一种单通道地表温度遥感方法及其系统

技术领域

本发明属于单通道地表温度遥感领域，尤其涉及一种单通道地表温度遥感方法及其系统。

背景技术

地表温度是表征地气之间的相互作用及能量交换的关键特征物理量，在陆表生态系统研究、全球气候变化、地质勘探等领域具有重要应用。热红外遥感是获取大尺度地表温度的主要方法，然而，由于地表和大气参数的耦合，地表温度的遥感反演存在一定的困难，要从卫星传感器的观测数据中反演得到地表温度，需要消除大气和地表发射率的影响。

对于多光谱遥感数据，最常用的两种反演方法是单通道法和分裂窗法。单通道法仅需要一个热红外通道，但需要已知大气参数和发射率。大气参数的获取通常基于大气再分析数据和MODTRAN等成熟的辐射传输模型，然而，大气再分析数据的获取也较为困难，且在潮湿大气状况下单通道法的精度欠佳。相比之下，分裂窗法基于相邻两个热红外通道的大气吸收差异来消除大气的影响，只需要发射率即可反演得到高精度的地表温度。但是，分裂窗法需要两个热红外通道，在一定程度上限制了其应用。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种单通道地表温度遥感方法及其系统解决了现有地表温度遥感方法受大气影响，精度不够的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种单通道地表温度遥感方法，包括以下步骤：

S1、构建单通道遥感反演基础模型；

S2、进行反演状况分区，并基于单通道遥感反演基础模型，得到通道辐亮度到亮度温度的查找表、各反演状况区间的单通道遥感反演模型和通用单通道遥感反演模型；

S3、根据通道辐亮度到亮度温度的查找表和通用单通道遥感反演模型，得到当前热红外通道

S4、根据当前热红外通道

本发明的有益效果为：本发明使用一个热红外通道的入瞳亮温和两个通道的发射率来反演地表温度。基于本方法，可以规避大气效应的校正过程，直接从单个热红外通道的入瞳观测数据中反演得到地表温度，并提高了地表温度反演精度。

进一步地，所述步骤S1中单通道遥感反演基础模型的表达式为：

其中，

上述进一步方案的有益效果为：利用单个通道的入瞳观测数据和两个通道发射率的线性组合消除大气效应的影响，最终构建无需大气效应校正的单通道遥感反演基础模型，避免大气效应的校正过程。

进一步地，所述步骤S2具体为：

S201、获取配套的大气温湿廓线、地表温度和地表发射率波谱值，并根据配套的大气温湿廓线、地表温度和地表发射率波谱值，生成模拟数据；

S202、根据模拟数据，利用MODTRAN辐射传输模型，得到入瞳辐亮度波谱值；

S203、获取热红外通道

S204、根据入瞳辐亮度波谱值、热红外通道

其中，

S205、根据模拟数据，建立通道辐亮度到亮度温度的查找表；

S206、根据热红外通道

S207、根据热红外通道

S208、将通用单通道遥感反演模型系数作为单通道遥感反演基础模型系数代入单通道遥感反演基础模型，得到通用单通道遥感反演模型；

S209、进行反演状况分区，得到若干个反演状况区间，并拟合得到各反演状况区间的单通道遥感反演模型系数；

S2010、将各反演状况区间的单通道遥感反演模型系数作为单通道遥感反演基础模型系数，利用单通道遥感反演基础模型，得到各反演状况区间的单通道遥感反演模型。

上述进一步方案的有益效果为：拟合得到的通用单通道遥感反演模型系数不考虑天气和地表条件，为后续地表温度初始值的求解做准备；并且反演状况分区时不同的大气和地表状况允许区间存在部分重叠，抵消了分区选择错误对反演结果的影响。

进一步地，所述步骤S209中反演状况分区的标准为：

地表温度划分为

各热红外通道的发射率划分为

总水汽含量划分为

观测角度划分为

上述进一步方案的有益效果为：反演状况分区时不同的大气和地表状况允许区间存在部分重叠，抵消了分区选择错误对反演结果的影响。

进一步地，所述步骤S3具体为：

S301、获取待反演单通道传感器热红外通道

S302、根据待反演单通道传感器热红外通道

S303、根据通道辐亮度到亮度温度的查找表，将热红外通道

S304、获取地表覆盖分类；

S305、根据地表覆盖分类，使用分类赋值法，对每类地物在热红外通道

S306、将当前热红外通道

上述进一步方案的有益效果为：基于通用单通道遥感反演模型系数，求解得到地表温度初始值，为后续求解不同反演状况下的地表温度做准备，规避了大气效应的校正过程，并提高了地表温度反演精度。

进一步地，所述步骤S4具体为：

S401、获取卫星过境时刻大气的总水汽含量、当前各热红外通道的发射率和当前观测角度；

S402、根据卫星过境时刻大气的总水汽含量、当前各热红外通道的发射率、当前观测角度和地表温度初始值，确定反演状况区间，得到区间结果；

S403、根据区间结果和各反演状况区间的单通道遥感反演模型，得到当前反演状况区间的单通道遥感反演模型；

S404、根据当前热红外通道

上述进一步方案的有益效果为：使用一个热红外通道的入瞳亮温和两个热红外通道的发射率来反演地表温度，求解不同反演状况下的地表温度，规避了大气效应的校正过程，直接从单个热红外通道的入瞳观测数据中反演得到地表温度，并提高了地表温度反演精度。

本发明提供了一种单通道地表温度遥感系统，包括模型构建模块、系数率定模块、初值估算模块和地表温度反演模块；

所述模型构建模块，用于构建单通道遥感反演基础模型；

所述系数率定模块，用于获取模拟数据，进行反演状况分区，并根据模拟数据和单通道遥感反演基础模型，利用最小二乘法，得到通道辐亮度到亮度温度的查找表、各反演状况区间的单通道遥感反演模型和通用单通道遥感反演模型；

所述初值估算模块，用于获取待反演单通道传感器热红外通道

所述地表温度反演模块，用于根据当前热红外通道

本发明的有益效果为：本系统利用单通道遥感反演基础模型，通过一个热红外通道的入瞳亮温和两个通道的发射率来反演地表温度，可以规避大气效应的校正过程，并提高了地表温度反演精度。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明的系统结构图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1

如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种单通道地表温度遥感方法，包括以下步骤：

S1、构建单通道遥感反演基础模型；

S2、进行反演状况分区，并基于单通道遥感反演基础模型，得到通道辐亮度到亮度温度的查找表、各反演状况区间的单通道遥感反演模型和通用单通道遥感反演模型；

S3、根据通道辐亮度到亮度温度的查找表和通用单通道遥感反演模型，得到当前热红外通道

S4、根据当前热红外通道

本实施例中，本发明提出了一种无需大气效应校正的单通道地表温度遥感方法。基于入瞳辐亮度的通道相关性假设，使用一个热红外通道的入瞳亮温和两个通道的地表发射率来反演地表温度。基于本方法及系统，可以规避大气效应的校正过程，直接从单个热红外通道的入瞳观测数据中反演得到地表温度。针对仅含有单个热红外通道的卫星传感器，基于通道相关性假设，构造单通道地表温度遥感反演模型，以提高该类传感器地表温度反演的精度，推动其高效应用。

所述步骤S1中单通道遥感反演基础模型的表达式为：

其中，

本实施例中，对于单通道

所述步骤S2具体为：

S201、获取配套的大气温湿廓线、地表温度和地表发射率波谱值，并根据配套的大气温湿廓线、地表温度和地表发射率波谱值，生成模拟数据；

S202、根据模拟数据，利用MODTRAN辐射传输模型，得到入瞳辐亮度波谱值；

S203、获取热红外通道

S204、根据入瞳辐亮度波谱值、热红外通道

其中，

S205、根据模拟数据，建立通道辐亮度到亮度温度的查找表；

S206、根据热红外通道

S207、根据热红外通道

S208、将通用单通道遥感反演模型系数作为单通道遥感反演基础模型系数代入单通道遥感反演基础模型，得到通用单通道遥感反演模型；

S209、进行反演状况分区，得到若干个反演状况区间，并拟合得到各反演状况区间的单通道遥感反演模型系数；

S2010、将各反演状况区间的单通道遥感反演模型系数作为单通道遥感反演基础模型系数，利用单通道遥感反演基础模型，得到各反演状况区间的单通道遥感反演模型。

本实施例中，基于模拟数据，采用最小二乘法实现无需大气效应校正的单通道遥感反演模型系数的率定。

生成模拟数据需要获取配套的大气温湿廓线、地表温度和地表发射率波谱值。获取典型大气温湿廓线数据，例如从MODTRAN辐射传输模型中挑选晴空的6条标准大气或者从TIGR 2000标准大气廓线数据库中挑选大气总水汽含量均匀分布的100条晴空大气廓线；获取典型地类的地表发射率波谱数据，例如从ASTER光谱库中挑选岩石、植被、土壤、水体和人造地类的地表发射率波谱；设置不同地气状况的下的地表温度

在上述地表温度、地表发射率波谱值和大气温湿廓线获取的基础上，将其输入到MODTRAN辐射传输模型中，获取到入瞳辐亮度波谱值

获取待反演单通道传感器的通道响应函数。同时将入瞳辐亮度波谱值和地表发射率波谱值转换为通道等效值

同时根据模拟数据，建立通道辐亮度到亮度温度的查找表，将入瞳通道辐亮度转换为入瞳亮温。

基于上述步骤，可以得到

接着，拟合得到不考虑天气和地表条件的通用单通道遥感反演模型系数，例如，对于Landsat 7传感器而言，通用模型的系数为：

所述步骤S209中反演状况分区的标准为：

地表温度划分为

各热红外通道的发射率划分为

总水汽含量划分为

观测角度划分为

本实施例中，反演状况区间可以按地表温度、各热红外通道的发射率、总水汽含量、观测角度进行划分反演状况区间。不同的大气和地表状况允许区间存在部分重叠，以抵消分区选择错误对反演结果的影响。针对不同反演状况区间分别构建对应的模型系数。例如，针对地表温度>290K，

表1

所述步骤S3具体为：

S301、获取待反演单通道传感器热红外通道

S302、根据待反演单通道传感器热红外通道

S303、根据通道辐亮度到亮度温度的查找表，将热红外通道

S304、获取地表覆盖分类；

S305、根据地表覆盖分类，使用分类赋值法，对每类地物在热红外通道

S306、将当前热红外通道

本实施例中，根据待反演的单通道传感器的定标系数，将传感器记录的计数值转变为入瞳通道辐亮度值，再转为入瞳亮温。例如，针对Landsat 7的第6通道而言，根据传感器数据的头文件中的增益和偏置，以及通道辐亮度到亮度温度的查找表，将DN值（DN值为遥感影像像元亮度值）转换为入瞳亮温。

使用分类赋值法进行发射率的确定。获取地表覆盖分类，对每类地物进行

将单通道

所述步骤S4具体为：

S401、获取卫星过境时刻大气的总水汽含量、当前各热红外通道的发射率和当前观测角度；

S402、根据卫星过境时刻大气的总水汽含量、当前各热红外通道的发射率、当前观测角度和地表温度初始值，确定反演状况区间，得到区间结果；

S403、根据区间结果和各反演状况区间的单通道遥感反演模型，得到当前反演状况区间的单通道遥感反演模型；

S404、根据当前热红外通道

本实施例中，获取卫星过境时刻的大气总水汽含量信息，根据地表温度初始值、发射率和大气总水汽含量数据，确定反演状况分区，带入对应区间的反演模型，更新不同反演状况下的地表温度，完成地表温度的迭代求解。

实施例2

如图2所示，本发明提供了一种单通道地表温度遥感系统，包括模型构建模块、系数率定模块、初值估算模块和地表温度反演模块；

所述模型构建模块，用于构建单通道遥感反演基础模型；

所述系数率定模块，用于获取模拟数据，进行反演状况分区，并根据模拟数据和单通道遥感反演基础模型，利用最小二乘法，得到通道辐亮度到亮度温度的查找表、各反演状况区间的单通道遥感反演模型和通用单通道遥感反演模型；

所述初值估算模块，用于获取待反演单通道传感器热红外通道

所述地表温度反演模块，用于根据当前热红外通道

本实施例中，模型构建模块，用于确定热红外通道

系数率定模块，用于获取模拟数据，并基于最小二乘法实现无需大气效应校正的单通道遥感反演模型系数的率定。

初值估算模块，用于获取目标传感器的单通道

地表温度反演模块，用于获取大气总水汽含量，根据温度初始值、发射率、大气总水汽含量和观测角度，判断反演状况，进而，利用不同反演状况区间对应的模型系数，实现不同反演状况下的地表温度估算。