[發明專利]一種利用中紅外遙感數據確定地表溫度的方法及裝置

有效

• 申請號: 201610009997.6
• 申請日: 2016-01-07
• 公開（公告）號: CN105425247B
• 公開（公告）日: 2017-12-05
• 發明（設計）人: 唐伯惠;李召良
• 申請（專利權）人: 中國科學院地理科學與資源研究所
• 主分類號: G01S17/95
• 分類號: G01S17/95;G01S7/48
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 楊學明,顧煒

1.一種利用中紅外遙感數據確定地表溫度的方法，其特征在于，該方法實現步驟如下：

步驟(A)、利用中分辨率成像光譜儀MODIS數據的中紅外波譜區第22和23通道輻射亮度數據和大氣參數數據，第22通道波長范圍為3.929μm–3.989μm，第23通道波長范圍為4.020μm–4.080μm，結合發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；

步驟(B)、利用步驟(A)中獲取的中紅外通道地表雙向反射率，結合發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；

步驟(C)、利用步驟(A)和步驟(B)分別得到的中紅外地表雙向反射率和方向比輻射率，結合發展的地表溫度遙感反演方法，確定地表溫度；

所述步驟(A)中確定第22和23通道地表雙向反射率的過程是：

A1.根據中紅外波譜區大氣輻射傳輸理論，在局地熱力學平衡條件下，中紅外輻射傳輸方程可近似表示為：

Bi(Ti)=ϵiBi(Ts)τi+(1-ϵi)(Ratm_i↓+Ratm_is↓)τi+Ratm_i↑+Ratm_is↑+ρbiRisτi---(1)]]>

式中，B_i(T_i)是衛星傳感器在i通道測量的輻射亮度值，τ_i是i通道總的大氣透過率，R_{atm_i}↑和R_{atm_i}↓分別是i通道測量的大氣的上行和下行輻射，和分別是i通道測量的大氣散射的太陽上行和下行輻射，是到達地面的太陽直射輻射，這些參數可通過大氣輻射傳輸模型MODTRAN，結合大氣廓線數據計算得到；確定地表溫度T_s，需要先反演出地表雙向反射率ρ_bi和地表方向比輻射率ε_i；

A2.MODIS數據的中紅外地表雙向反射率ρ_bi可由下式得到：

ρbi=Bi(Tg_i)-Bi(Tg0)Ris---(2)]]>

其中，

(Tg0-Tg_22)=a1+a2(Tg_22-Tg_23)+a3(Tg_22-Tg_23)2---(3)]]>

T_{g_i}表示i通道的地表亮溫，為無太陽直射輻射貢獻時地表亮溫，a₁-a₃是回歸系數，它們僅是太陽天頂角的函數，與地表參數和大氣條件無關；

所述步驟(B)中確定MODIS第22和23通道地表方向比輻射率的過程是：

B1.根據RossThick-LiSparse-R核驅動模型，地表雙向反射率可表示為：

式中，k_iso是各向同性散射系數，k_vol是Roujean體散射核f_vol的系數，k_geo是LiSparse-R幾何面散射核f_geo的系數，f_vol和f_geo是都是觀測天頂角θ_v、太陽天頂角θ_i和相對方位角的函數，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k_iso、k_vol和k_geo；

B2.根據基爾霍夫定律，對于局地熱力學平衡的非透明地物，其方向比輻射率可以表示為：

ε(θ_v)＝1-πk_iso-k_volIf_vol(θ_v)-k_geoIf_geo(θ_v)(5)

式中，f的下標x表示vol和geo，利用擬合得到的核系數k_iso、k_vol和k_geo，便能計算得到MODIS第22和23通道的地表方向比輻射率；

所述步驟(C)中確定地表溫度的過程是：根據中紅外大氣輻射傳輸方程，利用大氣參數數據和衛星傳感器觀測的輻射亮度數據，并結合步驟(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；實施方式為：

在獲取中紅外地表雙向反射率和方向比輻射率的基礎上，根據中紅外通道的大氣輻射傳輸方程，結合普朗克函數的逆函數，即可求得中紅外通道的地表溫度T_s：

Ts=Bi-1[Bi(Ti)-Ratm_i↑-Ratm_is↑τiϵi-(1-ϵi)(Ratm_i↓+Ratm_is↓)+ρbiRisϵi]---(6)]]>

式中，B^-1表示為普朗克函數的逆函數，地表雙向反射率ρ_bi和地表方向比輻射率ε_i可通過地表雙向反射率反演模塊和地表方向比輻射率反演模塊得到；

通過該方法的步驟實現了傳感器白天測量的中紅外遙感數據中反射輻射和發射輻射的有效分離，為中紅外遙感數據的利用提供了技術支持；

通過該方法的步驟實現了中紅外遙感數據中地表溫度的反演，為地表溫度的遙感反演開辟了新的途徑；

該方法提出的利用中紅外遙感數據確定地表溫度的方法中，僅使用白天測量的中紅外數據，有效地減少了遙感定量化研究中的誤差來源，突破了以往使用白天/晚上數據、中紅外和熱紅外相結合的地表溫度遙感反演方法，提高了反演精度，實現新技術與創新研究的結合；

該方法建立的利用中紅外遙感數據確定地表溫度的裝置是通過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實現的，模塊具有操作簡單、實用性強、可擴展性強的特點。

2.實現權利要求1所述的一種利用中紅外遙感數據確定地表溫度的方法的裝置，其特征在于，該裝置包括：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：

所述的地表雙向反射率反演模塊，該模塊功能為：利用經過數據預處理的MODIS中紅外通道遙感數據以及大氣參數數據，結合第22和23通道的光譜響應函數，根據反演算法，獲取中紅外通道的地表雙向反射率，具體為：假設第22和23通道的地表雙向反射率相等，以及無太陽直射輻射情況下兩通道的地表亮溫相等的條件下，根據回歸系數a₁-a₃，獲取在無太陽直射輻射情況下第22和23通道的地表亮溫，進而計算得到第22和23通道的地表雙向反射率；

所述的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，根據核驅動模型，擬合出各向同性散射系數k_iso、體散射系數k_vol和幾何散射系數k_geo，再根據基爾霍夫定律，利用發展的核驅動系數半球積分參數化模型，計算得到第22和23通道的地表方向比輻射率；

所述的地表溫度反演模塊，該模塊功能為：根據中紅外大氣輻射傳輸方程，利用大氣參數數據和衛星傳感器觀測的輻射亮度數據，結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。