一种高精度的热辐射方向性半经验半物理模拟方法

技术领域

本发明涉及一种模拟方法，可用于地表温度产品的角度订正，属于卫星遥感技术领域，尤其涉及一种高精度的热辐射方向性半经验半物理模拟方法。

背景技术

地表温度遥感产品被广泛地应用于水文、生态、气象、环境和生物地球化学等领域，是表征地球冷暖的直接指标，是全球变化研究中的基本气候变量。以GOES、MSG、Himawari、FengYun-4为代表的静止卫星及NOAA、Terra/Aqua、FengYun-3为代表的极轨卫星都设置了热红外通道以观测地球表面的热辐射信息。在生产这些卫星地表温度产品的业务化算法中，均假设地表热辐射是各向同性的，并且由于传感器的视场效应，通常都是从倾斜方向进行对地观测。

然而，地面、航空、卫星尺度的研究均表明地表热辐射是各向异性的，并将这种现象称之为热辐射方向性。对于具备复杂三维结构的异温像元，热辐射方向性可导致不同方向观测到的方向亮度温度差异高达10K，严重制约了地表温度产品的精度。即使在均一的沙漠、水面等地表，亦存在着显著的热辐射方向性现象，导致当前不能实现地表温度遥感产品的精度优于1K的目标。

因此，针对不同的地表类型(植被、城市、土壤、水体、冰雪等)，国内外研究者提出了诸多的物理模型来刻画热辐射方向性现象，建立方向亮度温度与地表结构、属性、光谱、温差等参数之间的关系，并试图用来纠正地表方向亮温及地表温度实现角度归一化。然而这些物理模型因为需要的驱动参数太多导致不能实用化，于是近些年来提出了热红外波段的半经验半物理模拟模型，直接通过输入多个方向亮温/温度实现核系数的求解，再基于核系数计算任意方向的亮温/温度，这类模型不需要已知地表的结构、属性、光谱、温差等信息，仅需要输入多个角度的地表亮温/温度观测值及相应的角度信息，即可实现模型中未知数(即核系数)的求解，进而可以拟合出任意方向的亮温/温度。当所有像元的观测角度都纠正到垂直方向时，即实现了地表温度产品的角度归一化。

目前可用于地表温度角度归一化的热红外半经验半物理模拟方法主要有四个：直接扩展自可见光波段的RossThick-LiSparseR模型和RoujeanLagouarde模型，以及基于热辐射特性提出的LiStrahlerFriedl-LiDenseR模型和Vinnikov模型。已有研究结果表明RossThick-LiSparseR和RoujeanLagouarde模型的精度受限于未考虑热辐射的特性，Vinnikov模型受限于其内部两个非各向同性核均为纯经验核，相比而言，LiStrahlerFriedl-LiDenseR模型在目前拥有最高的精度。但是，其仍然存在明显的热点低估现象，需要基于热辐射特性进行改进。

发明内容

为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种高精度的热辐射方向性半经验半物理模拟方法。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高精度的热辐射方向性半经验半物理模拟方法，包括以下步骤：

步骤一、构建LiStrahlerFriedl-RoujeanLagouarde模型：

将LiStrahlerFriedl-LiDenseR半经验半物理模型中的LiDenseR几何光学核修正为RoujeanLagouarde热点核，得到LiStrahlerFriedl-RoujeanLagouarde模型，LiStrahlerFriedl-RoujeanLagouarde模型的公式如下所示：

其中，

步骤二、反演LiStrahlerFriedl-RoujeanLagouarde模型中的四个未知数：

LiStrahlerFriedl-RoujeanLagouarde模型中包括四个未知数，四个未知数分别为LiStrahlerFriedl基础形状核系数f

反演时，对太阳天顶角θ

步骤三、验证构建的LiStrahlerFriedl-RoujeanLagouarde模型：

验证LiStrahlerFriedl-RoujeanLagouarde的模拟能力分为两部分：首先利用两个标准物理模型(4SAIL和DART)模拟的多角度方向亮温验证LiStrahlerFriedl-RoujeanLagouarde模型的拟合精度，尤其是在热点区域的拟合精度；然后将其拟合结果与改进之前的LiStrahlerFriedl-LiDenseR模型以及其他的三个热红外半经验半物理模型(RossThick-LiSparseR、RoujeanLagouarde、Vinnikov)进行对比，表征本发明的优势所在，选用的评价指标包括均方根误差RMSE、最大绝对拟合误差|Bias|

步骤四、对步骤三得到的数据进行拟合，对地表温度产品的角度进行归一化，将所有像元的观测角度从倾斜方向纠正到垂直方向。

进一步地，LiStrahlerFriedl-LiDenseR半经验半物理模型的公式可以表示为：

其中，

进一步地，LiStrahlerFriedl基础形状核和LiDenseR几何光学核均为非各向同性核，且二者均为太阳及观测角度的函数。

进一步地，LiStrahlerFriedl基础形状核用来刻画碗型的基本特征，LiDenseR几何光学核用来刻画几何遮挡导致的热点现象；由于LiDenseR几何光学核推导自离散植被场景，因此其在离散场景的热辐射方向性拟合中可以取得较好的模拟效果，但是其对于广泛存在的连续植被场景(草地、农田等)，会产生显著的热点低估问题，因此，LiDenseR几何光学核仅仅适用于离散植被。

本发明克服了将基于离散植被推导的几何光学核应用于连续植被场景产生热点低估现象的问题。通过将几何光学核替换为热点核，自由变量从三个增加为四个，提高了在热点区域的拟合精度。在保证高精度拟合离散植被场景多角度亮温/温度的同时，显著提高了针对连续植被多角度亮温/温度的拟合能力，解决了一直以来热红外半经验半物理模型存在的连续植被场景热点低估问题。

附图说明

图1为本发明的整体流程图。

图2为DART模型针对离散植被的模拟结果图。

图3为4SAIL模型针对连续植被的模拟结果图。

图4为本发明和DART模型针对离散植被的模拟结果图。

图5为本发明和4SAIL模型针对连续植被的模拟结果图。

图6为现有的四种热红外半经验半物理方法针对离散植被的模拟结果图。

图7为现有的四种热红外半经验半物理方法针对连续植被的模拟结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1所示的一种高精度的热辐射方向性半经验半物理模拟方法，包括以下步骤：

步骤一、构建LiStrahlerFriedl-RoujeanLagouarde模型：

Li等1992年提出了浓密森林冠层的冠层反射率几何光学模型，1995Wanner等基于该模型提出了LiDenseR核，以表征光照和阴影组分的贡献。随后，Li、Strahler和Friedl等1999年提出了非均质地表的热辐射方向性概念模型，Su等2002年基于该概念模型提出了简化的各项异性核(称为LiStrahlerFriedl核)以表征植被冠层上下层的贡献，并进一步提出了LiStrahlerFriedl核、LiDenseR核和各项同性核组成的热辐射方向性半经验半物理模型(即LiStrahlerFriedl-LiDenseR模型)。

LiStrahlerFriedl核为角度的函数，其公式可表示为：

其中，

LiDenseR核也是角度的函数，其公式可表示为：

LiStrahlerFriedl-LiDenseR半经验半物理模型的公式可以表示为：

其中，

基于公式(1)可知，LiStrahlerFriedl-LiDenseR模型共含有三个待求的未知数：f

该模型中的LiStrahlerFriedl基础形状核用来刻画碗型的基本特征，LiDenseR几何光学核用来刻画几何遮挡导致的热点现象；由于LiDenseR几何光学核推导自离散植被场景，因此其在离散场景的热辐射方向性拟合中可以取得较好的模拟效果，但是其对于广泛存在的连续植被场景(草地、农田等)，会产生显著的热点低估问题，因此，LiDenseR几何光学核仅仅适用于离散植被。

基于此，本发明提出将LiStrahlerFriedl-LiDenseR半经验半物理模型中的仅仅适用于离散植被的LiDenseR几何光学核修正为RoujeanLagouarde热点核，RoujeanLagouarde热点核最初由Roujean等提出，Roujean等在2000年首先提出拟合冠层反射率热点特征的非线性核，随后Lagouarde在2008年将该模型扩展到热红外波段，故称之为RoujeanLagouarde核，其公式如下所示：

修正LiStrahlerFriedl-LiDenseR半经验半物理模型后得到LiStrahlerFriedl-RoujeanLagouarde模型，LiStrahlerFriedl-RoujeanLagouarde模型的公式如下所示：

其中，

步骤二、反演LiStrahlerFriedl-RoujeanLagouarde模型中的四个未知数：

LiStrahlerFriedl-RoujeanLagouarde模型中包括四个未知数，四个未知数分别为LiStrahlerFriedl基础形状核系数f

反演时，对太阳天顶角θ

步骤三、验证构建的LiStrahlerFriedl-RoujeanLagouarde模型：

验证LiStrahlerFriedl-RoujeanLagouarde的模拟能力分为两部分：首先利用两个标准物理模型(4SAIL和DART)模拟的多角度方向亮温验证LiStrahlerFriedl-RoujeanLagouarde模型的拟合精度，尤其是在热点区域的拟合精度；然后将其拟合结果与改进之前的LiStrahlerFriedl-LiDenseR模型以及其他的三个热红外半经验半物理模型(RossThick-LiSparseR、RoujeanLagouarde、Vinnikov)进行对比，表征本发明的优势所在，选用的评价指标包括均方根误差RMSE、最大绝对拟合误差|Bias|

步骤四、对步骤三得到的数据进行拟合，对地表温度产品的角度进行归一化，将所有像元的观测角度从倾斜方向纠正到垂直方向。

本发明克服了将基于离散植被推导的几何光学核应用于连续植被场景产生热点低估现象的问题，通过将几何光学核替换为热点核，自由变量从三个增加为四个，提高了在热点区域的拟合精度。本发明在保证高精度拟合离散植被场景多角度亮温/温度的同时，显著提高了针对连续植被多角度亮温/温度的拟合能力，解决了一直以来热红外半经验半物理模型存在的连续植被场景热点低估问题，本发明可用于地表温度产品的角度订正，因此在空间信息技术领域，尤其是定量遥感领域具有重要的应用价值。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1：

DART模型被广泛用于离散植被的热辐射方向性研究，4SAIL模型被广泛用于连续植被热辐射方向性的研究，选取当前精度最高的这两个物理模型模拟多角度方向亮温数据集，并将其作为驱动数据求解半经验半物理模型的未知数，对比半经验半物理模型拟合的多角度数据与作为驱动的DART/4SAIL模型模拟多角度数据之间的差异，评价本发明的拟合精度。具体实施步骤见图1。

图2给出了DART模拟的典型离散植被方向亮温在太阳主平面内的模拟结果，图3给出了4SAIL模拟的典型连续植被方向亮温在太阳主平面内的模拟结果，两者均可以看到明显的热点现象，其中图3中的热点比图2更加尖锐，这是因为连续植被叶片之间的孔隙小于树冠之间的孔隙。

图4给出了本发明提出的LiStrahlerFriedl-RoujeanLagouarde模型在离散植被场景的模拟结果，图中虚线部分为本发明的模拟结果，可见其在非热点区域及热点区域均实现了高精度的模拟，在热点区域的最大偏差为0.62K，R

图6给出了现有四个半经验半物理模型在离散植被场景的模拟结果，图中，在-60°观测天顶角处，由上至下的曲线依次为RoujeanLagouarde模型的模拟结果、Vinnikov模型的模拟结果、LiStrahlerFriedl-LiDenseR模型的模拟结果、RossThick-LiSparseR模型的模拟结果和DART模型的模拟结果。

RoujeanLagouarde模型在热点区域的最大偏差为2.63K，R

可以看出Vinnikov模型不能模拟热点现象导致精度低；RoujeanLagouarde模型前向低估后向高估导致精度低，RossThick-LiSparseR模型在大观测角度时|Bias|

图7给出了现有四个半经验半物理模型在连续植被场景的模拟结果，在-60°观测天顶角处，由上至下的曲线依次为RoujeanLagouarde模型的模拟结果、Vinnikov模型的模拟结果、LiStrahlerFriedl-LiDenseR模型的模拟结果、4SAIL模型的模拟结果和RossThick-LiSparseR模型的模拟结果。

RoujeanLagouarde模型在热点区域的最大偏差为2.88K，R

可以看出Vinnikov模型不能模拟热点现象导致精度低；其他三个模型能够模拟热点现象但是存在显著的低估，RossThick-LiSparseR、RoujeanLagouarde、LiStrahlerFriedl-LiDenseR在热点处的低估分别为2.41K、2.88K、3.12K。图6和图7表明了现有半经验半物理模型在连续植被热点模拟能力的不足，也间接证明了本发明的重要性。

上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。