热红外遥感地表温度与发射率地面验证进展

地表温度与发射率是地表—大气系统长波辐射和潜热通量交换的直接驱动力,是描述区域和全球尺度上地表能量平衡与水平衡的重要参数,其时空变化信息在气象预测、气候变化、水循环、地质勘探、农林监测和城市热环境等诸多领域具有广泛的应用。热红外遥感作为当前获取区域或全球尺度上地表温度和发射率的最有效手段之一,相较于传统的地面点位测量方法,具有空间覆盖范围大和重复观测等优势。对热红外遥感定量反演的地表温度与发射率产品进行地表真实性验证,有利于发现遥感数据自身或其反演算法的缺陷,确定产品的精度与不确定度,便于遥感产品的应用与推广。本文首先回顾了地表温度和发射率的定义,阐述了热红外遥感可反演、地面可测量的地表温度和发射率的科学内涵,并对利用热红外遥感数据反演地表温度和发射率的理论和方法作了概述;对地表温度和发射率地面验证的框架体系、验证指标进行总结,建立了基于精度、精确度、不确定度、完整性和稳定性的验证评价指标体系;总结了地表温度和地表发射率的地面验证方法、地面测量方法、辅助数据的获取方法、地表温度地面测量的采样方法,以及在验证异质非同温地表时从点到像元尺度的地表温度尺度转换方法等,分析了地面验证过程的主要误差来源;归纳了目前地表温度和地表发射率主要验证站点、观测网络及其空间分布特征;最后,本文讨论了地表温度与发射率地面验证存在的若干问题,并对地表温度与发射率验证工作的发展前景和趋势进行了相关展望。     

单窗算法结合Landsat8热红外数据反演地表温度

Landsat热红外系列数据一直是地表温度反演重要的遥感数据源,目前用于地表温度反演的单窗算法主要针对Landsat TM/ETM+第6波段数据(TM 6)建立的,Landsat 8热红外传感器(TIRS)与TM 6相比有很多变化,因而其单窗算法也需要改进。本文以Landsat 8 TIRS第10波段(TIRS 10)为数据源,提出了针对TIRS 10的单窗算法(TIRS10_SC),并对研究区地表温度进行反演研究,确定了研究区不同类型地表的温度值。研究结果表明:(1)TIRS10_SC算法可以较好地应用于Landsat 8数据的地表温度反演,平均反演误差为0.83℃,相关系数为0.805,反演温度与模拟数据和实测数据都具有较好的一致性;(2)通过对单窗算法中的地表发射率、大气水汽含量和大气平均作用温度等参数敏感性分析发现,TIRS10 SC算法能够获得较为可靠的反演结果;同时,TIRS10 SC算法对大气水汽含量和地表发射率敏感性较高,对大气平均作用温度敏感性稍弱。该算法对于利用Landsat 8 TIRS数据快速反演地表温度具有应用价值。     

机载高光谱热红外数据的地表温度和发射率反演与应用

机载高分辨率遥感是高分对地观测的重要部分,其中高分辨率高光谱热红外数据的光谱发射率可以用于矿物识别,是对可见光遥感地物识别的有效补充。机载高光谱热红外传感器TASI（Thermal Airborne Hyperspectral Imager）在8—11.5 μm范围内设置了32个波段,在国内外常被用于地表热辐射信息、矿产资源探测等领域。本文利用2018-10在新疆富蕴县研究区的TASI航空飞行数据,首先基于再分析大气廓线NCEP数据与MODTRAN实现了TASI高光谱热红外数据的大气校正,并在基础上发展了温度与发射率分离方法TES（Temperature and Emissivity Separation method）反演研究区地表温度与发射率,采用多波段热辐射计CE312测量的地面发射率对反演结果进行了有效验证,结果表明波长大于9.6 μm的波段的发射率误差约为0.01。最后,结合反演的TASI发射率光谱曲线,采用光谱角度匹配方法提取了研究区高岭石的空间分布。研究工作涉及的相关算法与应用成果可为星载高分辨率热红外载荷数据的应用提供了相关参考。     

CBERS-02 IRMSS热红外数据地表温度反演及其在城市热岛效应定量化分析中的应用

针对CBERS-02IRMSS的热红外通道特性，对Jimenez-Munoz和Sobfino提出的普适性单通道地表温度反演算法进行改进，并利用该传感器热红外遥感数据反演北京地区和苏锡常地区的地表温度；利用2004年8月17日在青海湖的野外实测数据对该算法的地表温度反演结果进行的验证表明，改进的单通道反演算法应用于CBERS-02IRMSS传感器热红外数据的地表温度反演具有很高的反演精度。并在此基础上，运用城市热场变异指数对北京地区和苏锡常地区的城市热岛效应进行分析，运用中国研制的热红外卫星遥感数据给出了城市热岛效应的定量化描述。结果表明，CBERS-02IRMSS热红外遥感数据完全可以满足定量化应用的要求，具有很大的应用潜力。     

一个针对ASTER数据同时反演地表温度和比辐射率的四通道算法

本文利用对地观测卫星多传感器的特点，提出了针对ASTER数据同时反演地表温度和比辐射率的多通道算法。即利用ASTER数据的第11，12，13，14热红外波段建立热辐射传输方程，并通过对于地表比辐射率分析可知，ASTER4个热红外波段的比辐射率可以用近似线性方程表示，得到了6个方程6个未知数，从而形成了针对ASTER数据的同时反演地表温度和比辐射率的多通道算法。对于关键参数大气透过率，则是通过同一颗星的MODIS传感器的3个近红外波段反演大气水汽含量，然后用MODTRAN模拟大气水汽含量与ASTER热红外波段的统计关系，并进而根据这二关系来计算ASTER热红外波段的大气透过率。由于MODIS和ASTER是在同一颗星上。因此这种大气透过率估计方法保证了地表温度反演过程中所需大气参数的同步获取。     

利用RADARSAT-2雷达卫星干涉数据监测输电通道地表形变应用研究

利用2018年3月18日—2018年9月26日获取的9景5 m分辨率的RADARSAT-2数据,采用小基线集差分干涉测量技术(SBAS-InSAR)对甘肃省平凉市某输电通道进行了地表形变监测研究.结果表明,在甘肃省平凉市某输电通道发现有多处明显的地表形变现象,监测期间累积形变量最大可达7.8 cm,距离最近杆塔约430 m.现场调查与差分干涉测量结果一致,表明利用RADARSAT-2雷达卫星干涉数据监测输电通道地表形变是有效的,在广域地质灾害监测方面具有广阔的应用前景.     

Landsat 8热红外数据定标参数的变化及其对地表温度反演的影响

Landsat系列卫星上的TIRS热红外传感器数据已被大量应用,针对TIRS数据的地表温度反演也相继开发出一些算法,并有一些研究对TIRS数据的定标及其地表温度反演算法的精度进行了对比。本文主要就TIRS热红外传感器定标参数的变化,结合这些定标参数变化的时间点对有关地表温度反演算法的适用性和有效性进行分析,特别是对劈窗算法是否适合当前的TIRS数据进行了讨论,以使用户能够对Landsat 8 TIRS热红外数据的正确使用有进一步的认识。总的看来,由于视域外杂散光的影响,TIRS数据的定标精度仍达不到设计目标,TIRS第11波段的不确定性仍成倍大于TIRS 10波段。因此,在Landsat团队未彻底解决这一问题之前,同时用TIRS第10、第11这两个差距较大的波段构成的劈窗算法来反演地表温度,其精度存在较大的不确定性,US6-S团队仍在致力于改进第11波段的精度,改进后的波段可以用劈窗策法。目前应以TIRS第10单波段的方式来反演地表温度为宜。     

高分五号全谱段光谱成像仪地表温度与发射率反演

地表温度在全球能量平衡和气候变化研究中具有重要意义。中国新一代高分辨率卫星高分五号卫星(GF-5)搭载的全谱段成像光谱仪有4个40 m空间分辨率的热红外波段,可以提供高空间分辨率的地表温度信息。本文提出了适用于全谱段成像光谱仪的温度与发射率分离TES(Temperature and Emissivity Separation)算法同时反演地表温度和发射率,为了提高大气校正精度,算法加入了水汽缩放WVS(Water Vapor Scaling)大气校正方法。首先利用Seebor V5.0全球大气廓线库构建模拟数据对算法精度进行了评价;然后利用张掖地区11景ASTER影像作为替代数据和同步的地面实测数据对算法精度进行了验证。模拟数据结果表明加入WVS方法后TES算法反演地表温度的RMSE由2.59 K降低到1.54 K,4个波段地表发射率的RMSE分别从0.122、0.12、0.102和0.037降低到0.042、0.04、0.028和0.026;地表验证结果表明本文算法反演的地表温度与站点实测值具有更好的一致性,平均Bias由1.08 K降低到0.47 K,RMSE由2.17 K降低到1.7 K;反演的各波段地表发射率与地面实测结果误差均小于1%。因此,本文提出的温度与发射率分离算法具有较高精度,可以利用GF-5数据获取高精度高空间分辨率的地表温度和发射率数据,服务于其他相关研究。     

利用Landsat 7与GF-1 WFV影像反演地表温度

地表温度在地气循环系统中具有重要作用,是目前地理学研究的重点。然而目前的国产高分辨率影像缺少热红外波段,且具有热红外波段的影像分辨率较低。基于此,本文利用低分辨率影像降尺度方法反演高分辨率影像的地表温度。首先通过Landsat 7影像的热红外波段,提取典型地物的地表温度;对GF-1 WFV影像进行预处理后,利用全约束最小二乘法对高分辨率影像进行混合像元分解;根据平均温度模型,得到高分辨率影像的地表温度,并进行降尺度,通过Landsat 7影像进行精度验证。验证结果显示,均方根误（RMSE）为1.40℃,平均绝对误差（MAE）为0.44℃,精度较高。     

武汉市城区热场变化的遥感检测与影响因素分析

以TM/ETM 热红外波段为基本分析数据,通过数据处理得到武汉市城区及其近郊可对比的热红外像对辐射值,提取了研究区建筑物、绿地及水体等下垫面信息。在此基础上,对研究区1988年和2002年的热场时空分布和变化特征进行了分析,指出研究区热场影响因素按作用大小依次为建筑物、绿地和水体。同时表明,采用热辐射较为稳定的水体DN值对热红外波段数据做规范化处理,所得热辐射相对值具有很好的时空可对比性。     

高分五号热红外传感器多通道SST反演

2018-05高分五号（GF-5）卫星发射升空,其上搭载的全谱段成像仪在热红外8—13 μm谱段范围内具有4个温度反演通道（B09,B10,B11,B12）,空间分辨率设计优于40 m,在国内民用传感器领域实现了由单通道向多通道、中空间分辨率向高空间分辨率的跨越式突破,使得GF-5卫星热红外数据在地表热环境遥感领域具有极其重要应用价值。本研究基于GF-5的4个热红外通道的通道响应函数,利用全球742条TIGR（Thermodynamic Initial Guess Retrieval）探空廓线数据,进行不同观测角度、水汽含量和海表发射率条件下的MODTRAN4.0（Moderate resolution atmospheric Transmittance and Radiance code4.0)辐射传输过程模拟,基于模拟结果分别对两通道、三通道和四通道劈窗算法海表温度SST（ Sea Surface Temperature）反演系数进行修订,并分析观测角度、水汽含量和海表发射率对不同通道组合的精度影响,并通过GF-5卫星实际反演的SST结果进行验证。GF-5全谱段成像仪SST反演两通道劈窗算法组合共有6种,即B09-B10、B09-B11、B09-B12、B10-B11、B10-B12、B11-B12;三通道劈窗算法组合共有4种,即B09-B10-B11、B09-B10-B12、B09-B11-B12、B10-B11-B12;四通道劈窗算法组合1种,即B09-B10-B11-B12。通过对不同通道组合形式研究发现,水汽含量对SST反演精度有较大的影响,且温度反演的精度随着水汽含量的增加而降低;其次是观测角度,SST反演精度随着观测天顶角的增大而降低;最后是发射率的影响,两通道、三通道和四通道劈窗算法SST反演精度随着发射率的变化总体在0.1 K以内变化。最后以大亚湾核电站周围海域为验证区,用GF-5热红外遥感影像进行SST的反演并做误差分析,结果表明B09-B10通道SST反演实际误差为0.57 K,反演精度较高,实际误差与理论模拟误差相差0.24 K,差异的来源主要包括辐射定标和传感器噪声等要素影响,其他通道形式反演精度有待于传感器响应稳定后进一步验证。     

HJ-1B卫星热红外遥感影像农田地表温度反演

本文以我国自主研发的HJ-1B卫星影像为数据源,利用其热红外影像、基于JM&S普适性单通道算法反演2009年5月20日河北省涿州市和高碑店市的农田地表温度。最后将HJ-1B IRS影像的地表温度反演结果与同时相Landsat TM5影像的反演结果进行比较分析,分析结果表明:本文所提出的基于HJ-1B卫星热红外影像反演农田地表温度精度可靠,该方法是可行性的。     

Landsat卫星热红外数据地表温度遥感反演研究进展

作为驱动地表与大气之间能量交换的关键物理量,地表温度在众多领域中都发挥着重要作用,包括气候变化、环境监测、蒸散发估算以及地热异常勘探等。Landsat热红外数据因其时间连续性和高空间分辨率等特点被广泛应用于地表温度反演中。本文详细地介绍了Landsat热红外传感器及其可用的数据与产品的现状,梳理了2001年—2020年20年间基于Landsat热红外数据的地表温度遥感反演与应用的相关文献发表及互引情况,系统地综述了基于Landsat热红外数据的地表温度反演算法,包括基于辐射传输方程的算法、单窗算法、普适性单通道算法、实用单通道算法和分裂窗算法等。在此基础上,进一步介绍了每种算法的参数化方案,包括地表比辐射率和大气参数的估算方法。最后针对Landsat热红外数据地表温度遥感反演提出了未来可能的发展趋势与研究方向。     

基于CBERS-04星田湾核电温排水遥感监测研究

选取2016-02-08的CBERS-04热红外数据,采用普适性单通道温度反演算法对田湾核电站附近海域的海水温度进行反演。将CBERS-04星反演结果与同时过境的MODIS温度反演结果及相似条件下的Landsat-8和HJ-1B温度反演结果进行对比分析。依据温度反演结果,分析了海温空间分布特征,探讨核电站对周围海域海水温度的影响。研究结果表明,CBERS-04星热红外数据与同时过境的MODIS数据反演得到的海表温度空间分布一致,线性相关性显著;MODIS数据因空间分辨率小,无法对核电周边海域进行有效监测;CBERS-04星可监测核电周边9个级别的热影响区,与相似潮汐状态和气象条件下的Landsat-8和HJ-1B具有相似的热影响级别、规模和空间分布特征,满足核电温排水的监测需求。     

基于遥感的疫情后工业企业复工复产监测研究

遥感监测具有客观性、时效性、稳定性和普适性等特征,根据高温目标遥感特征形成机理,以南昌市主要工业园区为研究对象,基于工业企业生产下光学和热红外遥感表征要素的客观提取与定量估算获取不同时段工业企业复工复产信息,并基于气象预报温度进行修正剥离季节因素。研究结果标明,南昌市从2月底全面复工以来,截至4月15日,城市开始“热起来”,全市主要工业园区地表温度大幅上升,重点企业已恢复正常生产活动,监测结果与江西省工信厅发布数据相吻合,证明该方法具有可行性,能够对工业企业复工复产情况进行客观、有效的分析并进行可视化展示,可为相关部门制定助力工业企业复工复产和促进经济发展扶持政策提供良好的数据支撑。     

一种适用于ASTER数据同时反演大气水汽含量和地表温度的三通道算法

提出了针对ASTER数据同时反演大气水汽含量与地表温度的三通道算法,即利用ASTER数据的第12,13,14三个热红外波段建立三个热辐射传输方程。再利用MODTRAN软件分别模拟ASTER 12,13,14波段透过率与大气水汽含量的关系,通过分析可知ASTER三个热红外波段的透过率与大气水汽含量的关系可用近似线性方程表示,从而得到另外三个方程。这样就构成了一个包含六个未知数、六个方程的方程组,形成了针对ASTER数据同时反演大气水汽含量与地表温度的三通道算法。由于各参数都可以通过方程组计算出来,所以,这种算法仅需要ASTER数据就可反演出大气水汽含量与地面温度,且关键参数大气透过率的计算精度提升到了AS-TER数据一个像元（15×15）m2的程度。     

地表辐射温度取代地表温度的可行性分析——以“风云2号”C星与MODIS数据为例

为了反演出全天各个时刻的地表温度数据,在不考虑大气水汽含量和地表比辐射率的情况下,首先建立“风云2号”C星2个热红外通道数据相对于MODIS地表温度数据之间的回归方程,反演出各个时刻的5 km空间分辨率的地表辐射温度;然后根据地表温度最大值和最小值出现的时间,将反演的地表辐射温度降尺度到1 km空间分辨率,在同时刻、同...     

基于ASTER数据的城市热环境效应定量分析

运用MODTRAN大气模型和通道光谱响应函数对2003年10月7日过境广西北海市的ASTER数据进行大气校正,从Planck公式和热辐射传输方程出发实现了地表温度的反演,采用ASTER VNIR和SWIR数据计算归一化植被指数(NDVI)和归一化湿度指数(NDWI),并分析了5个TIR通道地表温度、地表温度与NDVI、地表温度与NDWI之间的相关关系.结果表明,该方法反演5个TIR通道的地表温度具有显著的一致性,且与实测气温基本相符;地表温度与NDVI、NDWI之间具有明显的负相关关系;利用ASTER数据进行城市热环境效应定量分析,取得了较为理想的结果.     

地温敏感波段的遥感图像反演算法研究

针对应用于地表温度反演的航天遥感数据波段选择问题,文章提出了利用波长范围为8~10.5μm的热红外遥感数据反演地表温度的单通道反演算法:从温度敏感性的角度证明了利用波长范围为8~10.5μm的遥感数据反演地表温度的合理性;在此基础上,将仪器光谱响应率引入到基于大气校正原理的单通道反演算法中,提高了地表温度的反演精度。最后通过实验证明了利用此波段的热红外遥感数据反演地表温度的可行性。     

与地震有关的活动断裂带红外辐射变化特征

为了获得与地震有关的活动断裂带红外辐射变化信息,以2010年4月14日青海省玉树Ms7.1级地震为研究对象,利用MODIS热红外波段遥感数据研究了地震前后发震构造甘孜—玉树断裂带的亮温演化特征,分析了地震发生当月每10 d亮温变化情况,并与2011年同期该断裂带的亮温特征进行对比.结果表明:地震前一个月内,断裂带附近亮温值偏高,亮温变化最为显著的区域出现在断裂带北端,与野外考察获得的本次地震地表破裂带位置相吻合;震后7～16d,断裂带附近出现了明显的亮温增高现象,结合地震发生时水汽及CO变化情况,认为这一亮温增高现象与震后地下气体的大量释放有关;2011年5月断裂带附近的亮温高值可能与同年6月发生的Ms5.3级囊谦地震有关.因此认为,断裂带亮温的显著变化对断裂活动有一定指示作用,利用热红外遥感数据研究主要断裂带红外辐射特征,对地震构造带活动性监测具有重要意义.