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。     

多分辨率低秩导向滤波的热红外图像空间融合

热红外遥感图像由于其特定的成像方式,包含目标特有的发射率及温度等特征。然而,热红外遥感图像较低的空间分辨率却限制了其广泛应用。随着遥感技术的发展,同一区域获得的多源遥感图像可以提供更为完备的目标信息,使得利用多源融合技术实现热红外图像空间分辨率增强与亚像素级特征提取成为可能。为此,本文提出了一种基于多分辨率自适应低秩表达与残差信息迁移的热红外图像空间超分辨算法,该算法通过可见光与热红外图像融合的方式实现热红外图像空间特性的自适应融合增强。本文算法优势主要体现在以下几个方面：（1）基于多分辨率的超像素分割,使用超像素块代替传统的方块作为低秩恢复单元,自适应地调整单元内空间特性以保持单元内地物类型的稳定并抑制结构性噪声;（2）通过构建导向线性滤波器,在保护热红外图像光谱信息的前提下,实现可见光图像精细空间特征向热红外图像的迁移;（3）在低分辨层建立增强热红外图像残差与可见光图像残差之间关联并迁移至高分辨层,在保证超分辨图像细节信息的前提下,实现热红外图像空间超分辨。为了验证算法的有效性,本文采用2014年IGARSS数据融合竞赛提供的可见光与热红外实验数据进行实验,并与融合竞赛中表现最为优异的监督图特征融合方法进行比较,并从温度反演精度以及分类精度两个方面评价超分辨效果。实验结果表明,本文提出的方法其噪声抑制效果、空间平滑效果、边缘锐化效果更为优异,超分辨热红外图像有着更为精细的空间信息,并且对于不同区域类型均能较好的保护热红外图像光谱信息。对于不同地物类型,融合超分辨图像有较高的亚像素温度反演精度以及更高的分类精度,其温度反演误差小于1 K,总体分类精度较原热红外图像提升20%以上。     

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...     

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...     

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。     

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。     

高光谱红外谱段交叉定标与近海遥感应用试验

以MODIS红外谱段数据为基准,对高光谱红外谱段数据进行辐射交叉定标试验,同时运用高光谱红外谱段数据对近海海表水温进行了评估试验.交叉定标数据选取2012年—2013年冬、夏两季各一幅代表性图像,MODIS与高光谱红外谱段数据成像时间均为同一天白天.实验结果表明,天宫一号高光谱红外谱段数据与MODIS数据具有极好的相关性,相关系数R大于0.95;在此基础上建立了基于MODIS 32波段的辐亮度线性回归校正方程,并用于海表温度反演、检测自然与人工扰动造成的海表温度异常.基于校正数据反演的中国南北典型冬、夏代表性季节的海表温度与常识较为一致.由此表明,基于MODIS交叉定标的天宫一号数据可用于实际的业务化定量评估;同时,由于空间分辨率较高,天宫一号高光谱红外谱段数据在海水精细空间动态变化检测上表现出极好的性能.     

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。     

海表温度对SMOS盐度遥感反演精度的影响

利用星载微波辐射计对全球海表盐度的卫星遥感探测,其精度会受到多种环境因子的影响。采用广义加性模型GAM和偏最小二乘法PLS分析了水温对海表盐度遥感反演精度的影响,同时,利用ARGO观测数据对SMOS卫星反演的赤道太平洋和西北太平洋海表盐度进行精度检验。结果表明,水温对海表盐度反演精度具有显著影响,且Stokes矢量第一参数(总辐亮度)是海表盐度反演的最佳亮温参数。在平均水温约16℃时的均方误差约为0.9 psu,23℃水温下的均方误差约为0.7 psu,30℃水温下的均方误差约为0.4 psu,即高水温下盐度反演精度相对较高。     

应用天宫一号高光谱红外谱段数据反演地表温度产品及验证

本文利用天宫一号获取的具有高空间分辨率的红外谱段数据,选择黑河中游作为反演区域,基于辐射传输模型和Planck定律进行地表温度反演.影像的反演结果表明使用天宫一号高空间分辨率的红外谱段反演得到的地表温度能更细致合理的刻画地表温度分布,这对地表温度异质性的研究具有重要意义.为了进一步验证反演精度,本文依托黑河流域已有观测平台和系统,选取黑河中游8个典型下垫面作为验证场地,开展地面同步观测实验.实验结果表明通过反演获得的地表温度与地面实测数据的平均偏差为-0.375℃,这也说明本文的反演过程能够较为精确的使用天宫一号红外谱段反演地表温度.     

热红外遥感浙江地表热环境分布研究

全球气候变暖与人类戚戚相关,研究发现不仅是城市的热岛效应引起了局部区域的地表热环境分布差异,很多地质构造、岩性、土壤、植被等地质及自然地理因素也有影响。本研究选取浙江省作为研究区,利用Landsat 8 OLI/TIRS遥感影像反演地表温度,分析冬季地表热环境分布及其影响因子。结果表明,断裂带附近地表热环境受到断裂带分布影响;岩石和土壤通过不同的地表覆被类型影响地表温度。地表热环境分布与断裂带等自然因素存在一定相关性。     

NINO3海面温度异常时间序列的小波分析

本文对连续小波变换和离散小波变换进行了简要介绍,对连续小波变换中小波函数与尺度的选取、小波尺度与Fourier频率的关系等进行了阐述。结合太平洋中部地区1871年至2005年6月期间NINO3海面温度异常时间序列进行了小波功率谱分析,提取了其时频特征,分析结果与主要厄尔尼诺和拉尼娜事件的发生时间吻合较好。最后,利用离散小波分解与重构对时间序列进行消噪处理,并对不同层数强制消噪效果进行了比较。     

Retrieving water surface temperature from archive LANDSAT thermal infrared data: Application of the mono-channel atmospheric correction algorithm over two freshwater reservoirs

Water surface temperature is a key element in characterizing the thermodynamics of waterbodies, and for irregularly-shaped inland reservoirs, LANDSAT thermal infrared images are the best alternative yet for the retrieval of this parameter. However, images must be corrected mainly for atmospheric effects in order to be fully exploitable. The objective of this study is to validate the mono-channel correction algorithm for single-band thermal infrared LANDSAT data as put forward by Jiménez-Muñoz et al. (2009). Two freshwater reservoirs in continental France were selected as study sites, and best use was made of all accessible image and field data. Results obtained are satisfactory and in accordance with the literature: r² values are above 0.90 and root-mean-square error values are comprised between 1 and 2 °C. Moreover, paired Wilcoxon signed rank tests showed a highly significant difference between field and uncorrected image data, a very highly significant difference between uncorrected and corrected image data, and no significant difference between field and corrected image data. The mono-channel algorithm is hence recommended for correcting archive LANDSAT single-band thermal infrared data for inland waterbody monitoring and study.     

利用Landsat卫星影像进行东莞市地表温度反演与变化分析

随着快速城市化进程,我国东南沿海一些城市新增了大量的城市建设用地,影响到了城市的人居环境,诱发了城市热的环境问题.探索城市热环境时空布局与变化特征,分析变化原因对城市可持续发展和人居环境质量改善具有重要的现实意义.本文以东莞市为例,以1986—2017年间8个时相Landsat系列卫星影像为数据源,利用单通道算法对东莞...     

NOAA/AVHRR sea surface temperature accuracy in the East/Japan Sea

Sea surface temperature (SST) retrieved from Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) onboard National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) polar orbiting environmental satellites were validated in the East/Japan Sea (EJS) using surface drifter measurements as ground truths from 2005 to 2010. Overall, the root-mean-square (rms) errors of multichannel SSTs (MCSSTs) and non-linear SSTs (NLSSTs) using global SST coefficients were approximately 0.85°C and 0.80°C, respectively. An analysis of the SST errors (satellite – drifter) revealed a dependence on the amount of atmospheric moisture. In addition, satellite-derived SSTs tended to be related to wind speeds, particularly during the night. The SST errors also demonstrated diurnal variations with relatively higher rms from 0.80°C to 1.00°C during the night than the day, with a small rms of about 0.50°C. Bias also exhibited reasonable diurnal differences, showing small biases during the daytime. Although a satellite zenith angle has been considered in the global SST coefficients, its effect on the SST errors still remained in case of the EJS. Given the diverse use of SST data, the continuous validation and understanding of the characteristic errors of satellite SSTs should be conducted based on extensive in-situ temperature measurements in the global ocean as well as local seas.     

AMSR-E辐射计反演南大洋实时海面气温

利用中国南极第24次至第26次(2008年-2010年)考察获取的实测数据和AMSR-E辐射计亮温资料开展南大洋实时海面气温的反演研究, 分析了AMSR-E的各通道亮温与海面气温的相关性, 未发现与海面气温相关性较强的观测通道, 相关性最高的是23.8 GHz 水平通道, 相关系数为0.38。将实测数据与亮温资料进行数据匹配, 得到有效的建模数据集, 然后利用多元回归和神经网络两种方法建立海面气温实时反演模型。基于全通道多元回归建立了高纬、低纬海域AMSR-E亮温的反演模型, 对反演结果利用实测数据进行验证, 高纬海域反演的结果均方根差为0.96 ℃, 相关系数为0.93;低纬海域反演结果均差差为1.29 ℃, 相关性系数0.96。基于Back Propagation(BP)神经网络反演模型的反演结果均方根差为1.26 ℃, 相关系数为0.98。     

海表面温度时空变异特征及对验证误差影响

海洋要素的变化存在明显的区域性和季节性的变化特性,本文选择海洋要素中最为突出的海表面温度(SST)要素作为主要分析参数,设计时空变异参数的计算指标,分析时空变异对验证误差影响的关系,通过研究及试验的数据精度验证,证明了时空变异是造成误差的直接原因之一。强烈的时空属性变异,在验证过程中会引入很大的验证误差,处于不同变异等级区划的数据,其验证结果相对误差可达13.08%,变异越剧烈的区域,精度验证效果越差,验证误差就越大,这些误差并非完全是遥感产品的误差,验证结果不具有代表性,不能真实的反映遥感产品的误差特征。对于SST等海洋遥感产品验证时,需要考虑时空变异对验证误差的影响和贡献,合理选择验证试验区域、代表性的评价数据集和科学的评价方法。     

A comparison of MODIS, NCEP, and TMI sea surface temperature datasets

The monthly average sea surface temperature (SST) datasets of MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), NCEP (National Center for Environmental Prediction) and TMI (Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) Microwave Imager) are compared for the period March 2000 to June 2003. Large discrepancies (0.5 K->1 K) are found over extensive areas: the tropical Atlantic, tropical western Pacific, Bay of Bengal, Arabian Sea and the storm tracks. Many of these discrepancies are related to the biases inherent in the infrared and microwave retrieval methods. Probable causes for these biases include cirrus contamination, insufficient corrections for water vapor absorption and aerosol attenuation in infrared retrieval as well as uncertainty in surface emissivity in microwave retrieval. The SST difference patterns bear close resemblance to the patterns of distribution of aerosols, cirrus, atmospheric water vapor and surface wind speed at certain regions. Correlations between SST difference and aerosol optical depth, column water vapor and surface wind speed in some areas are high (>0.75). These biases have to be adjusted in order for the SST datasets to be more useful for climate studies.     

FY-3C微波成像仪海面温度产品算法及精度检验

海洋表面温度(SST)是海洋学和气候学一个十分重要的物理因子,而卫星被动微波遥感能够穿透云层,实现全天候、大范围观测,因此利用中国FY-3C微波成像仪(MWRI)反演SST具有重要意义。FY-3C MWRI SST产品采用统计算法,首先利用MWRI降水和海冰产品剔除含降水和海冰的像元,之后选择时空间隔0.2 h和0.2°离海岸100 km以外的FY-3C MWRI观测亮温与浮标观测值进行匹配,再将全球在空间上分为4个纬度带,时间上分为12个月,并分升轨和降轨,分别建立浮标海温观测结果和MWRI亮温之间的统计关系,实现对SST的估算。将|估算海温-30年月平均海温|≥2.5 K的像元标识为51,发现这些像元基本分布在陆地边缘地区及大风速地区,剔除标识为51的像元后的精度验证结果表明:与全球浮标资料相比,FY-3C MWRI SST轨道产品升轨精度为–0.02±1.22 K,降轨精度为–0.15±1.28 K;与全球分析场日平均海温OISST相比,FY-3C MWRI SST日产品升轨精度为0.00±1.03 K,降轨精度为–0.09±1.08 K。微波辐射计的性能及其定位定标精度、上游卫星产品(降水检测和海冰检测)的精度、陆地的干扰及高风速对微波信号的影响均会造成SST估算误差,如何改进算法中风速大于12 m/s时的估算精度是下一步的工作重点。