高分五號熱紅外數(shù)據(jù)地表溫度反演算法研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、海表溫度(Sea surface temperature,SST)和陸表溫度(Land surface temperature,LST)在地球表面與大氣相互作用過程中發(fā)揮著重要作用。海表溫度對于從根本上了解海洋物化特性、監(jiān)測海洋表面熱狀況變化等研究具有重要意義。陸表溫度是眾多其他研究與應用的基礎,如土壤水分狀況監(jiān)測、地熱位置判別等都離不開陸表溫度的測定。因此對海表和陸表溫度的研究具有很強的現(xiàn)實性。遙感技術(shù)是獲取區(qū)域尺度海表和陸表溫度信息

2、的唯一切實可行的手段。
  隨著遙感技術(shù)的迅猛發(fā)展,研究者也越發(fā)重視高分辨率影像的使用。我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(以下簡稱為高分專項)于2010年5月開展實施。作為高分系列的第五顆衛(wèi)星,高分五號(Gaofen-5,GF-5)衛(wèi)星預計于2017年下半年發(fā)射,其攜帶的全譜段光譜成像儀(Multiplespectral-imager, MSI)具有空間分辨率達40米的熱紅外波段。相比其他中、低空間分辨率數(shù)據(jù)而言,高空間分辨率熱紅

3、外數(shù)據(jù)能夠很好的滿足探討城市熱島效應的形成機制、研究海灣水體熱特性、準確監(jiān)測和評價沿海核電站溫排水分布范圍等小區(qū)域精細研究的需求。因此,針對GF-5衛(wèi)星熱紅外數(shù)據(jù)的地表參數(shù)反演算法研究勢在必行。
  本文旨在為GF-5衛(wèi)星提供海表和陸表溫度反演算法。首先回顧了國內(nèi)外關(guān)于海表和陸表溫度的研究現(xiàn)狀,給出了熱紅外遙感中重要的基本概念和定律,介紹了本研究需使用的相關(guān)數(shù)據(jù)以及模擬數(shù)據(jù)的生成過程。在此基礎上,從分裂窗算法的發(fā)展機理入手,開展海

4、表和陸表溫度反演算法研究。主要研究內(nèi)容如下:
  (1)由于海水在分裂窗通道的比輻射率接近1,因此在發(fā)展海表溫度反演算法時,我們將海水視為比輻射率為1的黑體輻射源。分析分裂窗算法發(fā)展過程中的兩個假設和近似條件[(i)普朗克函數(shù)使用泰勒公式線性化,(ii)兩個相鄰通道大氣等效溫度相等(Tai=Taj)]導致的溫度反演誤差。對于普朗克函數(shù)線性化的誤差,以輻射傳輸方程為基礎,對普朗克函數(shù)采用泰勒公式的二階展開式近似,并經(jīng)過一定的數(shù)理推導

5、,給出普朗克函數(shù)線性化誤差的修正公式。
  對于Tai=Taj這一假設條件的修正,通過分析兩個通道各自的大氣上行輻亮度和大氣透過率計算的Tai和Taj值,發(fā)現(xiàn)二者之間是呈線性關(guān)系。如果在分裂窗算法推導過程中使用這種大氣等效溫度之間的線性關(guān)系,可以將Tai=Taj這一假設造成的溫度誤差由RMSE=1.74 K降低至RMSE=0.62 K。
  (2)將普朗克函數(shù)線性化誤差修正公式以及大氣等效溫度間的線性關(guān)系應用到兩個通道中以推

6、導海表溫度反演算法,并對推導出的算法進行分析簡化,發(fā)現(xiàn)新推導出的算法可以簡化為二次項分裂窗算法。說明在二次項分裂窗算法中,實際上已經(jīng)包含了普朗克函數(shù)泰勒公式的二階展開式和大氣等效溫度間的不等關(guān)系。使用二次項分裂窗算法反演海表溫度,可以得到RMSE=0.30K的算法反演誤差。采用歐洲氣象衛(wèi)星組織(European Organisation for the Exploitation ofMeteorological Satellites,

7、EUMETSAT) Ocean and Sea-Ice Satellite Application Facility(OSI-SAF)生產(chǎn)的Matchup Data Set數(shù)據(jù)集驗證二次項分裂窗算法,結(jié)果表明,在衛(wèi)星觀測天頂角小于20°的情況下,二次項分裂窗算法可以用于海表溫度獲取,其算法誤差為RMSE=0.41 K。
  (3)探究陸表比輻射率對Ts-T與Ti-Tj(Ts表示地表溫度,Ti和Tj分別表示通道i和通道j的星上亮溫)

8、之間二次項關(guān)系的影響,研究發(fā)現(xiàn):隨著兩個通道的平均比輻射率(ε)變小,Ts-Ti與Ti-Tj間的二次項關(guān)系被改變了,且這種二次項關(guān)系也受兩個通道比輻射率之差(△ε)的影響。當ε=0.90,△ε=-0.02時,二次項分裂窗算法能造成RMSE為1.71 K的誤差。為此,針對ε=0.90,△ε=-0.02的情況,將二次項分裂窗算法中的系數(shù)固定為黑體情況下所得的系數(shù),分析算法中常量的變化規(guī)律。結(jié)果表明,在低比輻射率情況下,這一常量受大氣水汽含量

9、和大氣近地表氣溫的影響,而大氣水汽含量和近地表氣溫之間又呈近似指數(shù)的關(guān)系,借助這一指數(shù)關(guān)系,可以避免使用近地表氣溫這一參數(shù),僅用大氣水汽含量來參數(shù)化二次項分裂窗算法中的常量,以此來改進二次項分裂窗算法。利用模擬數(shù)據(jù)的驗證,結(jié)果表明改進后的分裂窗算法誤差為RMSE=0.70 K。對于給定的比輻射率,如ε=0.90,△ε=-0.02,改進后的算法陸表溫度反演誤差為RMSE=0.85 K。
  (4)借助于ASTER L1B衛(wèi)星數(shù)據(jù)驗證

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