单窗算法在常州市地面温度反演中的应用研究

论文总字数：9069字

摘 要

随着遥感应用的逐步发展，多种地表温度反演算法陆续被提出，本文分析了大气校正法，通道算法，单窗算法，并且着重对单窗算法进行了深入的探讨，详细说明了单窗算法相关参数的确定方法，并利用Landsat ETM数据对常州市区进行地表真实温度的反演。详细探讨后表明：运用单窗算法研究城市热岛效应在数据条件都不充足时所得出的结果准确度较高，可靠性高。

关键词：单窗算法；NDVI；地表辐射率；温度反演

Abstract：With the gradual development of remote sensing applications, a variety of surface temperature inversion algorithms have been proposed, this paper analyzes the correlation algorithm, and focus on a single window algorithm depth discussion, a detailed description of the method of determining the parameters of a single window algorithm, and the use of Landsat ETM data Changzhou carried LST inversion. Studies show that: in the case of absence of detailed atmospheric profiles, the application of a single window algorithm urban heat island effect is feasible and reliable.

Keywords：Single-window algorithm, NDVI, Surface emissivity, Temperature inversion

目 录

1 前 言 4

2 研究区概况 4

3 数据来源与处理 4

3.1 数据来源 4

3.2 数据处理 5

3.2.1 遥感图像的几何校正 5

3.2.2 研究区域的处理 6

4 单窗算法原理 6

4.1 地表比辐射率的确定 7

4.1.1 自然表面比辐射率的估计方法 7

4.1.2 归一化植被指数的估算 7

4.2 常州行星亮度温度T₆的反演 8

4.3 常州市大气透射率τ和大气等效温度的估计 8

4.3.1 常州市大气透射率τ估计 8

4.3.2 常州市大气等效温度Ta 10

5 常州市地表实际温度T_S反演 10

结 论 12

参 考 文 献 13

致 谢 14

1 前 言

在众多遥感应用研究中，地表的真实温度是一个极其重要的参数，并直接介入相关模型的计算，如“全球环流模型”，土壤热流量方程等^[1]。计算地表温度的传统方法是通过多点观测获得，不具有全面性。而遥感具有宏观、连续观测等优点，因此，运用热红外遥感数据可以大规模获得地表温度的连续面状信息。

当前，应用热红外波段反演地表温度有三种主要计算方法，即大气校正法、通道算法（单通道、多通道、单通道多角度、多通道多角度）^[2]和单窗算法，但我们知道，当地表的热辐射透过大气层到达传感器的时候，已由于大气的吸收作用而衰减；并且，部分的热辐射是由大气自身释放出的。大气的向上热辐射直接被传感器接受，而向下热辐射也存在被地表反射回的一部分。另外，地表不是一个黑体，它的辐射率是小于1的。所以，热遥感是一个复杂的过程。如果要演算出地表温度，需要通过卫星遥感器观察得到的热辐射强度，而且需要考虑到热辐射传导中的所有影响，但是由于这些影响是在不停的变化，因此也造成了地表温度的演算异常复杂。理论上的做法是运用大气模型计算大气吸收作用和大气热辐射强度，之后从卫星传感器所观测到的热辐射中减掉这部分大气的影响，使它变成地表的热辐射，最后考虑地表是非黑体（辐射率lt;1）的影响推算地表温度。但大气模型中需要运用到实时的大气剖面的多方面数据，如各种高度的大气温度、气压、CO₂含量、O₃含量、水分含量、气溶胶含量等等，而这些实时数据时常匮乏，从而使得大气校正法和通道算法的实际应用添加了很多难度。之所以提出利用地表热辐射传导方程来研究其它方法，就是因为进行模拟估计时，常常采用的是非实时气探数据或者标准大气数据，从而导致了温度反演的误差非常大。

2 研究区概况

位于江苏省南部的常州，在长江三角洲的中心位置，处于北纬31°09′-32°04′、东经119°08′-120°12′现辖金坛、溧阳2个县级市和武进、新北、天宁、钟楼、戚墅堰5个行政区。全市面积4385平方公里，户籍人口达到360万。常州河流属于长江和太湖水系。全市著名的湖有太湖，长荡湖和滆湖，在溧阳境内沙河和大溪两水库以及天目湖水库。

3 数据来源与处理

3.1 数据来源

数据下载网站：中国科学院数据云，http://www.csdb.cn/ 打开网页，注册、登陆，点击高级检索，输入需要的行政区的名称“常州”，日期：2010-5-24,数据集：Landsat4-5TM，搜索。

此次研究所用的数据年份为2010年的，遥感图像条带号为119。

本次研究用到的遥感数据云量为0，2010年的数据包含了7个波段的遥感数据，很完整（图1）。

图1 B7,B4,B2多波段合成图

3.2 数据处理

3.2.1 遥感图像的几何校正

主菜单Map→Registration→Select GCPs：Image to Image，进行基准图像（Base Image）和待校正图像(Warp Image)设置。Base Image:hecheng（遥感影像），Warp Image:常州（行政区划图）。以遥感影像为基准图像，以常州地图为待校正图像（图2）。即用Image to Image校正模式，使常州市地图具有遥感影像一样投影。首先，要选取控制点（图3），且EMS误差不能大于1。然后进行几何校正，得到校正后的常州市地图。

图2 几何校正 图3 控制点

3.2.2 研究区域的处理

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