基于劈窗算法从ASTER遥感数据反演地表温度

应用卫星热红外遥感影像反演地表温度对于研究城市生态环境、气象过程具有重要意义,ASTER 遥感数据为此提供了有效的信息源。针对从 ASTER 数据中反演地表温度(LST)的需要,首先利用 MODIS 数据反演大气水汽含量,并模拟出大气水汽含量与大气透过率的关系,求得大气透过率,然后通过决策树分类结果和地物光谱特征计算出地表反射率,最后采用劈窗算法反演出地表温度。通过某市2个季节的试验表明该方法具有较高的精度,能够有效应用于城市热环境分析,为城市物理环境综合分析评价提供支持。     

不同土地利用类型的城市热环境效应研究——以广州市为例

利用2005年Landsat TM遥感卫星数据,对广州市不同土地利用类型与城市热环境之间的关系进行研究,发现不同土地利用类型对地表温度(LST)的影响具有明显的差异。草地、林地及耕地的LST与归一化植被覆盖指数(NDVI)呈现明显的负相关,水域的LST与归一化水体指数(MNDWI)之间呈现明显负相关,而城镇建设用地指数(NDBI)、未利用土地指数(NDBaI)则与LST呈现明显正相关。最后建立了LST与各土地利用类型表征指数及DEM之间的多元线性回归方程,可用来指示一个地区不同地表覆盖及地形差异导致的地表温度分布,为城市热环境的评价和分析提供依据。     

利用MATLAB实现FY-3/MERSI地表温度反演及专题制图

我国新型自主研发的风云三号卫星MERSI(FY-3/MERSI)数据目前多见于试验研究,国家卫星气象中心(NSMC)发布的业务产品中尚缺乏地表温度(land surface temperature,LST)产品.为此,在分析FY-3/MERSI L1级数据HDF5格式及通道特点的基础上,采用Jiménez-Mu(n)oz和Sobrino普适性单通道地表温度反演算法,借助MATLAB编程,实现了直接利用MERSI数据进行250 m空间分辨率的LST反演与专题制图.详细介绍了LST反演算法的参数化流程,包括辐射定标、云检测处理以及地表比辐射率和大气水汽含量的估计等,并在反演LST的基础上,计算其他衍生指标,建立了FY-3/MERSI数据反演LST及制图流程.对上海市空间热环境监测分析的实验结果表明:该方法能根据设定范围对FY-3/MERSI L1数据进行快速、实时和自动处理,适用于业务化产品制作与共享,节省人力资源;形式丰富的MERSI专题制图产品可更直观、精细地揭示出上海城市热场空间格局与热岛效应特征.     

基于城市地表温度与归一化植被指数对北京市建成区热环境分析

针对研究城市热环境的过程中,利用归一化植被指数(NDVI)进行地表温度(LST)反演,再将LST和NDVI结合说明地物变迁与城市热环境的影响的现状,利用Landsat-8多时相遥感影像、高分辨率影像、公开GIS等多源数据,通过人工交互判读和量化统计分析,实现了2013—2017年北京建成区NDVI变化及其对地表热环境影响分析,再对分析结果进行差值拟合评价。对NDVI阈值分割按照大小为LC1、LC2、LC3、LC4,对LST分为高温区(TH)、常温区(TR)和低温区(TL)。结果表明,2013年至2017年:1)建成区的平均NDVI增加0.03,其中LC1增加1.0%,LC2减少11.6%,LC3区域减少1.7%,LC4区域增加12.3%。2)建成区平均LST增加2.55 K,TH百分比增加0.6%;TR百分比减少1.1%,TL百分比增加0.5%。3)NDVI相对增加,地表温度相对下降以及NDVI相对减少,地表温度相对上升占60%,NDVI相对下降,地表温度相对下降以及NDVI相对增加,地表温度相对上升的占40%。     

城市地表典型遥感参数与热岛效应时空分析研究——以桂林市为例

利用桂林市1991年和2013年的卫星遥感影像数据,分别提取两个时期的归一化建筑指数(NDBI)、归一化植被指数(NDVI)和改进的归一化差异水体指数(MNDWI)3个地表典型参数,并利用回归分析方法,分析了3个地表典型参数与利用Landsat卫星(热红外波段)反演的地表温度(LST)的相关关系。研究结果表明:桂林市中、高、极高温区3个温度类别的变化趋势与桂林市城市扩张趋势基本一致;NDBI与LST成显著的正相关关系,而NDVI、MNDWI则与LST成负相关关系,且各参数对地表温度响应的程度各有差异。该研究成果对于揭示桂林市热岛效应现状、缓解热岛效应及推进桂林市生态城市建设具有一定的参考意义。     

HJ-1B热红外LST反演及利用偏微分对其误差精度分析

针对HJ-1B热红外波段特点,采用修正型QKB算法,反演广州市2013-01-14的地表温度(land surface temperature,LST)。建立偏微分方程得出,当辐射率误差为0.01时,引起的LST误差约为0.6K,LST误差与大气透过率成反比,与大气透过率误差成正比,0.1的透过率误差引起LST误差约1K。大气水汽含量w误差与LST误差成线性关系,当大气水汽含量误差为0.1g/cm2时,引起LST误差约为0.2K。LST反演误差与近地表气温误差和大气平均作用温度误差均成正比,1K的近地表气温误差引起LST反演误差约1K。总的来说,LST反演误差与区间比值和大气平均作用温度误差和近地表气温误差相关。用算法反演出来的广州市地表温度与MOD11_L2温度产品具有较强的空间一致性,温度差值曲线呈正态分布,主要集中在-0.9~0.9℃区域,选取广州市6个观测点,得出修正型QKB算法和实测地温平均值相差约为0.31K,MOD11_L2与实测地温的温度平均值相差0.65K,误差均小于1K。通过对修正型QKB算法偏微分方程的推导,可对HJ-1B/IRS中的LST反演进行更细致和精确的分析,为其他针对环境卫星热红外波段类似反演LST的算法提供一定的借鉴,也为后续提高LST反演精度提供科学依据。     

国产HJ-1B卫星数据的地表温度及湿度反演方法——以呼伦贝尔草原伊敏露天煤矿区为例

草原露天煤矿的土壤湿度遥感监测可以反映露天开采活动对生态环境的扰动程度。选择国产环境卫星(HJ-1B)多光谱及热红外光谱数据,探讨HJ-1B数据在中国北部呼伦贝尔草原伊敏露天煤矿区地表温度及湿度的反演模型及适宜性,对比分析JMS,Qin和Artis算法在研究区温度反演中的精度及适用性;进一步利用归一化植被指数和地表温度(NDVI-LST)的特征空间反演温度植被干旱指数(temperature vegetation dryness index,TVDI);通过野外实测土壤湿度数据对NDVI–LST特征空间中的干边模型进行修正。结果表明:基于Qin算法反演的温度数据精度最高;干边纠正系数为0.3时,TVDI与实测土壤含水量相关性最高,"湿边"呈现剖物线特征,"干边"呈现线性规律。反演结果能够很好地反映露天煤矿区内不同地物的地表干旱状况及空间异质性,可为草原露天煤矿区的长周期陆面演变监测提供基础数据。     

基于多源遥感数据的济南市主要建成区热环境研究

城市热环境是反映城市环境状况的一个重要指标,本研究基于济南市快速城市化时期的Landsat-8遥感影像,利用遥感图像处理软件IDL8.5反演2016年济南市的地表温度(LST),得到济南市地表温度空间分布格局;并利用NPP-VIIRS夜间灯光数据提取济南市主要建成区范围及郊区范围,同时利用MODIS 8天温度产品,根据城郊温差法计算得到济南市主要建成区热岛强度信息,探究热岛强度的月及季节变化规律。研究发现白天热岛强度变化规律比较明显,夜间热岛强度比较稳定。同时,利用2016年谷歌影像提取济南市地表水体的分布数据,并采用剖面取样的方法在地表温度分布图上做出样点与其对应地表温度的分布曲线,研究发现水体和绿化植被的存在能显著地减缓城市热岛效应。     

顾及时空特征的FY-4A云覆盖像元地表温度重建模型

热红外遥感为地表温度(land surface temperature,LST)时空全局快速获取提供了有效手段,但目前已有的地表温度产品未估算云覆盖像元地表温度,如何估算地表温度产品中空值像元的地表温度,得到无缝的地表温度数据,是热红外遥感的研究难点。针对该问题,提出了一种顾及时空特征的LST重建模型,该模型首先在时间域对LST空值进行重建,然后在空间域对LST空值进行重建,最后采用Savitzky-Golay滤波器对重建的LST数据进行平滑去噪,实现LST的空值重建。以黑河流域为研究区域,以风云四号A星(Fengyun 4A,FY-4A)数据为例,计算了该模型在不同天气条件下的重建精度,并分析了不同空值区域大小对重建结果的影响。结果表明,所提方法能解决晴空和多云天气下有空值像元的LST重建问题,一天内LST连续空值数目为1～31时,重建的均方根误差为0.405～1.915 K,决定系数R2为0.952～0.989;与传统的昼夜温度变化模型相比较,该模型不受有效LST像元数量和LST分布时刻的影响。     

武汉主城区热环境特征对城市建设的响应

针对目前城市建设与地表热岛效应定量关系尚不明确的问题,该文利用Landsat遥感影像反演武汉主城区地表温度(LST)、提取不透水面率(ISA)值,并将ISA值按照一定阈值划分城市建设密度,探讨不同城市建设密度水平下热岛强度的变化;构建平均ISA与LST间的数量关系,明确城市热环境特征对城市建设的定量响应。结果表明:①1987—2016年间武汉主城区发展迅速,城市高密度建设范围从1987年的130.0 km~2增加到2016年的366.9 km~2,29年间增加了188.2%;②不同建设密度用地表现出不同程度的热岛强度,高密度、中密度和低密度建设水平对应的热岛强度分别为2.72～8.39℃,2.02～5.69℃和0.92～3.82℃;③LST与平均ISA呈现出明显的正向线性关系,两者拟合方程的系数为0.853～0.942;城市建设水平能很好地解释城市地表温度的空间变化,平均ISA每增加10%,地表温度上升0.35～0.85℃。     

北京城市地表温度的遥感时空分析

运用Landsat TM/ETM+和Terra ASTER数据,对北京市1990~2007年夏季的地表温度进行了反演,并对地表温度的空间分布、时间变化作出了分析。对Landsat TM/ETM+数据的温度反演采用了普适性单波段算法,ASTER数据的温度反演采用了劈窗算法。通过对地表温度数据的直方图均衡处理以及综合对比分析,总结出北京地区历年来夏季地表温度的空间分布格局及该格局随北京城市发展的变化规律,分析了研究成果的不足,提出了下一步要努力的方向。     

Feasibility of Retrieving Land-Surface Temperature From ASTER TIR Bands Using Two-Channel Algorithms: A Case Study of Agricultural Areas

The Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) provides the user community with standard products of land-surface temperature (LST) and emissivity using the temperature and emissivity separation (TES) algorithm. This letter analyzes the feasibility of using two-channel (TC) algorithms for LST retrieval from ASTER data, which could be considered as an alternative or complementary procedure to the TES algorithm. TC algorithms have been developed for all the ASTER thermal infrared bands combinations, and they have been applied to six ASTER images acquired over an agricultural area of Spain in 2000, 2001, and 2004. LST values obtained with TC algorithms were compared with the TES product. In addition, the TC algorithms were tested using simulated data and ground-based measurements collected coincident with the ASTER acquisition in 2004. The results show that TC algorithms provide similar accuracies than the TES algorithm (~1.5 K), with the main advantage that the atmospheric correction is included in the algorithm itself     

中国MODIS地表温度产品验证

分析了MODIS地表温度产品的误差来源，重点研究利用高分辨率遥感影像数据ASTER同步反演的验证方法。以2003年8月1日太 湖地区为例，用ASTER数据的反演结果与同时相的MODIS地表温度产品进行比较，分别在太湖水面、无锡城区及城郊农田3个典型地表 状况下选取感兴趣区域做线性拟合，取得了较好的结果，拟合的R2值可达0.966 6。     

The application of day and night time ASTER satellite imagery for geothermal and mineral mapping in East Africa

There is considerable interest in optimizing geothermal exploration techniques via the mapping of alteration and evaporate mineralisation, as well as of thermal emissions associated with geothermally active areas on the Earth’s surface. Optical and thermal satellite sensor technologies, improvements in processing algorithms and the means for large scale (e.g. 1:250,000) spatial data distribution are required for detecting both these attributes. The extensive visible, -near, -shortwave and thermal infrared (VNIR-SWIR-TIR) data archive acquired by the multi-spectral Advanced Spaceborne Thermal Emission Reflectance Radiometer (ASTER) provides a rich source of geoscience related imagery for geothermal exploration. Examples of generating large scale mosaicked ASTER imagery to provide province to continental mineral mapping have been undertaken in areas including such as Australia, western USA, Namibia and Zagros Mountains Iran. In addition, ASTER’s thermal infrared imagery also provides night time land surface temperature (LST) estimates relevant for detecting possible geothermal related anomalies.This study outlines existing methods for the application of ASTER data for geothermal exploration in East Africa. The study area encompasses a section of the East African Rift System across the Tanzanian and Kenyan border. The area includes rugged volcanic terrain which has had geological mapping of limited coverage at detailed scales, from various heritages and mapping agencies. This study summarizes the technology, the processing methodology and initial results in applying ASTER imagery for such compositional and thermal anomaly mapping related to geothermal activity. Fields observations have been used from the geothermal springs of Lake Natron, Tanzania, and compared with ASTER derived spectral composition and land surface temperature results. Published geothermal fields within the Kenyan portion of the study area have also been incorporated into this study.     

城市地表温度空间降尺度研究—以北京市为例

地表温度LST（Land Surface Temperature）是城市热环境研究的重要参数之一,城市下垫面极为复杂,LST空间差异性较高。高空间分辨率LST对精细化城市热环境监测和缓解具有重要意义。目前大部分城市遥感LST降尺度研究仍以二维角度为主,缺乏建筑三维结构的考虑。本研究同时考虑地表二维和三维指标,构建基于随机森林方法的降尺度模型,开展MODIS 1 km LST降尺度研究（100 m）,并探讨二维和三维建筑形态对LST影响的空间尺度效应。另外,为了弥补随机森林模型缺乏物理基础的不足,参考热辐射传输方程,将方程中传感器接收的辐亮度和与大气透过率相关的大气可降水量,加入降尺度模型构建中。为了更好利用真实观测的MODIS 1 km LST验证降尺度结果,故将MODIS LST和所有指标因子升尺度至5 km,开展5 km LST降尺度至1 km研究,进一步研究探讨大气顶层辐亮度和大气可降水量对LST降尺度的影响。研究结果表明：（1）随机森林模型中增加辐亮度和大气可降水量前后,通过将5 km LST降尺度后1 km LST与原始MODIS 1 km LST相比,RMSE和R²分别由3.1 K和0.5提高至0.38 K和0.94。（2）当随机森林模型中增加建筑形态指标后,模型的袋外分数OOB_score由0.46提高至0.49,模拟的100 m LST与ASTER LST产品比较,R²有所降低,可能的原因是ASTER 和MODIS LST的反演方法和传感器不同,造成两者在100 m尺度下的对比性差一些。但是当驱动因子中增加MOD02和MOD05后,RMSE和R²由2.4 K和0.29提高至1.2 K和0.68,进一步说明MOD02和MOD05在1 km LST降至100 m过程中,起到至关重要作用。（3）在1 km和100 m尺度下,增加建筑形态后,模型OOB_score均有提高,并且建筑形态指标的重要性有所不同,在100 m尺度下独立建筑形态的影响程度有所增加。综上,MODIS LST在城市地区降尺度研究中需要考虑大气顶层辐亮度、大气可降水量和建筑形态的影响,并且不同的建筑形态对LST的重要性存在空间尺度效应。     

针对Terra/MODIS数据的改进分裂窗地表温度反演算法

针对Terra/MODIS数据提出改进的分裂窗地表温度反演算法。充分考虑了传感器观测角度(VZA)的影响,并对地表和有效大气辐射按照不同的亮度温度区间分别进行Planck函数简化。利用TIGR3大气廓线库中的875条晴空大气廓线,ASTER波谱库中的106条地物发射率波谱,结合MODTRAN4大气辐射传输模型模拟得到分裂窗算法系数。利用MODTRAN4模拟数据对算法精度进行验证,结果表明本文的改进算法和原算法的均方根误差RMSE分别为0.34K和0.65K。敏感性分析表明,在中等湿润的大气条件下,算法对大气水汽含量并不敏感。该算法降低了传感器观测角度带来的地表温度反演误差。利用2009年6月美国SURFRAD辐射观测网6个站点的实测数据对改进算法、原算法以及MOD11_L2地表温度产品进行了对比验证,RMSE分别是0.93K、1.49K和1.0K,表明本文算法可以提高反演精度。     

基于ASTER GED产品的地表发射率估算

地表发射率是地表温度反演的重要输入参数,为了解决现有地表发射率估算方法在裸露地表精度较差的问题,本文基于最新的ASTER全球地表发射率产品(ASTER GED)和基于植被覆盖度的方法(VCM),提出了一个改进的地表发射率估算方法。首先,利用ASTER GED产品求解裸土发射率,然后,利用ASTER波谱库中的植被发射率和植被覆盖度结合VCM方法计算地表发射率。利用张掖地区2012年11景ASTER TES算法反演的地表发射率产品和实测地表发射率数据进行了验证,同时利用一景Landsat 8 TIRS数据分析了对地表温度反演精度的影响。结果表明该方法估算的地表发射率整体精度较高,可以有效改进裸露地表的发射率估算精度,用于支持利用多种热红外传感器数据生产高精度的地表温度产品。     

耦合双时相与邻近像元信息的极轨卫星地表组分温度反演

与混合像元的地表温度相比,植被和土壤的组分温度具有更明确的物理意义。因此,本文提出了一种从具有广泛应用的极轨卫星地表温度产品中分离出植被和土壤组分温度的算法。该算法使用温度日变化模型作为桥梁连接极轨卫星一日内的两次观测,利用多像元数据进行模型求解,从而得到过境时刻的地表植被和土壤组分温度。论文针对MODIS数据开展了地表组分温度的反演,并利用实测站点数据和高分辨率卫星数据对反演结果进行了验证。结果表明,该算法可以提供合理的植被和土壤组分温度信息,反演温度的误差变化范围为1.4 K到2.5 K。此外,对观测时刻组合方式的分析表明该算法只需要一次白天观测和一次夜晚观测就可以得到精度较好的分离结果,并且两次观测可以来自于不同传感器,进一步表明了算法具有良好的可操作性。     

基于ASTER影像的蚀变异常提取方法研究——以赞比亚谦比希铜矿床地区为例

基于赞比亚谦比希(Chambishi)铜矿带中的多种蚀变矿物及其在ASTER影像VNIR - SWIR谱带的特征光谱分析,采用相对波段吸收深度(Relative absorption- Band Depth,RBD)和波段比值的方法对蚀变信息进行增强处理.用波段比值ASTER 2/ASTER 1和ASTER 3的RBD...     

ASTER和TM/ETM+遥感数据融合监测土地覆盖变化

在人们纷纷选择IKONOS、QUICKBIRD、SPOT-5等高分辨率影像监测土地利用/覆盖变化之际,以北京海淀区为例,尝试采用Brovey变换和主成分分析(PCA)法融合ASTER、TM/ETM+中等分辨率影像,充分利用ASTER、TM/ETM+数据的多光谱和较高空间分辨率特性,挖掘其在土地覆盖变化监测中的潜力,为大规模监测土地利用/覆盖变化提供科学参考。研究将2003年ASTER多光谱3N、2、1波段与1999年ETM+PAN波段进行Brovey变换;1992年TM543与1999年ETM+PAN波段进行PCA融合,快速发现土地覆盖变化信息。经验证,变化发现精度达92.50%,符合项目精度要求。试验表明:在缺乏高分辨率影像的地区,选择价格相对便宜的AS-TER和TM/ETM+数据,采用Brovey变换和主成分分析(PCA)法进行融合,可有效监测土地覆盖变化,节约动态监测成本,二者具有很大的应用价值,值得推广。