地表温度反演.docx
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地表温度反演
地表温度反演
一:
单窗算法
1.1实验原理
1.1.1TM/ETM波段的热辐射传导方程:
B6(T6)=t6(q)[ε6B6(Ts)+(1-ε6)I6~]+I6_
Ts是地表温度;
T6是TM6的亮度温度;
t6是大气透射率;
ε6是地表辐射率。
B6(T6)表示TM6遥感器所接收到的热辐射强度;
B6(Ts)是地表在TM6波段区间内的实际热辐射强度,直接决取于地表温度;
I6~和I6_分别是大气在TM6波段区间内的向上和向下热辐射强度。
1.1.2化简后最终的单窗体算法模型计算Ts(地表温度):
Ts={a(1-C-D)+[b(1-C-D)+C+D]T6-DTa}/C
式中
C6=τ6ε6(ε6为比辐射率,τ6为透射率)
D6=(1-τ6)[1+t6(1-ε6)]
a=-67.355351,b=0.458606
1.1.3大气平均作用温度Ta的近似估计
温度换算:
T=t+273.15
本图为9月份拍摄,对于中纬度夏季平均大气Ta=16.0110+0.92621T0
取平均气温为25摄氏度时Ta=312.15753
1.1.4大气透射率τ6的估计
τ6=0.974290-0.08007w,0.4≤w≤1.6。
w为水分含量,单位(g/cm2),这里,取w=1.0,计算得到τ6=0.89422
1.1.5地表比辐射率ε6的估计
典型地表类型的比辐射率
Ndvi<=0水体,εw=0.995
NDVI>0陆地(surface)εsurface=0.9625+0.0614Pv-0.0461Pv^2
Pv=[(NDVI-NDVIs)/(NDVIv-NDVIs)]2=NDVI^2/0.49
(NDVI>0andNDVI<0.70)
式中NDVI为归一化植被指数,
取NDVIv=0.70和NDVIs=0(分别取自5%及95%数据)
ew算法:
0.995*(b1le0)
Pv算法:
((b1*b1)/0.49)*(b1gt0andb1le0.7)
esurface算法:
(0.9625+0.0614*b1-0.0461*b1^2)*(b2gt0)
e6算法:
ew+esurface
1.1.6像元亮度温度T6计算
T6=K2/ln(1+K1/L6)
其中:
K1=607.76,K2=1260.56(覃志豪,用陆地卫星TM6数据演算地表温度的单窗算法);
L6为遥感器接收的辐射强度。
1.1.7遥感器接收的辐射强度L6计算
L6=(15.303-1.238)*b1/255.0+1.238(覃志豪,用陆地卫星TM6数据演算地表温度的单窗算法);b1为第六波段像元灰度值(DN值)。
LMAX_BAND6=15.303
LMIN_BAND6=1.238
1.2操作步骤
1.2.1研究区示意图
1.2.2计算L6
ENVI->BasicTools->BandMath
在Enteranexpression中输入(15.303-1.238)*b1/255.0+1.238,点击AddtoList.
选中刚才输入的公式,点击OK。
选中B1变量,在AvailableBandsList中选Band6,保存文件名为L6,点击OK。
1.2.3计算T6(同计算L6,只是计算公式不同)。
1.2.4计算C6(同计算L6,只是计算公式不同)。
1.2.5计算D6(同计算L6,只是计算公式不同)。
1.2.36计算Ts
同计算C6相同,在Enteranexpression中输入:
(((-67.355351*(1-b1-b2)+(0.458606*(1-b1-b2)+b1+b2)*b3-b2*292.15753)/b1-273.15)),点击AddtoList.
选中b1变量,在AvailableBandsList中选择C6,
选中b2变量,在AvailableBandsList中选择D6,
选中b3变量,在AvailableBandsList中选择T6,保存文件名为Ts,点击OK。
1.3实验结果
1.3.1灰度图像
1.3.2密度分割后图像
二:
单通道算法
2.1实验原理
2.1.1单通道算法模型为:
Ts=r*[(y1*L6+y2)/e6+y3]+t
2.1.2大气平均作用温度Ta的近似估计
温度换算:
T=t+273.15
本图为7月份拍摄,对于中纬度夏季平均大气Ta=16.0110+0.92621T0
取乌鲁木齐市平均气温为25摄氏度时Ta=312.15753
2.1.3大气透射率t6的估计
t6=0.974290-0.08007w,0.4≤w≤1.6。
w为水分含量,单位(g/cm2),这里,取w=1.0,计算得到t6=0.89422
2.1.4地表比辐射率的估计
典型地表类型的比辐射率
ew=0.995
ev=0.986
em=0.970
Pv=[(NDVI-NDVIs)/(NDVIv-NDVIs)]2
NDVI为归一化植被指数,取NDVIv=0.70和NDVIs=0(分别取自5%及95%数据)
esurface=0.9625+0.0614Pv-0.0461Pv^2
2.1.5像元亮度温度计算
T6=K2/ln(1+K1/L6)
其中:
K1=607.76,K2=1260.56(覃志豪,用陆地卫星TM6数据演算地表温度的单窗算法);
L6为遥感器接收的辐射强度。
2.1.6遥感器接收的辐射强度计算
L6=(15.303-1.238)*b1/255.0+1.238(覃志豪,用陆地卫星TM6数据演算地表温度的单窗算法);b1为第六波段像元灰度值(DN值)。
LMAX_BAND6=15.303
LMIN_BAND6=1.238
单通道算法模型表达式中,Ts是陆地表面温度,L6是卫星高度上遥感传感器测得的辐射强度(W·m-2·sr-1·m-1),e6是地表发射率;r,t,y1,y2,y3是中间变量,分别由以下公式计算:
R=1/[(c2*L6/T6^2)*(λ^4*L6/c1+1/λ)]
y1=0.14714w^2-0.15583w+1.1234=1.11471
y2=-1.1836w^2-0.37607w-0.52894=0.27859
y3=-0.04554w^2+1.8719w-0.39071=1.43565
t=T6-r*L6
其中,C1和C2是Plank函数的常量,C1=1.19104×10^8
W·μm4·m-2·sr-1,C2=14387.7μm·K;T6是卫星高
度上传感器所探测到的像元亮度温度,单位为K;λ
是有效作用波长,TM6有效作用波长为11.457μm;
w为大气水分含量
在此我们也取w=取w=1.0
2.2操作步骤
研究区示意图
2.2.1计算L6
在单窗算法中我们已经具体说明,在此请参阅基于TM单窗算法反演地表温度文本。
2.2.2T6e6的求算
T6同理。
e6同理。
2.2.3计算R
在BandMath中编写1/[(14387.7*L6/T6^2)*(11.457^4*L6/1.19104×10^8+1/11.457)]
选中b1变量,在AvailableBandsList中选择L6,
选中b2变量,在AvailableBandsList中选择T6,
保存文件为R。
2.2.4计算t
在BandMath中编写(b1-b2*b3)
选中b1变量,在AvailableBandsList中选择T6,
选中b2变量,在AvailableBandsList中选择R,
选中b3变量,在AvailableBandsList中选择L6,保存文件名为Ts,点击OK。
2.3实验结果
2.3.1温度反演灰度图像
操作过程中许多未知参数大都取参考值,所以可能不能很准确的表示真实地表温度,在日后的学习过程中,需要收集更多的资料做好温度反演。
2.3.2密度分割后的图像
三:
辐射方程
3.1实验过程
3.1.1数据准备
热红外数据使用的是TM6,我们需要已经经过大气校正,几何校正,传感器定标的剪裁好的TM影像,以及由次影像生成的NDVI图像。
3.1.2地表比辐射率的估计
典型地表类型的比辐射率
ew=0.995
ev=0.986
em=0.970
Pv=[(NDVI-NDVIs)/(NDVIv-NDVIs)]2
NDVI为归一化植被指数,取NDVIv=0.70和NDVIs=0(分别取自5%及95%数据)
esurface=0.9625+0.0614Pv-0.0461Pv^2
具体操作步骤与其他两种算法一直,在BandMath中编写即可。
3.1.3计算同温度下黑体的辐射亮度值
Lx=[e6B(Ts)+(1-e6)I6~]t6+I6_
其中e6是地表辐射率。
B(Ts)为普朗克定律推导得到的黑体在Ts的热辐射亮度。
I6~和I6_分别是大气在TM6波段区间内的向上和向下热辐射强度。
Ts是地表真是温度。
t6为透射度。
则B(Ts)=[Lx-I6~-t6(1-e6)I6_]/t6e6
上式中所需要的参数可以通过各种数学模型进行计算,也可以在NASA官网(http:
//atmcorr.gsfc.nasa.gov/)进行查询,本次试验中,我们取t6=0.89422,I6~=3.39W/(m2*sr*um),I6_=5.12W/(m2*sr*um)。
在BandMath中编写
(b2-3.39-0.89422*(1-b1)*5.12)/(0.89422*b1)
其中b1为比辐射率e6。
b2表示红外波段大气校正后的辐射定标值。
注:
辐射定标
1.由于ENVI4.5中有专门进行辐射定标的模块,因此实际的操作十分简单。
将原始TM影像打开以后,选择
BasicTools–Preprocessing–CalibrationUtilities–LandsatTM
2.进入下一步参数选择:
根据传感器类型选择Landsat4,5或者7。
从遥感影像的头文件中获取DataAcquisition的时间,Sunelevation。
如果你是用File–OpenExternalFile–Landsat–Fast的方法打开header.dat(头文件)
的话,sunelevation就已经填好了。
这里CalibrationType注意选择为Radiance。
输出文件,定标就完成了。
3.1.4反演地表温度
在获取温度为Ts的黑体在热红外波段的辐射亮度后,根据普朗克公式的反函数,求得地表真是温度Ts。
Ts=K2/ln(K1/B(Ts)+1)
其中:
K1=607.76,K2=1260.56(覃志豪,用陆地卫星TM6数据演算地表温度的单窗算法);
在BandMath下进行编写。
1260.56/alog(607.76/b1+1)-273
其中b1为温度Ts下的黑体辐射亮度值。
3.2温度反演结果
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