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基于MODIS数据的地表温度、热惯量反演研究及其在土壤水分、地气间热交换方面的应用

蔡国印  
【摘要】:本文针对MODIS数据进行地表温度和热惯量的建模研究以及基于上述模型的土壤水分和地气间热交换的研究。针对于搭载有MODIS传感器的Terra和Aqua卫星,在我国的大部分地区其过境时间与当地最高温度和最低温度时间很难一致的情况,本文在真实热惯量遥感定量反演解析模型SoA-TI的基础上,通过傅立叶级数对地表温度的二次逼近,借助于牛顿迭代的数值解法,实现了地表真实热惯量遥感定量反演模型不受卫星过境时间与当地最高温度和最低温度相一致的限制。在牛顿迭代解法中,很关键也很困难的一个问题是初始值的给定,本模型中牛顿迭代的初始值是傅立叶级数对地表温度一次逼近得到的结果。因为在建立热惯量模型的过程中,其中一个很重要的参数就是地表温差。温差的计算实际上是通过地表温度的反演来得到。因此,本文在地表温度遥感定量反演的局地分裂窗算法的基础上,依据MODIS的多个热红外通道,其中的任意两个通道组合,通过分裂窗算法得到的地表温度都应该相等这样一个事实,在对地物进行分类的基础上,给定地物的波段比辐射率的范围,借助于两组温度之间的最大相关和最小方差,通过迭代的方式得到地表温度和分裂窗算法所使用的MODIS热红外通道的波段比辐射率。通过与实测地表温度数据以及NASA提供的地表温度产品进行对比,表明本文发展的地表温度反演算法得到的地表温度与地面实测数据以及NASA的产品比较接近,除了沙体外,大部分地物的地表温度的反演精度在1K以内。与NASA提供的比辐射率产品的对比表明,本论文的算法反演得到的波段比辐射率与NASA提供的波段比辐射率产品的最小差值为0,最大差值为0.015。此外,利用本文建立的热惯量模型和地表温度模型,计算了华北地区裸地的土壤水分以及江西鄱阳湖地区的地表净辐射通量、显热通量、潜热通量以及土壤热通量。通过与禹城观测站和千烟洲观测站等观测的数据进行对比,表明,本论文反演的土壤水分和地表净辐射的结果比较理想,反演的显热通量、潜热通量和土壤热通量的结果不很理想,需要进一步深入的工作。


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