全天候地表温度遥感获取进展与挑战

如何获取全天候地表温度对促进相关研究具有十分重要的意义。卫星热红外遥感地表温度虽然在反演理论方法和科学数据产品等方面已相对成熟，但热红外难以穿透云雾的特点导致反演得到的地表温度在云下有大量缺失；被动微波遥感虽能获取云下地表温度，但由于物理机制和成像方式的限制，存在空间分辨率不足、精度较低、轨道间隙较大等问题。通过卫星单源遥感难以直接获取中等空间分辨率、不受云雾影响的全天候地表温度。从原理、方法、产品和应用方面回顾并归纳了当前全天候地表温度的研究进展和面临的主要问题。基于有效观测重构和多源数据集成是获取全天候地表温度的两种基本途径，前者可分为时空插值和基于能量平衡方程插值两类，后者则可分为热红外与被动微波遥感集成、热红外与再分析资料集成。多源数据集成可以整合热红外遥感、被动微波遥感、再分析资料各自的优势，具有较大的研究价值和潜力。在产品方面，分析了当前学术界已公开发布的5种全天候地表温度产品。在应用方面，虽然部分全天候地表温度产品已在土壤湿度、地表蒸散发估算与同化方面取得了一些应用成果，但其在其他领域的应用亟待挖掘。此外，对全天候地表温度的未来研究方向和重点进行了讨论和展望。     

裸露地表微波热采样深度统计模型

被动微波遥感反演土壤水分对应的土壤深度是土壤水分产品真实性检验和应用中必须确定的问题。本研究利用理论模型对影响土壤热采样深度的参数进行了分析。在此基础上,通过回归分析的方法发展了一个估算被动微波遥感土壤热采样深度的统计模型,并通过微波辐射测量实验对模型进行了验证。研究证明,理论模型模拟裸露地表发射率平均误差为0.032,基于理论模型发展的热采样深度统计模型的误差在0.5 cm左右。该统计模型可以通过土壤含水量、温度、质地和观测频率4个较容易获取的参数计算土壤微波辐射的热采样深度,为被动微波遥感土壤水分产品的真实性检验工作中地面土壤水分测量以及土壤水分遥感产品的应用提供参考。     

应用微波遥感数据的东北地区地表温度反演

针对无源微波遥感时间分辨率高可以克服云层影响获取地表温度的问题,该文应用AMSR-E微波亮度温度数据,分别选取了基于发射率估计的单通道反演法和多通道线性拟合法反演东北地区地表温度。在原有方法的基础上提出算法改进:对单通道反演法按照植被生长周期在生长季与非生长季分别建立发射率估计方程,探究各微波通道在每种地表覆被类型的反演能力并组合反演精度最高的通道,将微波极化差异指数作为表征发射率参数加入多通道拟合方程。结果显示,获取的地表温度剔除水体和冰雪无效像元后可用性达到100%,改进后的单通道反演法均方根误差由3.58~4.6降低至2.0~3.1,在75%的区域的误差小于2 K;多通道拟合法的最终均方根误差为2.6~3.5,同样有较高精度且只使用微波亮温数据就能获取地表温度。     

被动微波遥感雪深反演混合像元问题研究EI北大核心CSCD

积雪深度是反映地表积雪量变化的重要因子,是水文模型和气候模式中的重要参数之一。被动微波遥感以其穿云透雾、对雪层信息敏感等特点,被广泛应用于雪深的反演研究中。被动微波传感器的低空间分辨率(数千米至数十千米)及地表覆盖的复杂性,使星载被动微波遥感影像中的混合像元现象十分突出,严重制约了被动微波雪深遥感监测的应用和发展。目前,被动微波遥感雪深反演中的混合像元问题研究仍存在着诸多挑战:①理论支撑不足,对被动微波混合像元亮温响应特征及影响机制的研究尚不充分;②针对混合像元问题所发展的被动微波雪深反演算法,对地表异质性特征考虑不足。     

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。     

利用微波辐射计AMSR-E的京津冀地区大气水汽反演

目的 发展了微波遥感水汽反演算法,对于裸露地表,通过极化差比值形式消除地表信息对大气水汽反演的干扰;针对非裸露地表,首先反演了地表发射率并对不同波段地表发射率之间的关系进行分析,进而建立了非裸露地表上空大气水汽的反演算法。本文算法的反演结果与GPS探测结果的对比显示均方根误差为7.4mm,与MODIS大气水汽产品空间分布特征的对比也显示了两者较高的区域一致性。最后对京津冀平原地区和山地地区的水汽进行了时间序列的分析。     

基于升尺度的陆地表面温度反演方法研究

非同温混合像元红外辐射存在尺度效应,基于尺度的基本影响因素,本文利用大气校正法进行地表温度反演,用最邻近法进行地表温度的升尺度,分析尺度对反演精度的影响。结果表明:用该方法进行地表温度反演精度较高,有85.15%像元的精度在2℃以内,但是水体反演精度较差。尺度对地表温度反演有一定影响,如何确定合适的尺度和研究出针对水体表面温度反演较好的方法是今后研究的重要方向。     

土壤水分的遥感监测方法概述

回顾了目前国内外土壤水分的遥感监测方法,介绍了反射率法、植被指数法、地表温度法、温度-植被指数法、作物水分胁迫指数法、热惯量法和微波法,并对各方法的优缺点进行了详细比对;在总结国内外土壤水分遥感监测研究方法的基础上,对目前该研究领域的重点、难点和未来的发展方向进行了评价。认为:热惯量法和植被温度指数法是较为成熟的方法;微波遥感因其独特的优越性,将是该领域的重点研究方向。     

基于被动微波遥感的地表粗糙度及土壤水分反演研究

被动微波遥感具有监测面积大、重复周期短、对土壤水分更为敏感等优点,成为反演土壤水分最有潜力的方式.论文针对地表粗糙度和植被覆盖变化对土壤水分反演过程中带来的误差和不确定性展开研究,发展更适合大区域土壤水分反演的算法.     

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。     

热红外地表温度遥感反演方法研究进展

地表温度是表征地表过程变化的一个非常重要的特征物理量,是地表—大气能量交换的直接驱动因子,广泛地用于地表能量平衡、气候变化和资源环境监测等研究领域。本文系统地评述了热红外地表温度遥感反演方法,包括单通道算法、多通道算法、多角度算法、多时相算法和高光谱反演算法。回顾了地表温度反演的基础理论和方法;并在此基础上,进一步综述了地表温度遥感反演的验证方法,以及地表温度的时间和角度归一化方法;最后对未来提高地表温度反演精度的研究方向提出了建议。     

被动微波遥感反演地表发射率研究进展

微波地表发射率是表征地表特征的重要参数,也是反演地表、大气参数的重要条件.相比较物理模型,其模拟计算需要若干输入参数,且相当一部分地表、植被特征参数很难从常规资料中获取,应用星载被动微波辐射计资料可以在更大空间和时间尺度范围内直接反演地表发射率.从目前常用的几种被动微波遥感反演方法(包括经验统计方法、辐射传输方程方法、指数分析方法、神经网络方法、一维变分方法等等)回顾了微波地表发射率反演的国内外研究进展及其研究中存在的问题,并对这些方法的优、缺点进行了评价.最后指出,今后应开发识别和订正直接影响卫星观测值的无线电频率干扰(RFI)算法,改善云、雨检测算法,并且加强微波波段大气辐射传输等过程的机理研究.     

近地表大气逆温条件下的地表温度遥感反演与验证

为了减少近地表大气逆温对地表温度遥感反演精度的影响,提出在晴空的地表温度"通用劈窗算法"模型中增加一个温度改正项来实现。在建立该误差改正项时,利用正常条件下的通用劈窗算法系数和具有不同逆温强度的逆温廓线,并结合大气辐射传输模型MODTRAN计算,得到近地表大气逆温条件下的地表温度反演误差,并在分析了该误差值与相应的逆温强度的关系后,发现该温度改正项可以表示为近地表大气逆温强度的二次项函数。为了进一步提高地表温度的反演精度,将地表温度和大气水汽含量进行分组,分别针对每个分组来确定温度改正项方程的系数。模拟结果表明,在逆温强度为1.7 K/100m时,该温度改正项可以使地表温度的反演精度提高0.44 K。利用内蒙古海拉尔试验站的实测数据对地表温度反演结果进行了验证,在近地表大气存在逆温的条件下,该方法能提高地表温度的遥感反演精度0.47K。但是,由于本文提出的方法需要已知大气温度廓线来计算大气逆温强度,因此在实际应用中该方法受到了一定的限制。     

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。     

HJ-1卫星数据估算地表能量平衡

利用遥感数据估算和监测地表能量平衡的研究和应用一直以来都是学术探索的前沿和焦点,目前针对国际主流卫星数据(如MODIS,Landsat TM等)的算法研究有很多,且在不同的尺度上发展了一系列遥感技术和应用方法。本文以环境一号卫星(HJ-1)数据为主要数据源,研究和分析了地表能量平衡遥感估算方法。在下行短波和长波辐射,以及地表净辐射估算的基础上,重点研究了地表显热和潜热通量(蒸散)的估算方法,针对辐射温度代替空气动力学温度所引起的误差校正,对比分析了基于KB-1系数的热力学粗糙度长度,以及附加阻抗两种方法。使用2010年HJ-1B数据反演得到海河流域地表能量平衡各分量瞬时值,利用3个地面站点的测量数据对反演结果进行验证和误差分析。结果表明下行短波辐射的反演误差是地表净辐射反演误差的主要来源,地表温度的反演精度以及地表粗糙度的模拟精度是影响显热通量反演精度的主要因素。利用两种方法估算的显热通量趋势基本一致,但KB-1系数法的反演结果一般低于附加阻抗法。在下垫面较为复杂的区域,模型结果误差较大,需要更加精细的模型以刻画地表非均匀性的影响。     

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。     

FY-3D MERSI-II地表温度遥感反演与验证

地表温度是是决定地表辐射能量收支的重要变量,在岩石圈、水圈、生物圈和大气圈的能量平衡和水量平衡研究中起着重要作用。利用热红外遥感技术可实现区域和全球尺度地表温度的快速获取,其受到了研究者的广泛关注。目前,FY-3D是国内光谱分辨率最高的对地观测卫星,极大的提高了对地观测能力,其搭载的中分辨率光谱成像仪（MERSI-II）经过大幅升级改进,性能有了显著提升,热红外数据的空间分辨率达到了250 m。本文使用大气辐射传输模型MODTRAN 5模拟了MERSI-II传感器热红外通道星上观测数据。在此基础上,构建了通用劈窗地表温度反演模型,结合ASTER GED全球地表发射率产品以及MERSI-II自身大气水汽反演算法,发展了地表温度遥感反演方法。最后,利用2019-08内蒙古乌海沙漠地区及美国SURFRAD多个站点的实测地表温度数据对本文提出的方法进行了验证。研究结果表明,相较地表实测数据,构建的劈窗算法反演的地表温度RMSE在1.6—2.6 K,反演精度达到了预期目标,还具有较高的空间分辨率,可以用于业务化的地表温度的反演,同时也说明其辐射定标精度有了一定保证,有效满足了区域和全球尺度地表温度遥感监测应用需求。     

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。     

西安市城市热岛效应强度定量研究与应用

针对城市热岛效应强度定量化评价困难以及热岛效应与地表地表的定量关系问题,利用多期LANDSAT遥感影像,基于单通道算法反演了地表温度,基于指数法快速提取地表分类要素,引入分布指数的概念构建了热岛分布指数P的算法,并以西安市为例验证方法精度与可行性,分析了西安市热岛效应的分布与变化规律.该方法实现了地表地表与热岛效应空间关系的定量化,温度反演与地表分类精度符合要求,能够用于宏观热岛效应强度定量分析评价.研究结果表明:西安市的城市热岛效应强度1995-2000年呈下降趋势,20002010年持续上升,2010年之后下降并趋于平稳,与城市发展实际基本相符.     

地表温度反演的算法综述

地表温度是研究地球表面的重要参数,被称为地表的皮肤温度。反演地表温度对自然灾害监测、城市热岛等有着重要意义,利用热红外遥感技术是反演地表温度的主要方式。本文阐述了目前主要用于反演地表温度的各算法特性、优缺点和适用情况,对各种算法进行对比分析,并指出反演地表温度存在的问题及解决问题的方向,并对反演地表温度发展趋势进行了展望。