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基于单窗算法反演地表温度的ENVI操作教程.docx

发布时间：2022-06-06 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.56M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    单窗算法反演地表温度教程
    1.1 算法原理
    1.1.1单窗算法
    1.1.2参数计算
    1.1.2.1辐射亮温计算
    1.1.2.2地表比辐射率计算
    1.1.2.3大气平均作用温度的计算
    1.1.2.4大气透射率的计算
    1.2地表温度反演步骤
    1.2.1影像预处理
    1.2.1.1地表比辐射率计算
    1.2.2辐射亮温计算
    1.2.3地表温度计算
    单窗算法反演地表温度教程 1.1 算法原理 1.1.1 单窗算法 单窗算法（MW 算法）是覃志豪于 2001 年提出的针对 TM 数据 只有一个热红外波段的地面温度反演算法。经过众多学者验证，单窗 算法具有很高的反演精度，且同样适用于 ETM+和 landsat 8 数据。公 式如下： T s  ( a 6 1(  DC 6  6 )  ( b 6 1(  DC 6  6 )  ) TDC  6 6  CTD /) 6 a 6 sensor 式中，LST 为地表温度（K），Tsensor 是传感器上的亮度温度（K），Ta 是大气平均温度（K）；a、b 为参考系数，当地表温度为 0-70℃时，a = -67.355351，b = 0.458606；C 、D 为中间变量，计算公式为： 式中， 为地表比辐射率， 为地面到传感器的大气总透射率。 因此单窗算法反演地表温度的关键是计算得到亮度温度 Tsenso、地表 比辐射率 、大气透射率 和大气平均作用温度 Ta。 1.1.2 参数计算 1.1.2.1 辐射亮温计算 利用 Planck 公式将图像像元对应传感器辐射强度值转换为对应的 亮度温度值。公式如下
    式中，Tsenso 为亮度温度值； L 影像预处理后得到的光谱辐射值， 单位为 srmw /( 2  ) m  ，K1 、K2 为常量，可由数据头文件获取。 计算图像辐射亮温之前，需采用辐射定标参数将像元灰度值 DN 转换为热辐射强度值，公式如下： 式中，ML 为增益参数，AL 为偏移参数，该参数可直接在影像通 文件数据中获取，且 ENVI 软件中已经集成，不需要自己在查找。 1.1.2.2 地表比辐射率计算 根据覃志豪针对 TM 影像提出的混合像元分解法来确定区域地 表福辐射率。对于城市区域，我们简单的将其分为水体、自然表面和 建筑表面三种，因此针对混合像元尺度上的地表比辐射率通过下式来 估算： 式中， 为混合像元的地表比辐射率；PV 为植被覆盖率；RV 为植 被的温度比率；RM 为建筑表面的温度比率； V 表示植被法地表比辐 射率， m 表示建筑表面的地表比辐射率；d 表示辐射校正项。 根据覃志豪经验公式， V=0.986； m=0.972。
    根据 Aster 提供的常用地物比辐射率光谱库 Landsat 8 数据特点， 对于 B10 波段， V=0.98672；m=0.96767。对于 B11 波段， V=0.98990； m=0.977515。 在地表相对较平整的区域,一般可取 dε=0;在地表起伏较大的区 域,dε可根据植被的构成比例估计。研究表明热辐射相互作用在植被 与裸土分别占一半时达到最大,所以可以根据如下经验公式来估计 dε： 当 Pv≤0.5 时,dε=0.003 8Pv 当 Pv>0.5 时,dε=0.003 8 (1-Pv) 当 Pv=0.5 时, dε=0.0019 RV 和 Rm 的确定采用覃志豪等提出的经验公式计算: RV=0.9332+0.0585*PV Rm=0.9886+0.1287*PV PV 为植被覆盖率可用下式计算: PV=(NDVI-NDVIS)/(NDVIV-NDVIS) 其中 NDVI 是归一化植被指数,NDVIV、NDVIS 分别是植被和 裸土的 NDVI 值,由于没有详细的区域植被和土壤光谱资料,采用覃志 豪经验值以 NDVIV=0.70 和 NDVIS=0.05 来进行植被覆盖度的近似估 计。
    1.1.2.3 大气平均作用温度的计算 对于大气平均温度，覃志豪等也提供了一个经验公式，该公式是 根据 Modtran 所提供的标准大气推导出来的，如下表所示，其中 T0 为近地表温度(K)。 一般研究区在重庆的，选择中纬度夏季平均大气。 1.1.2.4 大气透射率的计算 由于单窗算法对输入的参数较敏感，因此需要较精确的大气透射 率参数来反演地表温度。影响大气透射率的因素较多,如气压、气温、 气溶胶含量、大气水分含量、O3、CO2、CO、NH4 等对热辐射传导 均有不同程度的作用,从而使地表的热辐射在大气中的传导产生衰减。 因此,准确的大气透射率求算比较复杂,需要较详细的大气剖面数据， 但在实际应用中很难获取详细的大气剖面数据。研究表明大气水分含 量对大气透射率的变化影响较大,而其它因素由于很难在短时间内发 生较大变化而对大气透射率的影响较小。因此,水分含量就成为大气
    透射率估计的主要考虑因素。 覃志豪等根据大气中的水汽含量动态变化对大气透射率的影响 程度进行了研究，并对大气透射率进行了估计，如表 3.1。其中:w 是 大气水汽含量。以重庆为研究区的研究一般选用是气温较高时的估算 公式。 大气透射率估计方程 大气剖面 水分含量 w/(g·cm-2) 大气透射率估计方程 相关系 数平方 (R2) 标准误 差(SEE) 高气温 低气温 0.4-1.6 1.6-3.0 0.4-1.6 1.6-3.0 0.002368 0.002539 0.003340 0.002375 接下来只需要计算出大气水分含量便可计算得到大气透射率。学 τ6=0.974290-0.08007w 0.99611 τ6=1.031412-0.11536w 0.99827 τ6=0.982007-0.09611w 0.99463 τ6=1.053710-0.14142w 0.99899 者杨景梅根据地面、高空气象要输资料，提出利用地面湿度计算整层 大气可降水量，由此计算得出整层大气水汽含量的方法（杨景梅邱 金恒，用地面湿度参量计算我国整层大气可降水量及有效水汽含量的 方法的研究，大气科学，2002.01）公式如下： 式中，ω为大气水汽含量（g/cm2），W 为整层大气可降水量（cm）； C0 C1 为经验系数，以重庆为研究对象，一般可选取成都的经验值来 计算。C0= 0.1274；C1=0.6878.计算大气可降水量公式如下：
    式中，W 为整层大气可降水量（cm），e 为地面水汽压（hPa）， a0 a1 为经验系数，可从以下公式计算得出。 式中，φ为地理纬度（°），H 为海拔高度。重庆市主城区纬度取 29.5， 平均高程取 0.35 km，则有。 ω=0.19604e+0.04691 其中：e 是绝对水汽压（hPa）。 采用 WMO 在 1996 年公布的《气象仪器和观测方法指南》中公布的 饱和水汽压 E 公式。对于纯水面用公式计算，适用于温度-45~60℃。 E=6.112exp[17.62*T0/(243.12+T0)] RH=e/E*100 推算出：
    e=6.112exp[17.62*T0/(243.12+T0)]*RH 式中，RH 为相对湿度，可以通过气象观测数据获得，T0 为气温(℃)。 1.2 地表温度反演步骤 1.2.1 影像预处理 （1）辐射定标 选择 Radiometric Correction/Radiometric Calibration。在 File Selection 对话框中，选择数据 LC81230322013132LGN02_MTL_Thermal，单击 Spectral Subset 选 择 Thermal Infrared1 （ 10.9 ）， 打 开 Radiometric Calibration 面板。
    （2）大气校正 本教程选择 Flaash 校正法。FLAASH Atmospheric Correction，双 击此工具，打开辐射定标的数据，进行相关的参数设置进行大气校正。 注意：如果在多光谱数据辐射定标时Scalefactor值忘记设置，可在本步骤中打 开辐射定标数时设置singlescalefaceor值为0.1，若已设置，则默认值为1 即可。
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