统计模型与滤波算法的地表温度重建方法探讨

针对当前基于被动微波遥感重建地表温度的统计方法难以实现大面积复杂下垫面区域数值重建的问题,提出了基于统计模型与滤波算法联合的地表温度重建方法。从时间序列角度探索地表温度与地表亮温的相关性,建立二者之间的统计模型,不需要进行地物分类,能有效避免下垫面复杂度对重建精度的影响;遍历像元,实现对大面积区域的数值重建。此外,采用滤波算法对基于统计模型的结果进行改正,利用地表温度时间序列的周期性进一步控制反演误差。针对MODIS地表温度产品重建的实验结果表明:所提算法精度明显提高,可用于各类下垫面覆盖区域的地表温度重建。     

长江三角洲地区地表温度年内变化规律与气候因子的关系分析

以长江三角洲地区为研究区,利用2005年全年的MODIS地表温度产品和气象观测资料,定量分析了地表温度年内变化规律与气候因子之间的时滞响应关系。首先,通过谐波分析方法(Harmonic Analysis of Time Series,HANTS)消除地表温度数据中云的影响,提取地表温度时间序列谐波(即周期变化规律),重建地表温度无云时间序列;然后,利用DEM和纬度数据计算了研究区太阳辐射的空间分布,并将其与地表温度的年内变化进行时滞相关分析。0.991 6的相关系数表明:太阳辐射是地表温度年周期变化的主要控制因素,地表温度峰值出现的时间相对于太阳辐射时间而言滞后20 d左右;时滞相关分析表明,地表温度和气温之间的年内变化规律呈极显著相关,气温的变化相对于地表温度存在约5 d左右的滞后响应。     

山区地表太阳辐照度随时空变化的模拟分析

在光学遥感数据的应用过程中,地表太阳辐照度的量化问题对于遥感数据的获取和地表地物特性的反演等工作都是一个非常重要的环节,而地表太阳辐照度的定量计算又依赖于辐射源、目标物和传感器三者之间的几何关系以及目标地物的地表特征。利用山区地表太阳辐照度的计算模型,对不同时间、不同山区地形下的地表太阳辐照度进行了定量模拟,用三维图的方式分析了地表太阳辐照度随时间、地形坡度、坡向的变化规律,为光学遥感中地表太阳辐照度随时空变化的量化关系分析提供了更直观的依据。     

基于Landsat-8 TIRS数据的兰州市地表温度反演

Landsat-8TIRS(Thermal Infrared Sensor)作为陆地卫星可获取的新型热红外传感器,在反演地表参数如温度、湿度、热惯量等参数有很好的前景。本文利用Landsat-8TIRS数据,结合大气上行辐射和下行辐射及不同地物的地表辐射率,通过辐射传输方程法对兰州市地表温度进行反演。结果表明,兰州城市热岛效应显著,总体上城区地表温度高于郊区,平均温差为3℃,同一时期的不同下垫面地表温度差异明显,低温区主要存在于水体及植被覆盖度高的地区,而高温区集中在城关区人口密度较大的地区及七里河和西固的工厂密集区。     

城市区域几何效应的辐射校正及其温度遥感反演

开展适用于城市地区热红外遥感图像几何效应的辐射校正物理模型研究,对提升城区下垫面温度反演精度具有重要作用。本文利用天空视域系数SVF（Sky View Factor,V）量化城区下垫面几何特征,并考虑几何特征对地物目标辐射传输的影响机理。将遥感传感器入瞳处的辐射亮度分解为地物目标发射辐射、地物目标反射辐射以及大气上行路径辐射3部分,并分析了各部分辐射在“城区—大气”界面的辐射传输过程,构建适用于城市下垫面的热辐射传输UTRT（Urban Thermal Radiation Transfer）模型,可应用于城区热红外遥感图像的几何效应辐射校正。基于Landsat 8 TIRS（Thermal Infrared Sensor）数据,将UTRT模型应用于北京市典型城区地表温度的反演,并对UTRT模型和不考虑下垫面几何特征反演结果进行对比分析,结果显示：（1）研究区内UTRT模型反演结果数值上整体低于不考虑下垫面几何特征的反演结果,差值范围为0—1.57 K,均值为0.44 K;（2）通过对不同地表覆被类型的分析对比,模型结果差值较大的区域为建筑和裸地,其空间分布明显受V值的影响,在一定范围内,V值越大反演结果数值越低;（3）对UTRT模型天空视域系数和环境温度两个参数进行敏感性分析,在地表发射率较小的场景中V参数敏感性较强,由于环境温度与目标地物温度较为接近,其参数的敏感性较低。结论为：UTRT模型可为城市下垫面遥感图像几何效应的辐射校正提供解决方案,对比不考虑下垫面几何特征的模型,前者可以更好地应用于城区地表温度遥感反演。该研究对推进城市高分辨率热红外定量遥感具有发展潜力和应用前景。     

地理国情普查自动与人工解译软件的对比分析

我国经济发展快,地表变化迅速,需通过对国土范围内的地表自然和人文地理要素进行地理国情普查,掌握其空间分布状况。通过地理国情普查生产作业中使用的自动解译软件与人工采集软件的对比分析,研究对不同地物使用不同的作业方法,采用自动解译与人工采集相结合的方法,快速而高质量地确定地物类别和范围,建立地理国情普查数据库。     

多时相遥感数据对城市热岛效应的研究——以西安市为例

热岛效应是影响我国城市环境的重要因素,本文基于多时相的Landsat 7 ETM+和Landsat 8 TIRS影像,对西安市2002年和2013年的土地进行分类以及地表温度反演,在此基础上将土地分类影像图和温度分割影像图进行叠加,分析了不同的土地利用类型温度差异、下垫面的空间结构与热场分布的关系以及热场的分布变化与城市变迁的关系。结果表明:不同的土地利用类型的物理属性和生物学属性差异是造成城市热岛效应的内在原因,下垫面空间结构的差异是造成城市热岛效应的外在原因,城市热场的动态变化方向与城市的变迁方向具有一致性。     

青藏高原那曲地区MODIS 地表温度估算

地表温度是区域和全球尺度陆面过程研究中的一个关键参数,利用遥感卫星资料反演得到的地表温度数据在气象、水文和生态领域研究中有重要作用.本文基于改进后的针对MODIS 数据的分裂窗口算法,对MODIS L1B 卫星数据进行实用而简便的云检测处理,并根据青藏高原陆地、水体和冰雪等常见下垫面状况的遥感影像分类结果,反演得到了2007-01-03 、04-18 、06-12 和10-02 四日的无云下垫面地表温度.最后,将Sobrino 结果在青藏高原那曲地区与MODIS 日地表温度产品及CAMP/Tibet 观测站地表温度数据进行了对比验证分析.结果表明,该方法得到的地表温度结果与MODIS 数据产品具有较好的一致性,并且地表温度结果与地面观测数据(去除可疑点后)的平均误差仅为1.435 K .     

基于MODIS的LAI时间序列谱的地物分类方法研究

利用MODIS数据所反演的每8d一景,全年共46景的时间序列叶面积指数(LAI)图像,分析江西省不同类型地物的LAI时间序列谱,并对地物进行分类。首先,利用最小噪声比变换技术(MNF)将噪声从数据中分离;然后,通过纯净像元指数(PPI)从LAI时间序列谱中提取5类主要地物类型终端单元(Endmember),从而对地物进行分类并制图;最后,结合2000年江西省兴国县1 10万比例尺的土地利用/覆盖矢量图对本研究分类结果进行检验。结果表明,该方法的地物分类精度达到74.45%,其分类方法是有效可行的。     

小区地表温度与下垫面结构关系研究

以北京市为例,选取了商业区、学校、生活区和公园4种典型小区24个,基于遥感及GIS的方法反演地表温度,获取下垫面覆盖信息;研究了不同类型小区地表温度热场与下垫面结构的关系.结果表明:水体、绿地具有明显的降温功能,建筑地面则增温效果明显,这3种地表所占的面积比例与小区平均地表温度关系密切;在所选取的绿地结构指数中,对温度影响从大到小依次为绿地覆盖率、分离度、缀块平均面积、连通指数、形状指数和分维数,其中,分离度与温度呈现正相关,其它指数与温度呈负相关;在所有类型小区中,温度从高到低依次为商业区、学校、生活区和公园;公园的温度分布在所有类型小区中最分散,商业区最集中.     

野外测量中地物热红外发射率提取算法研究

热红外遥感利用传感器探测所得的地物热红外辐射来反演地表温度等重要的地表环境参数.地物的发射率是反演地表温度的关键参数,但地物表面结构、温度和观测角等影响因素使得地物发射率的直接测量变得较为复杂.在大量野外实验的基础上发现,光谱平滑迭代法最适合地物光谱发射率的野外测量,其反演的温度和实测温度最接近.     

云下地表温度与辐射变化关系的定量分析

云下对地表温度一直是热红外遥感研究的难点,云下地表温度的变化不仅受到到达地表的辐射强度的影响,还与地表覆盖类型的热力学性质有关,本文通过开展野外观测实验,并利用地表能量平衡模型模拟地表温度在不同辐射条件的变化情况,以期获得不同地表类型的地表温度与辐射变化的定量关系,结果表明,在云覆盖情况下,到达地表面的辐射值减小,地表温度也随之减小,当云覆盖前地表温度越高,云覆盖后地表温度的变化幅度就越大,不同地表类型的云下地表温度在单位时间(min)内发生的温度值的单位变化量所需辐射值的变化量与云覆盖前温度高低呈线性关系。在长时间云覆盖情况下,地表温度的下降速度随着云覆盖时间的增加而不断放缓,当云层覆盖一定时间(10—20 min)后,地表温度会达到一个相对稳定的状态。     

南方典型植被遥感丰度信息提取

针对遥感影像在南方丘陵地区典型植被丰度信息提取中存在的大量混合像元问题,为进一步提高线性解混精度,通过计算像元EVI值,构建了Landsat 8时间序列影像南方典型植被（端元）和混合像元的EVI时间序列曲线,分析了不同生育期内各种地物类型的植被指数变化曲线,发现不同地物在植被指数时间序列中具有各自独立的波动规律。选取多个端元及其EVI时间序列曲线,利用光谱匹配方法对匹配EVI时间序列曲线和多个端元进行了匹配,达到利用不同端元组合进行光谱解混的目的。试验结果表明,与传统方法相比,阔叶林解混精度有明显提高,针叶林解混精度也有所提高。该研究成果可以为南方丘陵地区植被环境的研究提供有力支撑。     

利用不同地表比辐射率对ETM＋数据地表温度反演对比研究

地表温度作为研究环境生态影响的一个重要指标之一,以Landsat ETM+的热红外波段作为数据源,辅助大气透过率、大气平均气温等参数,利用单窗算法基于混合像元、NDVI、植被和裸露地三种不同地表比辐射率反演泉州市地表温度,对比分析结果表明采用这三种地表比辐射率反演地表温度的方法均是可行的,对于具体采用哪一种地表比辐射率应需要结合实际的研究区域地表地物的实际监测地表温度进行对比后,方可选择合适的地表比辐射率进行地表温度反演,会更具实际意义。反演结果可为城市热岛效应等研究提供支持数据源。     

苏州土地利用及热岛效应的时空变化

选取苏州作为研究区,分别利用1986年和2004年2个时相的Landsat5 TM影像数据对研究区土地利用/覆盖类型进行分类,并采用热红外波段进行地表温度反演,在此基础上分析了下垫面类型与热岛效应的时空变化,深入研究了下垫面类型改变对热岛效应的影响。结果表明,近20a苏州市城区大范围扩张,土地利用变化剧烈,整体表现为水体、植被向不透水下垫面的高强度转化;城市热岛范围由老城区向四周成倍扩大,热岛强度由3.12°增至4.76°,热岛效应变化与土地利用时空变化之间具有明显的对应关系。     

基于傅立叶变换的混合分类模型用于NDVI时序影像分析

应用2004年MODIS的时序NDVI数据,在分析湖北省不同地物类型的NDVI曲线季节性变化特征的基础上,设置对应的阈值,先后将水体、居民地与其他地物类型分离开。将去除了水体和居民地影响的剩余的NDVI序列影像傅立叶变换的1/12频率分量引入到地表覆盖分类的特征空间中,与其最大值影像和平均值影像组合,经过归一量化处理后合成一个类似具有三波段的卫星影像。在合成后的影像上利用最大似然法对其他地类进行分类。研究表明,引入傅立叶变换的特殊频率分量是分析多时相MODIS数据及提取地表植被覆盖信息的有效工具。     

航空遥感地表温度时间归一化

航空热红外遥感影像的航带宽度一般较为有限,通常需要进行连续飞行获得多个航带才能覆盖一个较大的研究区;由于地表温度随时间变化迅速,不同航带间地表温度存在差异。因此,进行不同航带影像拼接之前,需要对不同航带的地表温度进行时间归一化。本文基于温度日变化模型,构建了航空遥感地表温度时间归一化方法;结合Hi WATER试验区高密度的气象观测数据,分析了天气晴朗条件下,风速的大小和波动剧烈程度对地表温度日变化模型的影响,在此基础上发展了一种考虑风速影响的改进温度日变化模型。验证结果表明:两种模型均能够减小观测时间不同导致的地表温度瞬时波动差异;考虑风速影响的改进模型比未改进模型的精度提高0.3—0.6 K,且其提供的地表温度在时间尺度变化上更加符合实际情况。本研究建立的相关模型对于卫星遥感地表温度的时间归一化也具有借鉴意义。     

利用地理国情监测数据进行城市下垫面提取

本文选取城六区作为分析单元,充分利用北京市第一次地理国情普查成果数据及监测成果数据,获取2012年度及2015年度城六区下垫面数据,建立地理国情地表覆盖分类数据类型与下垫面数据类型之间对应关系,结合2012年和2015年下垫面数据进行特征数据分析、空间叠置分析,分析城六区道路、水域、硬化地表、房屋等地类的变化趋势,探讨了城六区近几年各地类的变化情况及透水面和不透水面的变化趋势。     

结合时相和波谱信息的植被信息提取

本文利用2002年陕西省ETM卫星影像及相关植被地理信息,在其影像上选取覆盖全省包含不同地物类型的85个地面样地(Ground Truth),通过2003年陕西省MODIS卫星影像获取所选样地全年的NDVI时间序列曲线。采用决策树分类方法,结合NDVI时间序列曲线,实现基于时相和波谱信息的植被分类。最后通过混淆矩阵与Kappa系数等方法对分类结果进行正确率评价,结果表明,文中所给方法优于传统分类方法,所得结果与其他调查结果相一致。     

基于FY-2F数据的中国区域地表温度日变化模型评价及特征研究

地表温度日变化模型作为非常重要的输入参数在气象、水文、生态等领域研究中具有重要意义。风云二号(FY-2F)静止气象卫星的地表温度产品的时间分辨率为1小时,这为拟合精确的地表温度日变化(DSTC)模型提供了可能。本文首先利用194个气象站点对应的2014年的FY-2F地表温度产品评价了GOT01、VAN06、JNG06、INA08、GOT09和GEM_V这6种地表温度日变化模型在中国区的模拟精度,对不同时间窗口和不同地表覆盖类型拟合精度的差异进行了分析;其次,选用JNG06模型探究了中国区域地表温度随经纬度、季节和地表覆盖类型的日变化规律。研究结果表明:在不同时间窗口内,GOT09模型获得了全局最优的拟合精度,均方根误差为0.89 K;JNG06和GEM_V模型精度次之,均方根误差分别为0.92 K和0.94 K;GOT01、INA08和VAN06模型精度最差;各模型在城市和建筑区、农用地和自然植被以及常绿阔叶林这3类地表覆盖类型的拟合精度最好,其均方根误差在0.89—0.92 K,在其余地表覆盖类型的拟合精度在1.0 K以上。JNG06模型模拟的地表温度在4种典型的地表类型随纬度的变化规律较为明显,地表温度在1月份随纬度变化较为剧烈,在7月份整体波动较为平缓。综上所述,使用FY-2F地表温度产品建立的DSTC模型在中国区域具有较高的精度,模拟的地表温度随着纬度变化的规律较为明显。使用本文模型既可以纠正现有模型又可获取归一化地表温度产品,同时可以检验和标定陆面模式地表温度模拟结果。