定量遥感课件：地表温度反演.ppt

1、地表物质的热学性质及地表物质的热学性质及地表温度的反演地表温度的反演地表物质的热学性质地表物质的热学性质热容热容Heat Capacity (C): 温度每升高温度每升高1度，对应热能度，对应热能(Q)增加量的度量。增加量的度量。表示了一种材料存储热的能力表示了一种材料存储热的能力, 单位为单位为cal -1 。(与物体大小有关与物体大小有关)比热比热specific heat (c) : 一定条件下单位质量的物质升高一定条件下单位质量的物质升高1 所需所需的热量的热量.地表物质的热学性质地表物质的热学性质热传导率热传导率Thermal Conductivity (K): 热量通过物体的速率的

2、度量。单位时间内通热量通过物体的速率的度量。单位时间内通过单位面积的热量与垂直于表面方向上的温过单位面积的热量与垂直于表面方向上的温度梯度的负值之比。单位为度梯度的负值之比。单位为Wm-1K-1 。热惯量热惯量Thermal Inertia (P): 物质对温度变化的热反应的一种量度（一种物质对温度变化的热反应的一种量度（一种材料对温度变化的阻抗），决定于热传导率材料对温度变化的阻抗），决定于热传导率(K)，热容量，热容量(C)和密度和密度(r r)。地表物质的热学性质地表物质的热学性质地表物质的热学性质地表物质的热学性质热扩散率热扩散率Thermal diffusivity (k): 表征物

3、质内部温度变化的速率，其值决定于表征物质内部温度变化的速率，其值决定于单位时间内沿法线方向通过单位面积的热量单位时间内沿法线方向通过单位面积的热量与物质的比热、密度、法向上温度梯度三者与物质的比热、密度、法向上温度梯度三者的乘积之比。的乘积之比。地表温度的反演地表温度的反演地表温度的反演地表温度的反演 为什么要测量地表温度？为什么要测量地表温度？ 地表温度是地地表温度是地-气系统研究能量平衡的一气系统研究能量平衡的一个关键因子。除了太阳辐照度之外，地个关键因子。除了太阳辐照度之外，地-气气界面所有的通量都可参数化为温度的一个界面所有的通量都可参数化为温度的一个函数。函数。地表温度的反演地表温度

4、的反演如何获得地表温度？如何获得地表温度？ 利用温度计或其它点接触探测头测定利用温度计或其它点接触探测头测定受时间和空间的限制，没有足够的空间覆盖数据受时间和空间的限制，没有足够的空间覆盖数据受其它外界环境的影响很难获得精确的表面温度受其它外界环境的影响很难获得精确的表面温度 利用热红外辐射仪来测定利用热红外辐射仪来测定 在局部尺度上：在局部尺度上： 地面测量地面测量 在大、中尺度上：在大、中尺度上： 卫星空间测量卫星空间测量 测量的量是波谱辐射能测量的量是波谱辐射能 Ts，e e, 大气和周围环境大气和周围环境陆面温度遥感反演面临的主要问题陆面温度遥感反演面临的主要问题(1)(1) 非同温混

5、合象元占绝大多数，对这样的象非同温混合象元占绝大多数，对这样的象元而言，定义象元的有效平均温度也比较元而言，定义象元的有效平均温度也比较困难，关于这类非同温混合象元的陆面温困难，关于这类非同温混合象元的陆面温度遥感问题需要专门讨论。度遥感问题需要专门讨论。(2)(2) 对纯象元陆面温度的遥感问题，由于陆面对纯象元陆面温度的遥感问题，由于陆面目标的比辐射率明显小于目标的比辐射率明显小于“1”1”，所以需要，所以需要考虑大气下行辐射的贡献与干扰。考虑大气下行辐射的贡献与干扰。地表地表30cm温度廓线温度廓线在地表下的一定距离，温度趋于稳定。这个在地表下的一定距离，温度趋于稳定。这个深度可能是深度可

6、能是30-50 cm（3 3）地表温度的）地表温度的“皮肤皮肤”效应效应(4)(4)陆面目标的比辐射率往往受物理状况（如土陆面目标的比辐射率往往受物理状况（如土壤比辐射率随土壤含水量而变），表面粗糙壤比辐射率随土壤含水量而变），表面粗糙度、地表起伏等因子控制，所以一般只能作度、地表起伏等因子控制，所以一般只能作为未知量，不能事先设定。为未知量，不能事先设定。陆面温度遥感反演面临的主要问题陆面温度遥感反演面临的主要问题(5) (5) 陆面目标的比辐射随波段变化显著，这样陆面目标的比辐射随波段变化显著，这样导致方程组的导致方程组的不完备，因为第一个波段包含完备，因为第一个波段包含一个未知的比辐射率

7、，一个未知的比辐射率，N N个波段包含个波段包含N N个未知个未知比辐射率，外加一个未知温度，所以未知数比辐射率，外加一个未知温度，所以未知数总比独立方程数多一个。总比独立方程数多一个。陆面温度遥感反演面临的主要问题陆面温度遥感反演面临的主要问题地表温度的反演地表温度的反演热红外遥感的主要原理热红外遥感的主要原理物体的波谱辐射能和大气窗口物体的波谱辐射能和大气窗口 物体的波谱辐射能物体的波谱辐射能Ll l = e el lBl l(T)航空平台：通常航空平台：通常 3-5 m， 8-14 m 航天平台：通常航天平台：通常3-4 m， 10.5-12.5 m为什么只在晚上为什么只在晚上用用 3-

8、4 m测量常测量常温地表？温地表？atmiL),(sensoriBrdLatmiibcos)(),;,(,)()(0siiTBe= +atmi+热红外波段热红外波段地表温度的反演地表温度的反演热热红外遥感的主要原理红外遥感的主要原理辐射传输方程辐射传输方程地表温度的反演地表温度的反演 大气的作用及影响大气的作用及影响 吸收和再辐射（散射很小）吸收和再辐射（散射很小）热红外波段的主要吸收气体是水蒸热红外波段的主要吸收气体是水蒸气、二氧化碳和臭氧。气、二氧化碳和臭氧。在在1012m mm里，大气的主要吸收体里，大气的主要吸收体是水蒸气。透过率主要随水蒸气变是水蒸气。透过率主要随水蒸气变化，但不仅仅

9、是水汽总量函数，还化，但不仅仅是水汽总量函数，还受水蒸气分布及大气廓线的影响。受水蒸气分布及大气廓线的影响。陆面温度的遥感反演陆面温度的遥感反演如何获得表面比辐射率？如何获得表面比辐射率？ 根据室内、外测量根据室内、外测量波谱辐射仪波谱辐射仪辐射仪结合辐射仪结合CO2激光仪（主动与被动结合）激光仪（主动与被动结合）黑箱子黑箱子需要假定表面温度和比辐射率在测量过程中不变需要假定表面温度和比辐射率在测量过程中不变 从卫星上测定从卫星上测定 根据可见光和近红外光谱信息的统计关系根据可见光和近红外光谱信息的统计关系(NDVI/e e) 根据热红外光谱仪里最小根据热红外光谱仪里最小e e和在最大相对比辐

10、射率之和在最大相对比辐射率之差的统计关系差的统计关系利用多时相数据假定：利用多时相数据假定：e eday = e enight 或或 e eday1 = e eday2 地表温度的反演地表温度的反演- -地表温度反演算法地表温度反演算法 单通道法单通道法 多通道法（分窗法）多通道法（分窗法） 单通道多角度法单通道多角度法 多通道多角度法多通道多角度法地表温度的反演地表温度的反演- -地表温度反演算法地表温度反演算法 单通道法单通道法利用卫星传感器上单独的一个热红外通道获得的辐射，利用卫星传感器上单独的一个热红外通道获得的辐射，借助无线电探空或卫星遥感确定的大气廓线数据（温借助无线电探空或卫星遥

11、感确定的大气廓线数据（温度、湿度、压力），结合辐射传输方程来修正大气和度、湿度、压力），结合辐射传输方程来修正大气和比辐射率的影响。比辐射率的影响。设太阳的影响可忽略：设太阳的影响可忽略： iatiiiatiiiisiRRTBBTee11大气参数的计算需要知道大气的温度和在通道上大气大气参数的计算需要知道大气的温度和在通道上大气吸收体密度的垂直廓线，而且还需知道这些大气吸收体吸收体密度的垂直廓线，而且还需知道这些大气吸收体的物理特性。的物理特性。地表温度的反演地表温度的反演- -地表温度反演算法地表温度反演算法单通道法的精度取决于：单通道法的精度取决于： 大气辐射传输模型的精度大气辐射传输模型

12、的精度对水气连续统一体的吸收还不完全清对水气连续统一体的吸收还不完全清楚。相对精度约楚。相对精度约10%，且没有温度低，且没有温度低于于280K的有用吸收系数。的有用吸收系数。 测定的或已知的通道比辐射率的精度测定的或已知的通道比辐射率的精度 大气廓线的精度大气廓线的精度地表温度的反演地表温度的反演- -地表温度反演算法地表温度反演算法 多通道法（分窗法）多通道法（分窗法）起初用来反演海水温度，后被推广到陆地。起初用来反演海水温度，后被推广到陆地。利用利用1013m mm里，两个相邻通道（一个里，两个相邻通道（一个在在11m mm附近，另一个在附近，另一个在12m mm附近）上附近）上大气的吸

13、收作用不同，通过两通道的组大气的吸收作用不同，通过两通道的组合来剔除大气的影响合来剔除大气的影响地表温度的反演地表温度的反演- -地表温度反演算法地表温度反演算法分窗技术用到海水表面温度反演很成功，可以小于分窗技术用到海水表面温度反演很成功，可以小于0.7K误差，但在陆地上比海面困难许多。误差，但在陆地上比海面困难许多。陆地表面温度的反演精度受下面几种因素影响：陆地表面温度的反演精度受下面几种因素影响： 陆地表面的比辐射率在时空领域变化大陆地表面的比辐射率在时空领域变化大(1112m mm 0.90.99)陆地表面的比辐射率随波长变化陆地表面的比辐射率随波长变化陆地表面的比辐射率随观测角变化陆

14、地表面的比辐射率随观测角变化 陆地表面温度和近地表气温差远大于海水表面温度和陆地表面温度和近地表气温差远大于海水表面温度和近海水气温差（普朗克一级近似不适用）近海水气温差（普朗克一级近似不适用）陆地表面温度在一个像元内变化很大陆地表面温度在一个像元内变化很大地表反射的大气向下辐射不可忽略地表反射的大气向下辐射不可忽略 陆地表面温度反演陆地表面温度反演地表温度的反演地表温度的反演- -地表温度反演算法地表温度反演算法分窗技术的主要目的是剔除大气的影响，一般形式：分窗技术的主要目的是剔除大气的影响，一般形式：Ts = a(atm, , e ei, e ej)Ti+b (atm, , e ei, e

15、 ej) Tj + c (atm, , e ei, e ej)思路：思路：对不同的大气，观测角度及地表参数进行模拟。对不同的大气，观测角度及地表参数进行模拟。所有的方法仅在一定范围内有效。所有的方法仅在一定范围内有效。传感器传感器通道通道波长范围波长范围 (m mm)AVHRR33.54-3.94410.32-11.32511.41-12.38MODIS203.660-3.840223.929-3.989234.020-4.080298.400-8.7003110.780-11.2803211.770-12.2703313.185-13.485NOAA/AVHRRNOAA/AVHRR第四、五通

16、道在海温遥感反演取得成功之后。第四、五通道在海温遥感反演取得成功之后。Price(1984)Price(1984)首先把海温遥感的分裂窗口方法引用到农田地区的温度首先把海温遥感的分裂窗口方法引用到农田地区的温度反演中来。他在仔细分析了各种误差来源之后，预计反演精度约反演中来。他在仔细分析了各种误差来源之后，预计反演精度约 3K3K。在。在 1 1时，他给出的反演公式为：时，他给出的反演公式为： PricePrice指出当温度为指出当温度为300K300K时，时， 误差误差0.010.01可引起可引起2K2K的温度误差。的温度误差。esTTTTT .().()44545453333545075e

17、eee0ABecker(1987)Becker(1987)考虑考虑AVHRRAVHRR第四、五通道的地表反射率之差第四、五通道的地表反射率之差对温度反演的影响，并提出了一个模型解释热红外测量温度和地对温度反演的影响，并提出了一个模型解释热红外测量温度和地表热力学温度的差别。表热力学温度的差别。Becker(1990a)Becker(1990a)接着在辐射传输方程线性接着在辐射传输方程线性近似的基础上，进一步讨论了地表比辐射率第对温度反演的影响，近似的基础上，进一步讨论了地表比辐射率第对温度反演的影响，给出了一个给出了一个“局地分裂窗口局地分裂窗口”法的反演公式。法的反演公式。 =constan

18、t=constant 是一个与是一个与 无关的独立常数，无关的独立常数，P P和和M M与与 有关，可以通过有关，可以通过大气辐射传输程序大气辐射传输程序LowtranLowtran 7 7用最小二乘法回归确定系用最小二乘法回归确定系数数 。sTATTTTPM04545220AP 112ee e e()2)1 ( eeeeMeeA0, , , , , Becker(1990b)Becker(1990b)进一步把进一步把 NOAA/AVHRRNOAA/AVHRR第三通道的信息考虑第三通道的信息考虑进来，提出一个与温度无关的独立因子。进来，提出一个与温度无关的独立因子。Li(1993)Li(199

19、3)在此基础上讨在此基础上讨论了用这个概念反演地表比辐射率的可行性。他也同时指出，这论了用这个概念反演地表比辐射率的可行性。他也同时指出，这种方法要能实际应用还有许多工作要做，其中两个最大的制约因种方法要能实际应用还有许多工作要做，其中两个最大的制约因素是：素是：(1)(1)太阳的中红外辐射受大气衰减比较严重，如何找到一太阳的中红外辐射受大气衰减比较严重，如何找到一个合理的方法或模型来估算太阳辐射对第三通道的中红外波段的个合理的方法或模型来估算太阳辐射对第三通道的中红外波段的贡献；贡献；(2)(2)地表在第三通道的中红外波段的双向反射率特性比第地表在第三通道的中红外波段的双向反射率特性比第四、

20、五通道更强烈，有必要做更多的野外实测和理论工作以建立四、五通道更强烈，有必要做更多的野外实测和理论工作以建立地表在第三通道的双向反射率模型。地表在第三通道的双向反射率模型。 Gillespie et al.(1986,1987)Gillespie et al.(1986,1987)也讨论了把地表比辐射率也讨论了把地表比辐射率和地表温度对辐射测量的影响分离开的问题。和地表温度对辐射测量的影响分离开的问题。Wan Wan 和和 Dozier(1989)Dozier(1989)把遥测地表温度当作一个地球物理把遥测地表温度当作一个地球物理学的反演问题学的反演问题, ,通过通过LowtranLowtra

21、n程序进行数值模拟程序进行数值模拟, ,评价了温度反演评价了温度反演的可行性并提出了合理的波谱段范围的可行性并提出了合理的波谱段范围, ,认为通过多波谱同时反演认为通过多波谱同时反演地表温度和地表比辐射率是可行的。地表温度和地表比辐射率是可行的。Wan Wan 和和 Dozier(1996)Dozier(1996)通过大气传输模型进一步模拟计算通过大气传输模型进一步模拟计算指出：指出：1)1)统计回归的系数与传感器的视角有关；统计回归的系数与传感器的视角有关；2)2)为了提高反演为了提高反演精度，模拟计算回归系数时有必要把大气含水量、大气低层温度精度，模拟计算回归系数时有必要把大气含水量、大气

22、低层温度和地表温度考虑进去和地表温度考虑进去, ,而不能在所有的情况下都用相同的系数来而不能在所有的情况下都用相同的系数来反演地表温度。反演地表温度。大气模型大气模型大气水蒸汽总量大气水蒸汽总量（g/cm2）大气有效温度大气有效温度(K)近地表气温近地表气温 Ta(K)热带热带4.11292.0299.7中纬度夏季中纬度夏季2.99286.6294.2中纬度冬季中纬度冬季0.85264.3272.2Vidal(1994)Vidal(1994)把第四、五通道的温度先转化为把第四、五通道的温度先转化为8-14 8-14 宽通宽通道的黑体亮度温度，再根据地表比辐射率改正得到地表温度，系道的黑体亮度温

23、度，再根据地表比辐射率改正得到地表温度，系数通过回归得到，相关系数数通过回归得到，相关系数 =0.89 =0.89 。mmR2eeee30015020.2958. 345. 554BBsBBTTTTTSobrino(1994)Sobrino(1994)考虑大气透过率的非线性特点，利用考虑大气透过率的非线性特点，利用KlesspiesKlesspies 和和McMillin(1990)McMillin(1990)提出的估算大气第四、五通道的透提出的估算大气第四、五通道的透过率之比的方法。把大气两个通道透过率之比和地表比辐射率的过率之比的方法。把大气两个通道透过率之比和地表比辐射率的影响同时考虑进

24、来，改进了地表温度反演的分裂窗口方法。影响同时考虑进来，改进了地表温度反演的分裂窗口方法。其中：其中： R R为第四、五通道大气透过率之比。通过模拟计算，为第四、五通道大气透过率之比。通过模拟计算，SobrinoSobrino指出，在指出，在 已知的条件下，这种方法的精度可以达到已知的条件下，这种方法的精度可以达到0.4K0.4K以内。以内。B TRB TRB TRs41244344556()()()()()()eeeiiii0142451 ()()RTTTTTTkkkNkkN()()()440550144021e地表温度的反演地表温度的反演- -地表温度反演算法地表温度反演算法通过误差分析，

25、目前用分窗技术反演的地表温度的精度在12K之间，取决于大气和比辐射率的校正误差，大气和比辐射率的校正误差又取决于水蒸气量和比辐射率的测定误差。Sobrinoetal.,1996:(NOAA11)ee32541041TTTTs0=0.40.48W;1=2+0.28W;2=53.13.6W;3=-148.6+26.1W;5454;2eeeeee为了提高分裂窗口法反演地表温度的精度，为了提高分裂窗口法反演地表温度的精度，近年来的工作越来越把大气状态作为温度反演中近年来的工作越来越把大气状态作为温度反演中的信息。而放弃那种建立对任何大气模式都适用的信息。而放弃那种建立对任何大气模式都适用的的“全能全能

26、”模型。模型。总之，陆面温度反演的研究多以分裂窗总之，陆面温度反演的研究多以分裂窗口方法为基础，为了提高温度的反演精度，口方法为基础，为了提高温度的反演精度，不同的作者主要从多个方面进行了研究。但不同的作者主要从多个方面进行了研究。但由于陆面温度反演问题的复杂性，迄今为止，由于陆面温度反演问题的复杂性，迄今为止，陆面温度反演的研究主要仍以可行性研究为陆面温度反演的研究主要仍以可行性研究为主，大气效应的纠正、地表比辐射率主，大气效应的纠正、地表比辐射率 未知未知和地表温度的皮肤效应问题仍制约着陆面温和地表温度的皮肤效应问题仍制约着陆面温度遥感反演方法在实际中的应用。度遥感反演方法在实际中的应用。

27、地表温度的反演地表温度的反演- -地表温度反演算法地表温度反演算法 如何减少大气水蒸气量的测定误差如何减少大气水蒸气量的测定误差 如何减少比辐射率的测定误差如何减少比辐射率的测定误差 如何在地面上验证地表温度的反演算法如何在地面上验证地表温度的反演算法 地表温度的时空变化，点与面相比的意义？地表温度的时空变化，点与面相比的意义？ 由于缺乏地面有效的表面温度测量，由卫由于缺乏地面有效的表面温度测量，由卫星数据反演的地表温度的精度目前只能通过星数据反演的地表温度的精度目前只能通过理论误差分析和反演算法间的相互比较来估理论误差分析和反演算法间的相互比较来估计。计。 未来可能的发展方向未来可能的发展方

28、向地表温度的反演地表温度的反演- -地表温度反演算法地表温度反演算法 单通道多角度法单通道多角度法同一物体从不同角度观测所经过的大气路径不同一物体从不同角度观测所经过的大气路径不同而产生不同的大气吸收。同而产生不同的大气吸收。大气的作用可通过单通道在不同角度观测下所大气的作用可通过单通道在不同角度观测下所获得的亮温的线性组合来消除。获得的亮温的线性组合来消除。大量的工作用于研究海水表面温度的反演大量的工作用于研究海水表面温度的反演只有少量的关于陆面温度反演的研究。（由于只有少量的关于陆面温度反演的研究。（由于不同角度的地面分辨率不同，以及陆地表面状不同角度的地面分辨率不同，以及陆地表面状况很不均匀和地物类型复杂）况很不均匀和地物类型复杂）