(wèi)星傳感器不能實(shí)時(shí)獲取與熱紅外通道相對(duì)應(yīng)的植被指數(shù)或植被覆蓋信息，限制了地表溫度反演工作的開展。如我國發(fā)射的HJ-1B IRS傳感器與可以獲取植被指數(shù)的HJ-1B C⑶數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域有較大的差異，若用HJ-1B C⑶數(shù)據(jù)來確定HJ-1B IRS覆蓋區(qū)域的植被指數(shù)，一方面不能實(shí)現(xiàn)HJ-1B IRS地表溫度的實(shí)時(shí)反演，另一方面由于受兩個(gè)數(shù)據(jù)上云量之和的影響，會(huì)嚴(yán)重降低反演的空間范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中部分熱紅外數(shù)據(jù)在運(yùn)用單通道方法開展地表溫度反演時(shí)，不能精確地確定地表比輻射率的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種衛(wèi)星遙感產(chǎn)品支持的單通道法地表溫度反演方法，地表比輻射率確定精度較高，利于實(shí)現(xiàn)該類型傳感器單通道法地表溫度的反演。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]衛(wèi)星遙感產(chǎn)品支持的單通道法地表溫度反演方法，包括如下步驟:
[0007]a、收集與待反演影像同時(shí)相的16天合成的MODIS地表植被指數(shù)產(chǎn)品NDVI ；
[0008]b、將步驟a中獲得的MODIS地表植被指數(shù)產(chǎn)品NDVI進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到與IRS數(shù)據(jù)相統(tǒng)一的UTM投影下，并對(duì)MODIS地表植被指數(shù)產(chǎn)品NDVI進(jìn)行重采樣運(yùn)算；
[0009]將MODIS NDVI數(shù)值從大到小等間隔進(jìn)行密度分割，并統(tǒng)計(jì)各個(gè)區(qū)間內(nèi)的像元個(gè)數(shù)及其所占百分比；然后將IRS第I波段反射率值同樣按照降序排列統(tǒng)計(jì)，以與MODIS NDVI區(qū)間范圍占相同百分比為匹配條件對(duì)圖像進(jìn)行分割；
[0010]根據(jù)MODIS影像的NDVI區(qū)間范圍，對(duì)分割后的IRS影像賦予新的NDVI值；[0011]C、基于NDVI與地表比輻射率的統(tǒng)計(jì)模型，計(jì)算地表比輻射率；
[0012]d、獲取與IRS數(shù)據(jù)同時(shí)相的MODIS水汽通道數(shù)據(jù)，用三通道比值法來實(shí)現(xiàn)大氣水汽含量的反演，確定HJ-1B IRS的水汽含量；
[0013]e、將步驟c和步驟d中得到的地表比輻射率ε λ和水汽含量代入QK&B算法或JM&S算法得到地表溫度反演結(jié)果。
[0014]上述步驟b中，具體賦值方法如下:
[0015]bl、根據(jù)土壤的光譜特征，當(dāng)NDVI <0.2，認(rèn)為地表全部由裸土構(gòu)成，對(duì)應(yīng)IRS近紅外波段NDVI取0.2 ;
[0016]b2、考慮當(dāng)植被覆蓋較高時(shí)，NDVI趨于飽和，因此當(dāng)NDVI > 0.7，將對(duì)應(yīng)IRS近紅外波段NDVI統(tǒng)一取最大值0.8 ；
[0017]b3、當(dāng)NDVI在0.2-0.7之間，認(rèn)為地表由植被和裸土兩種地表構(gòu)成，以0.1的間隔等分，對(duì)應(yīng)IRS近紅外波段賦予各區(qū)間的上限值，NDVI依次取0.3-0.7。
[0018]上步驟c中，在NDVI確定之后，植被和土壤的發(fā)射率ε ν、ε s分別由ASTER光譜庫提供的發(fā)射率曲線與IRS熱紅外波段光譜響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行卷積運(yùn)算獲得:ε ν=0.9833，ε s=0.9732 ；
[0019]地表比輻射率ε λ的計(jì)算公式為:ε λ = 0.9732+0.0101*NDVI。
[0020]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0021]本發(fā)明充分考慮到HJ-1B IRS與HJ-1B CXD數(shù)據(jù)的空間覆蓋差異，提出用MODIS的植被指數(shù)產(chǎn)品協(xié)同確定地表比輻射率的方法，利用NDVI和近紅外波段反射率的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過直方圖匹配的方法，完成了 IRS數(shù)據(jù)比輻射率的提取。由于HJ-1B傳感器自身不具有水汽反演能力，本發(fā)明采用MODIS水汽通道協(xié)助提取水汽數(shù)據(jù)，保證了水汽參數(shù)的高精度獲取。本發(fā)明使用衛(wèi)星遙感產(chǎn)品協(xié)同確定地表比輻射率以及水汽含量，從而提高了單通道法地表溫度的反演精度，解決了部分衛(wèi)星傳感器不能實(shí)時(shí)獲取與熱紅外通道相對(duì)應(yīng)的植被指數(shù)或植被覆蓋信息，限制了地表溫度反演工作的開展的問題，能夠更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)地表溫度反演，利于提升遙感產(chǎn)品在環(huán)境以及災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用水平。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明中衛(wèi)星遙感產(chǎn)品支持的單通道法地表溫度反演方法的流程示意圖；
[0023]圖2為2008年12月31日統(tǒng)計(jì)的各個(gè)溫度下像元個(gè)數(shù)的灰度直方圖；
[0024]圖3為2009年I月4日統(tǒng)計(jì)的各個(gè)溫度下像元個(gè)數(shù)的灰度直方圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖以及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明:
[0026]結(jié)合圖1所示，一種衛(wèi)星遙感產(chǎn)品支持的單通道法地表溫度反演方法，具體步驟如下:
[0027]第一步、收集與待反演影像同時(shí)相的16天合成的MODIS地表植被指數(shù)產(chǎn)品NDVI。
[0028]第二步、基于合成的MODIS地表植被指數(shù)產(chǎn)品對(duì)IRS熱紅外波段的NDVI指數(shù)賦值。
[0029]首先，由于HJ-1B IRS與MODIS數(shù)據(jù)投影系統(tǒng)和空間分辨率不完全一致，IRS采用UTM投影，近紅外和熱紅外波段分辨率分別為150m和300m，M0DIS的NDVI產(chǎn)品和地表反射率數(shù)據(jù)采用Sinusoidal投影，分辨率分別為250m和1km，針對(duì)這一問題，本發(fā)明將各類數(shù)據(jù)在統(tǒng)一的UTM投影下，并對(duì)各類影像進(jìn)行重采樣運(yùn)算；
[0030]將MODIS NDVI數(shù)值從大到小等間隔進(jìn)行密度分割，并統(tǒng)計(jì)各個(gè)區(qū)間內(nèi)的像元個(gè)數(shù)及其所占百分比，然后將IRS第I波段反射率值同樣按照降序排列統(tǒng)計(jì)，以與MODIS NDVI區(qū)間范圍占相同百分比為匹配條件對(duì)圖像進(jìn)行分割；
[0031]根據(jù)MODIS影像的NDVI區(qū)間范圍，對(duì)分割后的IRS影像賦予新的NDVI值。具體賦值方法如下:
[0032]1、根據(jù)土壤的光譜特征，當(dāng)NDVI < 0.2，認(rèn)為地表全部由裸土構(gòu)成，對(duì)應(yīng)IRS近紅外波段NDVI取0.2 ;
[0033]2、考慮當(dāng)植被覆蓋較高時(shí)，NDVI趨于飽和，因此當(dāng)NDVI > 0.7，將對(duì)應(yīng)IRS近紅外波段NDVI統(tǒng)一取最大值0.8 ；
[0034]3、當(dāng)NDVI在0.2-0.7之間，認(rèn)為地表由植被和裸土兩種地表構(gòu)成，以0.1的間隔等分，對(duì)應(yīng)IRS近紅外波段賦予各區(qū)間的上限值，NDVI依次取0.3-0.7 ；
[0035]第三步、地表比輻射率確定
[0036]在NDVI確定之后，植被和土壤的發(fā)射率ε ν、ε s分別由ASTER光譜庫提供的發(fā)射率曲線與IRS熱紅外波段光譜響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行卷積運(yùn)算獲得:ε ν=0.9833，ε s=0.9732 ；
[0037]地表比輻射率通過式(I)進(jìn)行估計(jì):
[0038]ε λ = 0.9732+0.0101*NDVI (I)
[0039]通過使用土壤與植被的地物光譜數(shù)據(jù)模擬得出，上述方法確定的植被指數(shù)最大可導(dǎo)致地表比輻射率的誤差為0.001。
[0040]第四步、獲取與IRS數(shù)據(jù)同時(shí)相的MODIS水汽通道數(shù)據(jù)，用三通道比值法來實(shí)現(xiàn)大氣水汽含量的反演。
[0041]因?yàn)镸ODIS與環(huán)境星的過境時(shí)間一致，所以可以利用MODIS的水汽反演結(jié)果支持環(huán)境星。強(qiáng)吸收波段16、17、18波段根據(jù)三通道比值法分別計(jì)算出各個(gè)水汽吸收波段的透過率，因?yàn)樗麖?qiáng)吸收波段，透過率與水汽含量是密切相關(guān)的，利用6S輻射傳輸模型模擬水汽含量與透過率之間的關(guān)系，得到透過率，進(jìn)而得到水汽含量。然后三個(gè)強(qiáng)吸收波段反演得到的水汽含量加權(quán)獲得較準(zhǔn)確的水汽反演結(jié)果。
[0042]第五步、地表溫度反演實(shí)驗(yàn)
[0043]將第三步得到的地表比輻射率ε λ和第四步得到的水汽含量代入QK&B算法或JM&S算法得到地表溫度反演結(jié)果。
[0044]圖2和圖3分別示出了 2008年12月31日、以及2009年I月4日統(tǒng)計(jì)的各個(gè)溫度
下像元個(gè)數(shù)的灰度直方圖，由灰度直方圖可知，地表溫度反演結(jié)果總體趨勢上與MODIS溫度標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品具有較高的一致性，兩種算法反演結(jié)果與MODIS溫度產(chǎn)品相比，大部分像元值誤差都在2k之內(nèi)，可知本發(fā)明得到的地表溫度產(chǎn)品結(jié)果穩(wěn)定。
[0045]通過對(duì)地表溫度反演實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度評(píng)價(jià)，表明本發(fā)明方法反演的地表溫度能夠達(dá)到較高的精度，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
[0046]當(dāng)然，以上說明僅僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，本發(fā)明并不限于列舉上述實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)說明的是，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本說明書的教導(dǎo)下，所做出的所有等同替代、或明顯變形形式，均落在本說明書的實(shí)質(zhì)范圍之內(nèi)，理應(yīng)受到本發(fā)明的保護(hù)。
【權(quán)利要求】
1.衛(wèi)星遙感產(chǎn)品支持的單通道法地表溫度反演方法，其特征在于包括如下步驟: a、收集與待反演影像同時(shí)相的16天合成的MODIS地表植被指數(shù)產(chǎn)品NDVI； b、將步驟a中獲得的MODIS地表植被指數(shù)產(chǎn)品NDVI進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到與IRS數(shù)據(jù)相統(tǒng)一的UTM投影下，并對(duì)MODIS地表植被指數(shù)產(chǎn)品NDVI進(jìn)行重采樣運(yùn)算； 將MODIS NDVI數(shù)值從大到小等間隔進(jìn)行密度分割，并統(tǒng)計(jì)各個(gè)區(qū)間內(nèi)的像元個(gè)數(shù)及其所占百分比；然后將IRS第I波段反射率值同樣按照降序排列統(tǒng)計(jì)，以與MODIS NDVI區(qū)間范圍占相同百分比為匹配條件對(duì)圖像進(jìn)行分割； 根據(jù)MODIS影像的NDVI區(qū)間范圍，對(duì)分割后的IRS影像賦予新的NDVI值； C、基于NDVI與地表比輻射率的統(tǒng)計(jì)模型，計(jì)算地表比輻射率； d、獲取與IRS數(shù)據(jù)同時(shí)相的MODIS水汽通道數(shù)據(jù)，用三通道比值法來實(shí)現(xiàn)大氣水汽含量的反演，確定HJ-1B IRS的水汽含量； e、將步驟c和步驟d中得到的地表比輻射率ελ和水汽含量代入QK&B算法或JM&S算法得到地表溫度反演結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星遙感產(chǎn)品支持的單通道法地表溫度反演方法，其特征在于，所述步驟b中，具 體賦值方法如下: bl、根據(jù)土壤的光譜特征，當(dāng)NDVI <0.2，認(rèn)為地表全部由裸土構(gòu)成，對(duì)應(yīng)IRS近紅外波段 NDVI 取 0.2 ; b2、考慮當(dāng)植被覆蓋較高時(shí)，NDVI趨于飽和，因此當(dāng)NDVI > 0.7，將對(duì)應(yīng)IRS近紅外波段NDVI統(tǒng)一取最大值0.8 ； b3、當(dāng)NDVI在0.2-0.7之間，認(rèn)為地表由植被和裸土兩種地表構(gòu)成，以0.1的間隔等分，對(duì)應(yīng)IRS近紅外波段賦予各區(qū)間的上限值，NDVI依次取0.3-0.7。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星遙感產(chǎn)品支持的單通道法地表溫度反演方法，其特征在于，所述步驟c中，在NDVI確定之后，植被和土壤的發(fā)射率εν、es分別由ASTER光譜庫提供的發(fā)射率曲線與IRS熱紅外波段光譜響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行卷積運(yùn)算獲得:ε v=0.9833，ε s=0.9732 ； 地表比輻射率ε入的計(jì)算公式為:ε λ = 0.9732+0.0101*NDVL.
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK103902839SQ201410155764
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】孫林, 于會(huì)泳, 高濤 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)