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。     

HJ-1B卫星三种反演地表温度模型的分析与验证

由于对不同的传感器,单通道算法中的经验公式必须根据相应的热红外波段特征重新进行拟合,该文以覆盖广州市的卫星影像HJ-1B/CCD和HJ-1B/IRS为数据源,利用基于同步面上像元尺度的多源遥感数据MOD021KM,并结合上下行辐射和地表比辐射率来反演大气水汽含量以及大气透射率。在此基础上,针对环境卫星,提出修正的普适性单通道算法、大气辐射传输方程算法和单窗算法3种模型,进行广州市地表温度反演,最后利用野外观测数据进行验证。结果表明,相比普适性单通道算法和单窗算法,辐射传输方程模型精度比较高。     

利用HJ-1B模拟数据反演地表温度的两种单通道算法

针对HJ-1B热红外波段特点,采用修正型QK & B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0.6 K,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1 K。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0.1 g/cm²时,引起LST误差约为0.2 K。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,1 K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QK & B算法和实测地温平均值相差约为0.31 K,MOD11_L2与实测地温的温度平均值相差0.65 K,误差均小于1 K。通过对修正型QK & B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。     

基于大气温度和水汽含量改进HJ-1B地表温度反演

为了提高地面气象站稀少地区地表温度遥感反演的精度,本文基于多源遥感数据的优势,首先利用MODIS影像获取研究区像元尺度上平均大气水汽含量;然后利用同时相的HJ-1B影像估算区域地表比辐射率,再采用温度-植被指数法获取近地表大气温度;最后将以上3个参数输入单窗体算法,改进其地表温度反演的精度。研究结果表明,改进单窗体算法反演地表温度与地面实测温度的偏差小于1 K,为地面气象站点稀少的植被覆盖区域提供了一种可行的精确遥感反演地表温度方法。     

HJ-1B热红外辐射定标对地表温度反演的影响

辐射定标是地表温度反演的关键环节。在实际应用中,定标参数的选取直接影响辐射定标结果。由于卫星在轨定标系统的灵敏度会随时间发生改变,这使得实际的辐射定标存在不确定性。本文基于单波段热红外辐射传输方程给出了辐射定标影响地表温度反演的敏感性分析模型,并重点对HJ-1B热红外波段的辐射定标问题及其对地表温度反演的影响进行讨论和分析。敏感性分析模型显示,在一般的情形下,辐射定标偏差与地表温度反演误差的比值在数值上约为1∶11,即0.1个单位(W·m–2·sr–1·μm–1)的辐射定标偏差可能引起1.1 K左右的温度反演误差。由于对HJ-1B热红外波段定标参数的更新存在滞后,即使仅考虑相邻年份间的定标偏差,相应的地表温度平均绝对误差也在1.0—2.0 K左右。在更严重的情形下,因辐射定标偏差引起的地表温度误差甚至高达5.0 K以上。同时,分析结果也表明对HJ-1B的存档影像,无论使用其头文件中的定标参数还是当年公布的定标参数,定标后辐射亮度值的偏差均存在一定的不稳定性。针对当前在HJ-1B定标参数更新方面的不足,本文假定传感器辐射性能变化是匀速稳定的,相应地提出了线性内插修正法和线性外推法两个定标参数估计/修正方案。通过线性内插的方法进行辐射定标修正后,在一定程度上减小了误差的不稳定性,与MODIS B31波段的亮温相比,偏差在1.0 K以内(约为0.5 K)。当定标参数尚未公布时,由线性外推法修正后的辐射定标结果所得亮温的偏差约为1.0 K。与在大亚湾核电站附近海域进行的一次卫星同步观测(2011年12月18日)相比,经两个方案修正后的海表温度偏差分别约为0.2 K和0.7 K。案例分析的结果表明,在现阶段,线性内插修正法和线性外推法是简单有效的,可供用户在实际应用中参考和使用。     

太湖地区HJ-1卫星CCD数据反演气溶胶及大气校正

针对HJ-1卫星CCD数据,利用改进的暗像元法反演气溶胶光学厚度(AOD),再利用反演的AOD对其进行大气校正。将反演的气溶胶与地基太阳光度计数据进行对比验证,发现当反演的AOD值大于0.2时,反演值与地基观测值的相关系数为0.964,符合MODIS业务化反演AOD的精度要求。再将反演得到的气溶胶带入6S辐射传输模型中,对HJ-1卫星CCD数据进行大气校正实验。结果表明,该方法能有效提高HJ-1卫星CCD数据大气校正的精度,更好地复原地物的真实光谱信息。     

基于Landsat 8数据的地表温度反演研究——以哈尔滨主城区为例

基于Landsat 8遥感影像数据,应用大气辐射法,利用ENVI遥感处理软件,对哈尔滨主城区地表辐射与地面温度进行了反演计算,通过实例证明Landsat 8数据反演地表温度具有可行性,且通过分析得出哈尔滨主城区具有显著热岛效应。     

单通道算法地表温度反演的若干问题讨论——以Landsat系列数据为例

目的 在地表温度反演中,Jiménez Muoz和Sobrino开发的单通道(SC)算法因其需要的实时大气参数少而被广泛应用。由于SC算法在2003年提出时只提供了针对LandsatTM的大气参数,导致许多后续基于ETM+数据的地表温度计算也都采用TM的大气参数。即使SC算法于2009年提出了改进版,但这一混用现象仍未改观。因此,基于实测地表温度,以Landsat5/7/8号卫星的热红外数据为例比较了2003和2009版的算法,探讨了Planck函数、λ取值和大气参数等常见问题。结果表明,2009版的算法明显提高了ETM+地表温度反演的精度,且以采用Planck函数和USGS提供的λ值时所获得的平均精度最高。在当前,如果要用SC算法来反演Landsat8的地表温度,可在大气水汽含量较低时选用TIRS10波段来单独进行。     

北京地区HJ-1卫星CCD数据的气溶胶反演及在大气校正中的应用

与现有的大气卫星传感器相比,环境一号卫星(HJ-1)CCD相机具有较高的空间分辨率(30m),使得在城市地区找到光谱纯像元的机率大大增加。本文提出一种基于纯像元提取的城市地区气溶胶光学厚度(AerosolOpticalDepth,AOD)反演算法,利用像元纯净指数来提取CCD影像上的纯像元,并由HJ-1A星和B星的多时相CCD观测数据结合地表双向反射率模型确定纯像元的地表反射特性,在此基础上反演AOD。与AERONET地基测量数据的对比表明,该算法具有较高精度,相关系数为0.83,线性拟合斜率为1.091,截距为0.053。基于该方法的AOD反演结果作为输入,能较大程度提高HJ-1卫星CCD影像大气校正的精度。     

Landsat 8地表温度反演及验证—以黑河流域为例

地表温度是区域和全球尺度地表物理过程的一个重要参数,目前已有的地表温度产品空间分辨率较低,缺乏高空间分辨率的地表温度产品。Landsat系列卫星提供了大量免费的高空间分辨率遥感数据,然而对应的高空间分辨率地表温度产品还未见到,为了获取长时间序列的高空间分辨率地表温度数据,针对Landsat 8 TIRS数据提出了一个物理单通道地表温度反演算法。该算法首先利用ASTER全球地表发射率产品(ASTER GED)结合Landsat 8地表反射率产品计算Landsat 8影像的地表发射率,然后利用快速辐射传输模型RTTOV结合MERRA大气廓线数据对热红外影像进行大气校正,最后利用物理单通道地表温度反演算法得到地表温度。利用黑河流域HiWATER试验2013年—2015年15个站点的实测地表温度数据对本文方法和普适性单通道算法进行了验证,同时对验证站点的空间异质性进行了分析。结果表明,本文方法和普适性单通道算法估算的地表温度整体精度均较高,能够获取高精度、高空间分辨率的地表温度数据,可以服务于城市热岛效应、地表蒸散发估算等相关研究。     

基于FY-2C数据的地表温度反演验证——以黄河源区玛曲为例

地表温度是气候、水文和生态等研究领域的基本参数,在地表水量和能量平衡的研究和应用中发挥着十分重要的作用。强烈的异质性是地表温度反演精度不高的主要原因之一。该文以黄河源区玛曲为研究区,评估FY-2C数据的地表温度反演精度,为将来温度反演算法和产品的进一步发展提供依据。首先,以与FY-2C相同空间分辨率的MODIS地表温度产品(MOD11B1)为地表温度真值,对反演的地表温度进行了验证;然后,利用研究区内20个采样点的土壤温度(5 cm)实测数据对反演结果进行验证。结果表明,FY-2C地表温度与MODIS温度产品具有较好的相关性,相关系数在0.72~0.95之间,均方根误差在0.44~3.87 K之间,平均均方根误差为1.90 K;反演结果和实测数据的相关系数为0.69。     

基于HJ-1遥感数据的矿区水体污染监测与分析——以龙岩紫金山金铜矿为例

矿产资源的持续开采与加工利用使得矿区周边水资源受到的污染日趋严重,急需采用先进技术对水污染进行监测分析,遥感技术是水环境监测最为有效的技术之一。利用国产环境一号小卫星多光谱遥感影像数据,针对福建省龙岩市紫金山矿区不同时相的数据进行水质遥感监测。利用近红外单波段阈值分割法提取悬浮物浓度信息,基于矿区酸碱性水体光谱曲线特性采用342波段假彩色合成影像,采用SVM分类方法进行分类,判别矿区水体酸碱性以及分析水体受污染程度变化和污染源。结果表明,研究区汀江水体2008年呈现碱性,2010年呈现弱碱性,水质在研究时段内得到一定的改善,但在选矿厂与矿区附近的水体中仍含有大量重金属沉积物。     

用被动微波AMSR数据反演地表温度及发射率的方法研究

 针对对地观测卫星多传感器的特点，提出了借助MODIS地表温度产品从被动微波数据中反演地表温度的方法。即利用MODIS地表温度产品和AMSR不同通道之间的亮度温度，建立地表温度的反演方程。该方法克服了以往需要测量同步数据的困难，为不同传感器之间的参数反演相互校正和综合利用多传感器的数据提供实际应用和理论依据。文中以MODIS地表温度产品作为评价标准，对方法进行检验，其平均误差为2~3℃。另外，微波的发射率是土壤水分反演的关键参数，在对微波地表温度反演的基础上，进一步对发射率进行了研究。     

基于HJ-1B星热红外数据的大亚湾海温反演模型及其应用

为进一步推进HJ-1B星IRS4热红外数据在大亚湾核电站温排水动态监测中的应用,基于常用的海表温度反演算法,利用数值微分手段,从理论上对影响温度反演误差的大气总水汽含量、卫星观测角度以及地物比辐射率等参数进行敏感性分析;以单窗算法为温度反演模型的基础,利用2011年12月18日和22日大亚湾核电站地区的HJ-1B星IRS4数据以及与卫星过境时段对应的CE312实测红外辐射温度和气象观测数据,通过最小二乘线性回归方法,对反演模型参数进行修正,得出单窗算法修正值a=1 163.4,b=-4.013 4。最后,基于反演模型,利用2010和2011年HJ-1B星IRS4单通道数据开展了大亚湾核电站温排水研究。     

基于HJ-1A/B卫星CCD数据的江汉平原农田物候探测

利用HJ-1A/B卫星CCD数据,提取2013—2015年三年江汉平原农田的归一化植被指数NDVI,构建时间序列曲线,利用小波变换对HJ-1A/B卫星所得的NDVI数据进行平滑降噪处理,结合地面调研资料,提取江汉平原农作物的物候信息。研究结果表明,HJ-1A/B卫星可用于农田物候监测,对于小区域的农田作物长势监测具有独特的优势。     

利用GRACE卫星Level-1B数据反演陆地水储量变化的方法研究

卫星重力探测技术为监测陆地水储量变化提供了新的技术手段。对利用GRACE卫星Level-1B数据反演地球陆地水储量变化的重力位差法和Mascon方法的数学模型作了详细推导分析,总结两种方法的特点和解算处理步骤。推导过程表明:重力位差法和Mascon方法在反演时只采用卫星飞临研究区域上空时的观测数据,能够提高反演结果的空间分辨率,比传统的球谐系数法更具优势;Mascon方法在解算时还引入了时空约束方程,进一步提高了反演结果的时空分辨率。     

矿区地表形变InSAR监测——以永城市为例

针对矿区地表形变同时存在地面塌陷及地面沉降的情况,结合InSAR监测本身的特点,本文以永城市为例,选用2014年10月至2015年4月7景Radarsat-2 SAR图像,提出利用D-InSAR联合SBAS技术开展矿区地表形变监测,即利用D-InSAR监测矿区地面塌陷状况,SBAS监测矿区地面沉降状况。通过实地调查并结合永城市矿业开采、地质构造、地下水以及城市建设等资料认为,矿业活动不仅给开采面附近造成严重的地面塌陷,还造成了区域性的地面沉降现象。监测结果表明:联合利用D-InSAR和SBAS两种技术适合在矿区开展地表形变监测。