基于MODIS数据的金塔绿洲地表温度反演

地表温度(LST)是气象、水文、生态等研究领域中的一个重要参数.本文对MODIS数据的分裂窗算法进行了简要的介绍,并利用MODIS数据计算反演了地表温度所需的关键参数:大气透过率和地表比辐射率,然后运用分裂窗算法反演了金塔绿洲地区的地表温度,并与地面实测数据进行了对比分析.结果表明,这一方法能获得较合理的地表温度,符合金塔绿洲的实际地表状况.     

我国利用MODIS数据反演陆面温度的研究进展

陆面温度（LST）是区域和全球尺度地表物理过程中的一个关键因子，亦是研究地表和大气之间物质交换和能量交换的重要参数。因精确反演LST具有一定的难度，因此反演LST成为当今研究的热点之一。现较详尽地介绍目前常用的利用MODIS数据反演LST的算法：推广的分裂窗算法，白天／夜间LST算法、单窗算法，并阐述了各种算法的研究概况，并针对其研究进展情况进行讨论分析，提出相应观点。     

我国利用MODIS数据反演陆面温度的研究进展

陆面温度(LST)是区域和全球尺度地表物理过程中的一个和能量交换的重要参数.因精确反演LST具有一定的难度,因此反演LST成为当今研究的热点之一.现较详尽地介绍目前常用的利用MODIS数据反演LST的算法推广的分裂窗算法,白天/夜间LST算法、单窗算法,并阐述了各种算法的研究概况,并针对其研究进展情况进行讨论分析,提出相应观点.     

基于MODIS资料的宁夏LST反演方法新探索

为快速、宏观、全面地获取陆面生态重要参数陆面温度(LST),避免分裂窗算法中诸多参数的估计和参数的适用范围限制,加快计算速度,更好地利用中国气象局"三站四网"的建设成果,利用宁夏2005-2007年13个时次过境晴空地表MODIS资料及对应过境时17个自动气象站观测数据,筛选、优化引入对LST影响较大的水汽通道、NDVI和EVI参数,建立基于MODIS遥感和地面自动气象站观测数据反演陆面温度(LST)的统计模式.研究结果表明:引入相关参数后,宁夏各季及全年模式的相关性和精度有较大提高,且水汽通道和EVI的参数组合最优.与分裂窗算法相比,省去了对大气透过率的估算以及对地表比辐射率估计的繁琐计算,与地面自动站观测真实值误差70.1%能够控制在4.0℃以内,计算速度快,能够满足一般业务的需求,易于推广使用.     

基于AVHRR和VIRR数据的改进型Becker“分裂窗”地表温度反演算法

为了将基于NOAA-9/AVHRR数据提出的Becker和Li的“分裂窗”地表温度算法成功地应用于长序列NOAA/AVHRR和FY 3A/VIRR数据的地表温度反演,为气候变化研究提供长序列、高精度、高分辨率的地表温度数据集,从辐射传输方程出发,首先利用MODTRA 4.1模式模拟了多种地表和大气状态下的光谱辐亮度数据,并结合AVHRR和VIRR通道4、5的光谱响应函数建立了温度数据集(TS,T4,T5);然后,基于该数据集采用最小二乘法重新计算了Becker和Li算法中的各参数,提出了一个适用于NOAA/AVHRR和FY-3A/VIRR数据的改进型Becker和Li分裂窗地表温度反演算法;并利用改进型算法对2008年4月27日03时12分(世界时)观测的一景覆盖北京地区的NOAA-17/AVHRR数据进行了地表温度的反演,将反演结果与日本东京大学提供的同地区、同时相的MODIS地表温度产品进行了对比分析.结果表明,两种地表温度产品的相关系数为0.88,均方根偏差(RMSD)为2.1K;在两种地表温度差值图像的频率直方图上有69.6％的像元的值在±2K之内,37％的像元的值在±1K之内.     

AVHRR分裂窗算法反演高山草甸地表温度精度评估

利用理塘县高山草甸地表温度实测数据,分析6种常用AVHRR分裂窗算法的精度,为青藏高原地区地表温度的卫星反演提供技术支持.结果表明：6种常用AVHRR分裂窗算法反演地表温度与实测值之间有很好的线性正相关关系,反演温度与实测温度最大偏差3.36K,最大平均绝对误差2.25k,最小平均绝对误差0.77K.给出了反演高山草甸地表温度的AVHRR分裂窗算法建议.     

基于ETM＋遥感影像反演不同土地利用类型地表温度的研究

采用Landsat7 ETM＋为基本数据源,运用3种算法（大气辐射传输方程RTE、Qin等单窗算法和Jimenez—Munoz＆Sobrino普适性单通道算法）定量反演了黄河三角洲部分地区的地表温度（land surface temperature,LST）,并进行了不同算法反演结果的差值比较：以RTE反演结果为标准,在大气水汽含量较低时,Qin等单窗算法和JM＆S普适性单通道算法精度较高,与RTE的反演结果相差均在1K以内;在大气水汽含量较高时,Qin等单窗算法在采用地面气象资料估算水汽含量条件下仍保持较高的精度,比RTE反演结果平均偏小0．95K;而根据估算的大气水汽含量进行反演的JM＆S普适性单通道算法的反演偏差比Qin等单窗算法要大,达到1．94K,但JM＆S普适性单通道算法根据实测的大气水汽含量得到的反演结果要略优于Qin等单窗算法,比RTE结果偏大0．67K。同时计算了经过6s模式校正后归一化植被指数（INDV）,然后利用GIS中的空间分析功能,分析LST、INDV在不同土地利用类型之间的差异以及二者之间的定量关系。发现研究区内,就所有土地利用类型而言,平均LST和INDV之间存在显著的负相关关系;对于各种土地利用类型,这种相关关系也存在．但相关程度不同。     

2005年7月珠三角地表温度场的遥感监测分析

城市热环境及其热效应是当前城市气候与环境中最为重要的研究内容之一。分析地表温度（LST）是研究热环境的一个有效手段。选取2005年7月中旬高温期间MODIS数据，利用推广分裂窗算法反演LST，采用最大值合成方法制作珠江三角洲地区热场分布序列图。结果发现：珠三角地区增温初期的高温区主要分布在珠三角外围的城市，呈由外向内的增温过程；珠三角地区沿河道区域的增温幅度最高最快，增温盛期的地表最高温度主要分布在河网密集地区；城市化和工业化程度高的市区热岛效应明显。研究结果符合目前珠三角经济区的发展状况，对城市区域布局和规划有积极意义。     

用FY-1C两个近红外太阳反射光通道的观测数据反演水汽总含量

FY-1C极轨气象卫星扫描辐射仪第10通道的观测波长为0.90~0.965μm，位于弱水汽吸收区，邻近的第2通道观测波长为0.84~0.89μm，位于大气窗区。该文根据R.Frouin提出的算法，用FY-1C资料实现了近红外水汽吸收区和窗区两个通道联合反演水汽总含量。所用的反演关系式为其中，水汽吸收区与窗区两个通道的反射率之比r可以从卫星测值中求出；在探空站所在的地方，沿光路的水汽总含量m为己知量，可以用统计方法求出系数A和B；在没有探空站的地方，可以根据系数A和B，用反演关系式求m。影响系数A的因素主要是大气的温、压、湿廓线和仪器的通道响应函数，影响系数B的因素是地表反射率。由于这些对反演关系式中的系数取值有影响的因素随时间和地点有变化，对不同地区和时段的探空站分别进行统计，得到不同的系数进行反演，取得了较好的效果。另外，还用质量控制手段控制了定位误差可能带来的影响。独立样本真实性检验表明，反演值和探空测值之间的偏差约为15%~20%，相关系数在90%以上。     

中巴地球资源卫星数据反演地表温度产品设计

利用CBERS IRMSS/IRS传感器红外通道数据,基于MODTRAN4和查找表算法,根据地表数字高程和全球/区域一体化数值预报模式,建立相应高度和气象条件下温度反演配套系数,利用CBERS可见/近红外通道和地表比辐射率数据库最终生成地表温度/地表发射率产品。最后介绍了温度产品的验证工作,并对温度反演中存在的参数敏感性和不确定性问题进行了分析。     

A modified Becker’s split-window approach for retrieving land surface temperature from AVHRR and VIRR

In order to provide a long time-series,high spatial resolution,and high accuracy dataset of land surface temperature(LST) for climatic change research,a modified Becker and Li’s split-window approach is proposed in this paper to retrieve LST from the measurements of Advanced Very High Resolution Radiometer(AVHRR) onboard National Oceanic and Atmospheric Administration(NOAA)-7 to-18 and the Visible and InfraRed Radiometer(VIRR) onboard FY-3A.For this purpose,the Moderate Resolution Transmittance Model(MODTRAN) 4.1 was first employed to compute the spectral radiance at the top of atmosphere(TOA) under a variety of surface and atmosphere conditions.Then,a temperature dataset consists of boundary temperature T s(which is one of the input parameters to MODTRAN),and channels 4 and 5 brightness temperatures(T 4 and T 5) were constructed.Note that channels 4 and 5 brightness temperatures were simulated from the MODTRAN output spectral radiance by convolving them with the spectral response functions(SRFs) of channels 4 and 5 of AVHRRs and VIRR.The coefficients of modified Becker and Li’s split-window approach for various AVHRRs and VIRR were subsequently regressed based on this temperature dataset using the least square method.As an example of validation,one AVHRR satellite image over Beijing acquired at 0312 UTC 27 April 2008 by AVHRR onboard NOAA-17 was selected to retrieve the LST image using the modified Becker and Li’s approach.The comparison between this LST image and that from the MODIS level-2 LST product provided by the University of Tokyo in Japan indicates that the correlation coefficient is 0.88,the bias is 0.6 K,and the root mean square deviation(RMSD) is 2.1 K.Furthermore,about 70% and 37% pixels in the LST difference image,which is the result of retrieved LST image from AVHRR minus the corresponding MODIS LST image,have the values within ± 2 and ± 1 K,respectively.     

A Modified Becker''s Split-Window Approach for Retrieving Land Surface Temperature from AVHRR and VIRR

In order to provide a long time-series, high spatial resolution, and high accuracy dataset of land surface temperature (LST) for climatic change research, a modified Becker and Li's split-window approach is pro- posed in this paper to retrieve LST from the measurements of Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) onboard National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)-7 to -18 and the Visible and InfraRed Radiometer (VIRR) onboard FY-3A. For this purpose, the Moderate Resolution Transmittance Model (MODTRAN) 4.1 was first employed to compute the spectral radiance at the top of atmosphere (TOA) under a variety of surface and atmosphere conditions. Then, a temperature dataset consists of boundary temperature Ts (which is one of the input parameters to MODTRAN), and channels 4 and 5 brightness temperatures (T4 and T5) were constructed. Note that channels 4 and 5 brightness tempera- tures were simulated from the MODTRAN output spectral radiance by convolving them with the spectral response functions (SRFs) of channels 4 and 5 of AVHRRs and VIRR. The coefficients of modified Becker and Li's split-window approach for various AVHRRs and VIRR were subsequently regressed based on this temperature dataset using the least square method. As an example of validation, one AVHRR satellite image over Beijing acquired at 0312 UTC 27 April 2008 by AVHRR onboard NOAA-17 was selected to retrieve the LST image using the modified Becker and Li's approach. The comparison between this LST image and that from the MODIS level-2 LST product provided by the University of Tokyo in Japan indicates that the correlation coefficient is 0.88, the bias is 0.6 K, and the root mean square deviation (RMSD) is 2.1 K. Furthermore, about 70% and 37% pixels in the LST difference image, which is the result of retrieved LST image from AVHRR minus the corresponding MODIS LST image, have the values within ±2 and ±1 K, respectively.     

利用FY-1D极轨气象卫星分裂窗区通道计算陆表温度

根据理论和经验上已证明的地表温度与AVHRR窗区通道4、5的亮度温度存在线性或非线性关系, 通过对2818条全球晴空大气廓线做不同比辐射率地表的FY-1D窗区通道4、5辐射率的模拟计算, 推导出FY-1D极轨气象卫星的红外通道4、5亮温与地表温度的二次回归关系式。同时详细介绍了由这一回归关系式和FY-1D高分辨率图像传输 (HRPT) 遥测数据计算陆表温度的方法, 最后给出陆表温度计算结果的精度:用中国地面气象台站的0 cm地温观测数据与相同时刻的分辨率为0.01°×0.01°经纬度的卫星陆表温度相对比, 两者非常吻合, 绝大部分台站|ΔT|＜3.0 K。     

利用遥感和常规资料对比研究中国地面温度变化

采用一个在大区域上适用的由NOAA-AVHRR遥感数据反演地表温度的方法,反演中国20世纪80年代初到90年代初各月和全年晴空条件下的地表温度,通过比较同期的常规气象监测数据,对这一时期的中国地表温度变化进行了对比分析,得到全国各地区温度宏观变化规律和分布.结果表明:晴空条件下的中国地表温度与气温和地温的宏观变化规律是基本一致的,这一结果对于研究全球变化对中国的影响以及中国土地覆盖的变化趋势具有重要的指示意义.     

LST在农业气候热量区划中的应用方法研究

根据广西的自然地理特点和现有卫星遥感资料，对国内外10多种反演LST(1and surfacete mperature，陆面温度)的分裂窗算法及其相关的参数估算方法进行了适用性分析。在此基础上找出了适用于计算广西白天LST的算法，并应用该算法计算了晴空条件下的LST，获得了逐日各个时次的LST实况分布。通过模板分析，找到了求算多年LST气候平均图的途径。针对云剔除问题，通过对公共晴空区的统计分析，建立了不同图像间的数值补偿关系，从而有效地消除了云的影响，最终处理生成了广西多年和不同季节的平均LST空间分布图像。分析结果表明：在10km以上的宏观尺度上，广西平均LST的空间分布与平均气温的空间分布规律基本一致，而在1km尺度上，LST的空间特征更为精细、客观，更有利于反映与作物生长关系更为密切的下垫面热量资源的气候分布，是农业气候区划中更为有效的热量区划因子。     

GMS 5反演中国几类典型下垫面晴空地表温度的日变化及季节变化

文中利用单时相双光谱分裂窗算法以GMS 5/VISSR红外资料反演地表温度,揭示了中国几类典型下垫面晴空地表温度的日变化及季节变化特征.塔里木盆地、青藏高原、浑善达克沙地、华北平原北部、华南部分地区因地表反射率、土壤含水量、受太阳辐射影响程度不同等地表温度季节变化差异很大,月平均地表温度日较差一年内基本上呈双峰双谷型.作为比较,东亚部分陆地的地表温度与台湾海峡南部、黄海的海表温度及其日变化、季节变化一并进行了分析.塔里木盆地、浑善达克沙地不仅具有强烈的日变化,而且季节变化也显著.2000年两地月平均地表温度日较差最大值超过30 K,浑善达克沙地的年较差高达58.50 K.青藏高原地表温度季节变化小于东亚部分陆地、塔里木盆地、浑善达克沙地,但该区日变化幅度在所研究几个区中最大,2000年年平均日较差达28.05 K.文中将研究时段扩充到1998～2000年后揭示了连续三年地表温度及其日变化的年际变化特征.所获得这几类地表温度的变化特征与量值对于气候与辐射收支研究以及推测地表状况会有一定参考价值.     

FY-3A陆表温度反演及高温天气过程动态监测

采用FY-3A/VIRR数据,利用Becker局地分裂窗改进算法反演得到逐日陆表温度 (LST), 对2009年一次高温天气过程进行动态监测, 并分析不同下垫面的热环境变化。结果显示:此过程中可见光红外扫描辐射计 (VIRR) 陆表温度产品在敦煌辐射校正场地两次验证的误差为-0.17 K和1.77 K,与同时间过境的MODIS产品均方根误差为2.64 K,直方图对比陆表温度的频数分布基本一致;对高温天气过程监测发现,此次出现以华北的石家庄、郑州、北京等地和西北地区东部的西安等地为中心的两个陆表温度高值区, 部分地区达到了320.2 K以上;城市剖面资料证实城市热岛现象存在,并发现工矿用地的热岛效应不容忽视,主要是大面积的工矿用地周围植被破坏严重,地表增温更为显著。     

FY-3B/VIRR海表温度算法改进及精度评估

该文介绍了卫星观测海表温度 (SST) 算法的发展历程,给出了所用SST算法的回归模型,并在FY-3B/VIRR业务SST算法的基础上进行了改进。基于NOAA-19/AVHRR匹配数据集,进行多算法建模分析及精度评估,白天最优算法为非线性SST (NL) 算法,夜间最优算法为三通道SST (TC) 算法,最优算法的确定与NESDIS/STAR一致。建立2012年8月—2013年3月FY-3B/VIRR匹配数据集,并在此基础上进行多算法回归建模及精度评估,白天和夜间的最优均为NL算法,分析发现夜间TC算法采用匹配数据集版本2(MDB_V2) 时,3.7 μm通道存在类似百叶窗的条带现象。以2012年10—12月FY-3B/VIRR匹配数据集计算回归系数,以2013年1—3月独立样本进行精度评估,与浮标SST相比,NL算法白天和夜间的均方根误差分别为0.41℃和0.43℃。与日平均最优插值海温 (OISST) 相比,NL算法白天和夜间的均方根误差分别为1.45℃和1.5℃; 选择与OISST偏差在2℃以内的样本,NL算法白天和夜间均方根误差分别为0.82℃和0.84℃。     

利用ASTER数据反演南京城市地表温度

利用针对ASTER数据的分裂窗算法,反演了南京城市地表温度,并用实际观测资料和同步的MODIS数据对反演结果进行了验证,结果表明：基于ASTER数据的地表温度反演结果与实际观测资料相差0.9℃,与MODIS数据的反演结果具有较好的空间一致性;基于ASTER数据反演的当日南京地表温度在23～56℃范围内,城市地表温度普遍高于35℃,市内公园地表温度略低,多位于30～35℃,长江水体温度低于30℃,地表温度存在明显的空间差异;南京城市夏季白天存在明显＂热岛效应＂,热岛强度的空间差异与南京城市发展、规划有关。