CN106778516A - 一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的方法及装置，包括：步骤(A)、利用中国风云三号卫星的可见光与近红外通道数据，结合发展的地表发射率确定方法获得地表发射率；步骤(B)、利用中国风云三号卫星热红外通道数据，结合发展的协方差与方差比方法确定大气可降水汽含量；步骤(C)、利用步骤(A)和步骤(B)分别得到的地表发射率和大气可降水汽含量，结合发展的地表温度遥感反演方法直接从风云三号卫星观测的热红外通道数据中反演地表温度。本发明有效地实现了中国风云三号卫星数据的地表温度定量遥感反演。

Description

一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的方法及 装置

技术领域

本发明属于遥感定量反演的技术领域，特别涉及一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的方法及装置。

背景技术

地表温度在地-气相互作用过程中扮演着十分重要的角色，是全球变化研究的关键参数之一，对水文、生态、环境和生物地球化学等研究有非常重要的意义，并且在农业气象、热惯量计算等方面也有重要的应用价值。地表温度的定量遥感反演对推动旱灾预报和作物缺水研究、农作物产量估算、数值天气预报、全球气候变化和全球碳平衡等领域的研究起着非常重要的作用。

风云三号(FY-3)气象卫星是我国新一代的极轨气象卫星，它是在FY-1气象卫星技术基础上的发展和提高，在功能和技术上都向前跨进了一大步。FY-3卫星的目标是获取地球表面和大气环境的全球、全天候、多光谱、三维、定量的遥感资料。FY-3A卫星上搭载的可见光红外扫描辐射计(VIRR)有10个1公里空间分辨率的光谱通道，其中既有高灵敏度的可见光通道，又有三个红外大气窗区通道，主要用途是监测全球云量，判识云的高度、类型和相态，探测海洋表面温度，监测植被生长状况和类型，监测高温火点，识别地表积雪覆盖，探测海洋水色等。

在地表温度反演中，由于地表发射率是解决地表自身发射辐射和大气下行辐射耦合问题的关键参数，需要发射率的先验知识才能够改正地表发射辐射，进而反演地表温度。然而，由于地表温度和地表发射率的耦合性质，利用卫星数据反演地表温度并非想象中那么容易。在地表温度的遥感反演中，除辐射校正和云检测的问题之外，主要难点还体现在：(1)如何从观测的辐射亮度中分离出地表温度和地表发射率；(2)如何解决大气校正的问题。此外，还应考虑到，离开地表的辐射能将经过大气被传感器接收，大气自身的吸收和辐射又会影响到进入传感器视场的辐射能量。这几个过程叠加在一块，使地表温度的反演更为复杂。

因此，为了计算国产新一代极轨气象卫星FY-3的可见光红外扫描辐射计(VIRR)数据中的地表温度，我们根据VIRR数据的特点，发展了一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的方法及装置，实现了风云三号卫星数据地表温度的遥感反演，从而为我国国产卫星数据的遥感应用提供技术支持，这是本发明的初衷所在。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：针对国产卫星遥感数据，克服现有技术的不足，提供一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的方法及装置。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的方法，实现步骤如下：

步骤(A)、利用风云三号卫星的可见光与近红外通道观测数据确定地表发射率；

步骤(B)、利用风云三号卫星的热红外观测数据确定大气可降水汽含量；

步骤(C)、利用步骤(A)和步骤(B)分别得到的地表发射率和大气可降水汽含量，结合发展的地表温度反演方法确定地表温度。

进一步的，所述步骤(A)中确定地表发射率的过程是：

A1.根据下式计算一景影像中所有像元的NDVI值：

式中，ρ₁和ρ₂分别为风云三号卫星可见光与近红外波谱区第1和第2通道的反射率值；

A2.当影像中像元的NDVI值满足NDVI＜0.2时，其通道发射率通过下式计算：

ε_{IR4_S}＝0.968+0.05ρ₁-0.355ρ₂-0.402ρ₆+0.307ρ₇-0.971ρ₈+0.819ρ₉+0.544ρ₁₀ (2)

ε_{IR5_S}＝0.972+0.09ρ₁-0.213ρ₂-0.309ρ₆+0.236ρ₇-0.710ρ₈+0.669ρ₉+0.429ρ₁₀ (3)

式中，ε_{IR4_S}和ε_{IR5_S}分别为风云三号卫星第4和第5通道在裸土区的发射率，下标S代表裸土，ρ₆、ρ₇、ρ₈、ρ₉、ρ₁₀分别为风云三号卫星第6、7、8、9、10通道的反射率值；

A3.当影像中像元的NDVI值满足NDVI＞0.5时，其通道发射率通过下式计算：

ε_{IR4_V}＝0.889+0.119NDVI (4)

ε_{IR5_V}＝0.894+0.116NDVI (5)

式中，ε_{IR4_V}和ε_{IR5_V}分别为风云三号卫星第4和第5通道在植被区的发射率，下标V代表植被；

A4.当影像中像元的NDVI值满足0.2≤NDVI≤0.5时，其通道发射率通过下式计算：

ε_{IR4_M}＝ε_{IR4_V}P_V+ε_{IR4_S}(1-P_V)+C₄ (6)

ε_{IR5_M}＝ε_{IR5_V}P_V+ε_{IR5_S}(1-P_V)+C₅ (7)

式中，ε_{IR4_M}和ε_{IR5_M}分别为风云三号卫星第4和第5通道在裸土和植被混合区的发射率，下标M代表混合区；P_V为植被覆盖度，由下式计算：

式中，NDVI_min和NDVI_max为裸土和植被的NDVI值，分别取值为0.2和0.5，C为取决于地表特性并考虑腔体效应的增加项，通过下式获得：

C₄＝(1-ε_{IR4_S})ε_{IR4_V}F(1-P_v) (9)

C₅＝(1-ε_{IR5_S})ε_{IR5_V}F(1-P_v) (10)

式中，F为取决于地表几何分布的形状因子，其值为0.55。

进一步的，所述步骤(B)中确定大气可降水汽含量的过程是：

B1.利用协方差与方差比方法反演大气可降水汽含量，公式为：

式中，i和j分别代表风云三号卫星遥感数据的第4和第5通道，τ_i、τ_j分别是第4和第5通道的大气透过率，N是计算时在影像中设置的一个移动窗口区内像元总个数，T_i、T_j分别是第4和第5通道大气顶部的亮度温度， 分别是第4和第5通道中一个窗口区域内所有像元的亮度温度的平均值，d₁和d₂通过下式计算：

d₁＝25.156-13.572/cos(VZA)+2.909/cos²(VZA) (12)

d₂＝-25.258+13.677/cos(VZA)-2.931/cos²(VZA) (13)

式中，VZA为风云三号卫星遥感数据中每个像元对应的观测天顶角。

进一步的，所述步骤(C)中确定地表温度的过程是：

C1.利用下式计算地表温度

式中，T_s为地表温度，T₄和T₅分别是中国风云三号卫星遥感数据第4和第5通道大气顶部的亮度温度，为第4和第5通道发射率的平均值，Δε为第4和第5通道发射率的差值，b₀到b₅是系数，它们可通过系数查找表获取，其中，系数查找表的建立过程如下：根据大气辐射传输模型MODTRAN 5，结合风云三号卫星遥感数据第4和第5通道的光谱响应函数以及大气廓线数据库TIGR数据，模拟仿真出风云三号卫星遥感数据第4和第5通道大气顶部的亮度温度，模拟时考虑卫星观测角度从0°到60°变化，步长增量为5°，地表温度T_s从220K到360K变化，步长增量为5K，平均发射率从0.90到1.0变化，步长增量为0.02，发射率差值从-0.02到0.02变化，步长增量为0.005，然后，分别根据TIGR中大气总水汽含量的变化范围[0,1.5]，[1.0,2.5]，[2.0,3.5]，[3.0,4.5]，[4.0,5.5]，[5.0,6.5]以及地表温度的变化范围≤280K，[275K,295K]，[290K,310K]，[305K,325K]，≥320K，将模拟的风云三号卫星第4和第5通道大气顶部的亮度温度数据分为不同的区间，最后针对每一个区间，根据方程式(14)，结合最小二乘法拟合出系数b₀到b₅，即建立出系数查找表；

本发明提供实现上述方法的装置，其包括：地表发射率反演模块、大气可降水汽含量反演模块和地表温度反演模块，其中：

地表发射率反演模块，该模块功能为：利用中国风云三号卫星遥感数据的可见光与近红外第1和2通道数据计算出一景影像中每个像元的NDVI值，根据NDVI值将像元分为裸土区、植被区以及裸土植被混合区，并针对每一种区域，利用建立的地表发射率反演方法确定像元的地表发射率；

大气可降水汽含量反演模块，该模块功能为：利用中国风云三号卫星第4和第5通道大气顶部的亮度温度数据以及卫星观测天顶角数据，结合建立的协方差与方差比反演大气可降水汽含量的方法，直接从卫星热红外观测数据中计算出大气可降水汽含量；

地表温度反演模块，该模块功能为：利用中国风云三号卫星第4和第5通道大气顶部的亮度温度数据、卫星观测天顶角数据以及反演的地表发射率和大气可降水汽含量数据，结合建立的中国风云三号卫星地表温度遥感反演模型计算出地表温度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、通过本发明的步骤实现了我国国产卫星风云三号数据的地表温度遥感反演，在此过程中发展了相应的地表发射率反演方法、大气可降水汽含量反演方法以及地表温度反演方法，为我国国产卫星数据的遥感应用提供了技术支持；

(2)、本发明提出的地表温度遥感反演方法在不需要任何外部辅助数据的情况下，仅利用中国风云三号卫星本身的观测数据就可实现地表温度的遥感反演，减少了误差来源，提高了地表温度的反演精度；

(3)、本发明建立的一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的装置是通过地表发射率反演模块、大气可降水汽含量反演模块和地表温度反演模块来实现的，模块具有操作简单、实用性强、可扩展性强的特点。

附图说明

图1是本发明确定地表温度的总体流程示意图；

图2是本发明装置框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明具体实施例如下：

一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的方法，实现步骤如下：

步骤(A)、利用风云三号卫星的可见光与近红外观测数据确定地表发射率，实施方式为：

A1.根据公式(1)计算一景影像中所有像元的NDVI值；

A2.当影像中像元的NDVI值满足NDVI＜0.2时，分别根据公式(2)和公式(3)计算出风云三号卫星第4和第5通道在裸土区的地表发射率值；

A3.当影像中像元的NDVI值满足NDVI＞0.5时，分别根据公式(4)和公式(5)计算出风云三号卫星第4和第5通道在植被区的地表发射率值；

A4.当影像中像元的NDVI值满足0.2≤NDVI≤0.5时，分别根据公式公式(6)和公式(7)，并结合公式(8)、(9)、(10)计算出风云三号卫星第4和第5通道在裸土和植被混合区的地表发射率值；

步骤(B)、利用风云三号卫星的热红外观测数据确定大气可降水汽含量，实施方式为：

B1.根据公式(11)并结合公式(12)和公式(13)，利用中国风云三号卫星第4和第5通道大气顶部亮度温度数据和卫星观测天顶角数据计算出每个像元的大气可降水汽含量；

步骤(C)、利用步骤(A)和步骤(B)分别得到的地表发射率和大气可降水汽含量，结合发展的地表温度反演方法确定地表温度，实施方式为：

C1.根据公式(14)，利用中国风云三号卫星遥感数据第4和第5通道大气顶部的亮度温度数据和卫星观测天顶角数据，并结合步骤(A)和步骤(B)分别反演得到的第4和第5通道地表发射率和大气可降水汽含量，以及系数查找表计算得到一景影像中每个像元的地表温度。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的方法，其特征在于，该方法实现步骤如下：

步骤(A)、利用风云三号卫星的可见光与近红外通道观测数据确定地表发射率；

步骤(B)、利用风云三号卫星的热红外观测数据确定大气可降水汽含量；

步骤(C)、利用步骤(A)和步骤(B)分别得到的地表发射率和大气可降水汽含量，结合发展的地表温度反演方法确定地表温度。

2.根据权利要求1所述的一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的方法，其特征在于，所述步骤(A)中确定地表发射率的过程是：

A1.根据下式计算一景影像中所有像元的NDVI值：

$NDVI=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2-{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2+{\mathrm{\ρ}}_1}---\left(1\right)$

式中，ρ₁和ρ₂分别为风云三号卫星可见光与近红外波谱区第1和第2通道的反射率值；

A2.当影像中像元的NDVI值满足NDVI＜0.2时，其通道发射率通过下式计算：

ε_{IR4_S}＝0.968+0.05ρ₁-0.355ρ₂-0.402ρ₆+0.307ρ₇-0.971ρ₈+0.819ρ₉+0.544ρ₁₀ (2)

ε_{IR5_S}＝0.972+0.09ρ₁-0.213ρ₂-0.309ρ₆+0.236ρ₇-0.710ρ₈+0.669ρ₉+0.429ρ₁₀ (3)

式中，ε_{IR4_S}和ε_{IR5_S}分别为风云三号卫星第4和第5通道在裸土区的发射率，下标S代表裸土，ρ₆、ρ₇、ρ₈、ρ₉、ρ₁₀分别为风云三号卫星第6、7、8、9、10通道的反射率值；

A3.当影像中像元的NDVI值满足NDVI＞0.5时，其通道发射率通过下式计算：

ε_{IR4_V}＝0.889+0.119NDVI (4)

ε_{IR5_V}＝0.894+0.116NDVI (5)

式中，ε_{IR4_V}和ε_{IR5_V}分别为风云三号卫星第4和第5通道在植被区的发射率，下标V代表植被；

A4.当影像中像元的NDVI值满足0.2≤NDVI≤0.5时，其通道发射率通过下式计算：

ε_{IR4_M}＝ε_{IR4_V}P_V+ε_{IR4_S}(1-P_V)+C₄ (6)

ε_{IR5_M}＝ε_{IR5_V}P_V+ε_{IR5_S}(1-P_V)+C₅ (7)

式中，ε_{IR4_M}和ε_{IR5_M}分别为风云三号卫星第4和第5通道在裸土和植被混合区的发射率，下标M代表混合区；P_V为植被覆盖度，由下式计算：

$P_v={\[\frac{NDVI-{\mathrm{NDVI}}_{\min }}{{\mathrm{NDVI}}_{max}-{\mathrm{NDVI}}_{\min }}\]}^2---\left(8\right)$

式中，NDVI_min和NDVI_max为裸土和植被的NDVI值，分别取值为0.2和0.5，C为取决于地表特性并考虑腔体效应的增加项，通过下式获得：

C₄＝(1-ε_{IR4_S})ε_{IR4_V}F(1-P_v) (9)

C₅＝(1-ε_{IR5_S})ε_{IR5_V}F(1-P_v) (10)

式中，F为取决于地表几何分布的形状因子，其值为0.55。

3.根据权利要求1所述的一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的方法，其特征在于，所述步骤(B)中确定大气可降水汽含量的过程是：

B1.利用协方差与方差比方法反演大气可降水汽含量，公式为：

$WVC=d_1+d_2\×\frac{{\mathrm{\τ}}_j}{{\mathrm{\τ}}_i}---\left(11\right)$

式中，i和j分别代表风云三号卫星遥感数据的第4和第5通道，τ_i、τ_j分别是第4和第5通道的大气透过率，N是计算时在影像上设置的一个移动窗口区内像元总个数，T_i、T_j分别是第4和第5通道大气顶部的亮度温度， 分别是第4和第5通道中一个窗口区域内所有像元的亮度温度的平均值，d₁和d₂通过下式计算：

d₁＝25.156-13.572/cos(VZA)+2.909/cos²(VZA) (12)

d₂＝-25.258+13.677/cos(VZA)-2.931/cos²(VZA) (13)

式中，VZA为风云三号卫星遥感数据中每个像元对应的观测天顶角。

4.根据权利要求1所述的一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的方法，其特征在于，所述步骤(C)中确定地表温度的过程是：

C1.利用下式计算地表温度

$T_s=b_0+b_1\·T_4+b_2\·(T_4-T_5)+b_3\·{(T_4-T_5)}^2+b_4\·(1-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}})+b_5\·\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}---\left(14\right)$

式中，T_s为地表温度，T₄和T₅分别是中国风云三号卫星遥感数据第4和第5通道大气顶部的亮度温度，为第4和第5通道发射率的平均值，Δε为第4和第5通道发射率的差值，b₀到b₅是系数，它们可通过系数查找表获取，其中，系数查找表的建立过程如下：根据大气辐射传输模型MODTRAN 5，结合风云三号卫星遥感数据第4和第5通道的光谱响应函数以及大气廓线数据库TIGR数据，模拟仿真出风云三号卫星遥感数据第4和第5通道大气顶部的亮度温度，模拟时考虑卫星观测角度从0°到60°变化，步长增量为5°，地表温度T_s从220K到360K变化，步长增量为5K，平均发射率从0.90到1.0变化，步长增量为0.02，发射率差值从-0.02到0.02变化，步长增量为0.005，然后，分别根据TIGR中大气总水汽含量的变化范围[0,1.5]，[1.0,2.5]，[2.0,3.5]，[3.0,4.5]，[4.0,5.5]，[5.0,6.5]以及地表温度的变化范围≤280K，[275K,295K]，[290K,310K]，[305K,325K]，≥320K，将模拟的风云三号卫星第4和第5通道大气顶部的亮度温度数据分为不同的区间，最后针对每一个区间，根据方程式(14)，结合最小二乘法拟合出系数b₀到b₅，即建立出系数查找表。

5.一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的装置，其特征在于，该装置包括：地表发射率反演模块、大气可降水汽含量反演模块和地表温度反演模块，其中：

所述的地表发射率反演模块，该模块功能为：利用中国风云三号卫星遥感数据的可见光与近红外第1和2通道数据计算出一景影像中每个像元的NDVI值，根据NDVI值将像元分为裸土区、植被区以及裸土植被混合区，并针对每一种区域，利用建立的地表发射率反演方法确定像元的地表发射率；

所述的大气可降水汽含量反演模块，该模块功能为：利用中国风云三号卫星第4和第5通道大气顶部的亮度温度数据以及卫星观测天顶角数据，结合建立的协方差与方差比反演大气可降水汽含量的方法，直接从卫星热红外观测数据中计算出大气可降水汽含量；

所述的地表温度反演模块，该模块功能为：利用中国风云三号卫星第4和第5通道大气顶部的亮度温度数据、卫星观测天顶角数据以及反演的地表发射率和大气可降水汽含量数据，结合建立的中国风云三号卫星地表温度遥感反演模型计算出地表温度。