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《中国农业科学院》 2017年
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高分五号热红外数据地表温度反演算法研究

陈媛媛  
【摘要】:海表温度(Sea surface temperature,SST)和陆表温度(Land surface temperature,LST)在地球表面与大气相互作用过程中发挥着重要作用。海表温度对于从根本上了解海洋物化特性、监测海洋表面热状况变化等研究具有重要意义。陆表温度是众多其他研究与应用的基础,如土壤水分状况监测、地热位置判别等都离不开陆表温度的测定。因此对海表和陆表温度的研究具有很强的现实性。遥感技术是获取区域尺度海表和陆表温度信息的唯一切实可行的手段。随着遥感技术的迅猛发展,研究者也越发重视高分辨率影像的使用。我国高分辨率对地观测系统重大专项(以下简称为高分专项)于2010年5月开展实施。作为高分系列的第五颗卫星,高分五号(Gaofen-5,GF-5)卫星预计于2017年下半年发射,其携带的全谱段光谱成像仪(Multiple spectral-imager,MSI)具有空间分辨率达40米的热红外波段。相比其他中、低空间分辨率数据而言,高空间分辨率热红外数据能够很好的满足探讨城市热岛效应的形成机制、研究海湾水体热特性、准确监测和评价沿海核电站温排水分布范围等小区域精细研究的需求。因此,针对GF-5卫星热红外数据的地表参数反演算法研究势在必行。本文旨在为GF-5卫星提供海表和陆表温度反演算法。首先回顾了国内外关于海表和陆表温度的研究现状,给出了热红外遥感中重要的基本概念和定律,介绍了本研究需使用的相关数据以及模拟数据的生成过程。在此基础上,从分裂窗算法的发展机理入手,开展海表和陆表温度反演算法研究。主要研究内容如下:(1)由于海水在分裂窗通道的比辐射率接近1,因此在发展海表温度反演算法时,我们将海水视为比辐射率为1的黑体辐射源。分析分裂窗算法发展过程中的两个假设和近似条件【(i)普朗克函数使用泰勒公式线性化,(ii)两个相邻通道大气等效温度相等(T_(ai)=T_(aj))】导致的温度反演误差。对于普朗克函数线性化的误差,以辐射传输方程为基础,对普朗克函数采用泰勒公式的二阶展开式近似,并经过一定的数理推导,给出普朗克函数线性化误差的修正公式。对于T_(ai)=T_(aj)这一假设条件的修正,通过分析两个通道各自的大气上行辐亮度和大气透过率计算的T_(ai)和T_(aj)值,发现二者之间是呈线性关系。如果在分裂窗算法推导过程中使用这种大气等效温度之间的线性关系,可以将T_(ai)=T_(aj)这一假设造成的温度误差由RMSE=1.74 K降低至RMSE=0.62 K。(2)将普朗克函数线性化误差修正公式以及大气等效温度间的线性关系应用到两个通道中以推导海表温度反演算法,并对推导出的算法进行分析简化,发现新推导出的算法可以简化为二次项分裂窗算法。说明在二次项分裂窗算法中,实际上已经包含了普朗克函数泰勒公式的二阶展开式和大气等效温度间的不等关系。使用二次项分裂窗算法反演海表温度,可以得到RMSE=0.30K的算法反演误差。采用欧洲气象卫星组织(European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites,EUMETSAT)Ocean and Sea-Ice Satellite Application Facility(OSI-SAF)生产的Matchup Data Set数据集验证二次项分裂窗算法,结果表明,在卫星观测天顶角小于20°的情况下,二次项分裂窗算法可以用于海表温度获取,其算法误差为RMSE=0.41 K。(3)探究陆表比辐射率对T_s–T_i与T_i–T_j(T_s表示地表温度,T_i和T_j分别表示通道i和通道j的星上亮温)之间二次项关系的影响,研究发现:随着两个通道的平均比辐射率(ε)变小,T_s–T_i与T_i–T_j间的二次项关系被改变了,且这种二次项关系也受两个通道比辐射率之差(△ε)的影响。当ε=0.90,△ε=-0.02时,二次项分裂窗算法能造成RMSE为1.71 K的误差。为此,针对ε=0.90,△ε=-0.02的情况,将二次项分裂窗算法中的系数固定为黑体情况下所得的系数,分析算法中常量的变化规律。结果表明,在低比辐射率情况下,这一常量受大气水汽含量和大气近地表气温的影响,而大气水汽含量和近地表气温之间又呈近似指数的关系,借助这一指数关系,可以避免使用近地表气温这一参数,仅用大气水汽含量来参数化二次项分裂窗算法中的常量,以此来改进二次项分裂窗算法。利用模拟数据的验证,结果表明改进后的分裂窗算法误差为RMSE=0.70 K。对于给定的比辐射率,如ε=0.90,△ε=-0.02,改进后的算法陆表温度反演误差为RMSE=0.85 K。(4)借助于ASTER L1B卫星数据验证本文发展的陆表温度反演算法。选择两块地理位置和气候条件不同的研究区域,将反演的陆表温度与ASTER温度产品进行比较,结果表明改进后的二次项分裂窗算法在两个区域均低估了陆表温度大约0.8 K,说明本论文所发展的算法可以用于从GF-5热红外数据反演陆表温度。
【学位授予单位】:中国农业科学院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P407;P715.7

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