地表温度反演

《地表温度反演》实验报告院系：资源与环境科学学院专业及班级：地信08-1学号：2011年12月目录TOC\o"1-5"\h\z一：单窗算法3\o"CurrentDocument"1.1实验原理31.1.1TM/ETM波段的热辐射传导方程：31.1.2化简后最终的单窗体算法模型为：31.1.3大气平均作用温度Ta的近似估计31.1.4大气透射率t6的估计31.1.5地表比辐射率的估计41.1.6像元亮度温度计算41.1.7遥感器接收的辐射强度计算4\o"CurrentDocument"1.2操作步骤51.2.1研究区示意图51.3实验结果71.3.1灰度图像71.3.2密度分割后图像7\o"CurrentDocument"二：单通道算法8\o"CurrentDocument"2.1实验原理82.1.1单通道算法模型为：82.1.2大气平均作用温度Ta的近似估计82.1.3大气透射率t6的估计82.1.5像元亮度温度计算82.1.6遥感器接收的辐射强度计算92.2操作步骤9研究区示意图9\o"CurrentDocument"2.2.1计算L610\o"CurrentDocument"2.2.2T6e6的求算10\o"CurrentDocument"计算R10\o"CurrentDocument"计算t102.3实验结果112.3.1温度反演灰度图像112.3.2密度分割后的图像11\o"CurrentDocument"三：辐射方程12\o"CurrentDocument"3.1实验过程123.1.1数据准备123.1.2地表比辐射率的估计123.1.3计算同温度下黑体的辐射亮度值123.1.4反演地表温度13\o"CurrentDocument"3.2温度反演结果131.1实验原理1.1.1TM/ETM波段的热辐射传导方程：B6(T6)=t6(q)[e6B6(Ts)+(1-e6)I6〜]+I6_Ts是地表温度；T6是TM6的亮度温度；t6是大气透射率；e6是地表辐射率。B6(T6)表示TM6遥感器所接收到的热辐射强度；B6(Ts)是地表在TM6波段区间内的实际热辐射强度，直接决取于地表温度;I6〜和16_分别是大气在TM6波段区间内的向上和向下热辐射强度。1.1.2化简后最终的单窗体算法模型为：Ts={a(1-C-D)+[b(1-C+D)+C+D]T6-DTa}/C式中C6=t6e6(e6为比辐射率，t6为透射率)D6=(1-t6)[1+t6(1-e6)]a=-67.355351，b=0.4586061.1.3大气平均作用温度Ta的近似估计温度换算：T=t+273.15本图为7月份拍摄，对于中纬度夏季平均大气Ta=16.0110+0.92621T0取乌鲁木齐市平均气温为25摄氏度时Ta=312.157531.1.4大气透射率t6的估计t6=0.974290-0.08007w，0.4<w<1a6w为水分含量，单位(g/cm2)，这里，取w=1.0，计算得到t6=0.894221.1.5地表比辐射率的估计典型地表类型的比辐射率ew=0.995ev=0.986em=0.970Pv=[(NDVI-NDVIs)/(NDVIv-NDVIs)]2NDVI为归一化植被指数，取NDVIv=0.70和NDVIs=0(分别取自5%及95%数据)esurface=0.9625+0.0614Pv-0.0461PvA21.1.6像元亮度温度计算T6=K2/ln(1+K1/L6)其中：K1=607.76，K2=1260.56(覃志豪，用陆地卫星TM6数据演算地表温度的单窗算法)；L6为遥感器接收的辐射强度。1.1.7遥感器接收的辐射强度计算L6=(15.303-1.238)*b1/255.0+1.238(覃志豪，用陆地卫星TM6数据演算地表温度的单窗算法)；b1为第六波段像元灰度值(DN值)。LMAX_BAND6=15.303LMIN_BAND6=1.2381.2.1研究区示意图1.2.2计算L6ENVI->BasicTools->BandMath在Enteranexpression中输入(15.303-1.238)*b1/255.0+1.238,点击AddtoList.选中刚才输入的公式，点击OK。选中B1变量，在AvailableBandsList中选Band6，保存文件名为L6,点击OK。1.2.3计算T6(同计算L6,只是计算公式不同)。1.2.4计算C6(同计算L6,只是计算公式不同)。1.2.5计算D6(同计算L6,只是计算公式不同)。1.2.36计算Ts同计算C6相同，在Enteranexpression中输入：(((-67.355351*(1-b1-b2)+(0.458606*(1-b1-b2)+b1+b2)*b3-b2*292.15753)/b1-273.15))，点击AddtoList.选中b1变量，在AvailableBandsList中选择C6，选中b2变量，在AvailableBandsList中选择D6，选中b3变量，在AvailableBandsList中选择T6，保存文件名为Ts，点击OK。1.3.1灰度图像1.3.2密度分割后图像二：单通道算法2・1实验原理2.1.1单通道算法模型为：Ts=r*[(y1*L6+y2)/e6+y3]+t2.1.2大气平均作用温度Ta的近似估计温度换算：T=t+273.15本图为7月份拍摄，对于中纬度夏季平均大气Ta=16.0110+0.92621T0取乌鲁木齐市平均气温为25摄氏度时Ta=312.157532.1.3大气透射率t6的估计t6=0.974290-0.08007w,0.4<w<1a6w为水分含量，单位(g/cm2)，这里，取w=1.0,计算得到t6=0.894222.1.4地表比辐射率的估计典型地表类型的比辐射率ew=0.995ev=0.986em=0.970Pv=[(NDVI-NDVIs)/(NDVIv-NDVIs)]2NDVI为归一化植被指数，取NDVIv=0.70和NDVIs=0(分别取自5%及95%数据)esurface=0.9625+0.0614Pv-0.0461PvA22.1.5像元亮度温度计算T6=K2/ln(1+K1/L6)其中：K1=607.76，K2=1260.56(覃志豪，用陆地卫星TM6数据演算地表温度的单窗算法)；L6为遥感器接收的辐射强度。2.1.6遥感器接收的辐射强度计算L6=(15.303-1.238)*b1/255.0+1.238(覃志豪，用陆地卫星TM6数据演算地表温度的单窗算法)；b1为第六波段像元灰度值(DN值)。LMAX_BAND6=15.303LMIN_BAND6=1.238单通道算法模型表达式中，Ts是陆地表面温度，L6是卫星高度上遥感传感器测得的辐射强度(W・m_2・sr_1・m_1),e6是地表发射率；r,t,y1,y2,y3是中间变量，分别由以下公式计算:R=1/[(c2*L6/T6"2)*(入"4*L6/c1+1/入)]y1=0.14714w"2-0.15583w+1.1234=1.11471y2=-1.1836w"2-0.37607w-0.52894=0.27859y3=-0.04554w”2+1.8719w-0.39071=1.43565t=T6-r*L6其中，C1和C2是Plank函数的常量，C1=1.19104X10"8W*um4,m-2•sr-1,C2=14387.7um・K;T6是卫星高度上传感器所探测到的像元亮度温度，单位为K;入是有效作用波长，TM6有效作用波长为11.457um;w为大气水分含量在此我们也取可=取w=1.02.2操作步骤研究区示意图2.2.1计算L6在单窗算法中我们已经具体说明，在此请参阅基于TM单窗算法反演地表温度文本。2.2.2T6e6的求算T6同理。e6同理。2.2.3计算R在BandMath中编写1/[(14387.7*L6/T6"2)*(11.457"4*L6/1.19104X10"8+1/11.457)]选中bl变量，在AvailableBandsList中选择L6,选中b2变量，在AvailableBandsList中选择T6,保存文件为R。2.2.4计算t在BandMath中编写(b1-b2*b3)选中b1变量，在AvailableBandsList中选择T6,选中b2变量，在AvailableBandsList中选择R，选中b3变量，在AvailableBandsList中选择L6，保存文件名为Ts，点击OK。2.3.1温度反演灰度图像操作过程中许多未知参数大都取参考值，所以可能不能很准确的表示真实地表温度，在日后的学习过程中，需要收集更多的资料做好温度反演。2.3.2密度分割后的图像三：辐射方程3.1实验过程3.1.1数据准备热红外数据使用的是TM6，我们需要已经经过大气校正，几何校正，传感器定标的剪裁好的TM影像，以及由次影像生成的NDVI图像。3.1.2地表比辐射率的估计典型地表类型的比辐射率ew=0.995ev=0.986em=0.970Pv=[(NDVI-NDVIs)/(NDVIv-NDVIs)]2NDVI为归一化植被指数，取NDVIv=0.70和NDVIs=0(分别取自5%及95%数据)esurface=0.9625+0.0614Pv-0.0461PvA2具体操作步骤与其他两种算法一直，在BandMath中编写即可。3.1.3计算同温度下黑体的辐射亮度值Lx=[e6B(Ts)+(1-e6)I6〜]t6+I6_其中e6是地表辐射率。B(Ts)为普朗克定律推导得到的黑体在Ts的热辐射亮度。I6〜和【6_分别是大气在TM6波段区间内的向上和向下热辐射强度。Ts是地表真是温度。t6为透射度。则B(Ts)=[Lx-I6~-t6(1-e6)I6_]/t6e6上式中所需要的参数可以通过各种数学模型进行计算，也可以在NASA官网(/)进行查询，本次试验中，我们取t6=0.89422，I6〜=3.39W/(m2*sr*um)，I6_=5.12W/(m2*sr*um)。在BandMath中编写(b2-3.39-0.89422*(1-b1)*5.12)/(0.89422*b1)其中b1为比辐射率e6。b2表示红外波段大气校正后的辐射定标值。注:辐射定标由于ENVI4.5中有专门进行辐射定标的模块，因此实际的操作十分简单。将原始TM影像打开以后，选择BasicTools-Preprocessing-CalibrationUtilities-LandsatTM进入下一步参数选择：根据传感器类型选择Landsat4,5或者7。从遥感影像的头文件中获取DataAcquisition的时间，Sunelevationo如果你是用File-OpenExternalFile-Landsat-Fast的方法打开header.dat(头文件)的话，sun