热红外图像地表温度反演

地表温度与近地表气温热红外遥感反演方法研究一、本文概述本文旨在探讨和研究地表温度与近地表气温的热红外遥感反演方法。

随着遥感技术的快速发展，热红外遥感已成为获取地表温度信息的重要手段。

地表温度是地球表面与大气之间热交换过程的关键参数，对于理解地表能量平衡、气候变化、城市热岛效应等具有重要意义。

近地表气温作为地表与大气层之间的重要参数，对气象学、气候学、环境科学等领域的研究也具有重要作用。

本文将首先介绍热红外遥感的基本原理和方法，包括热红外辐射的基础理论、遥感传感器的选择和使用、遥感数据的获取和处理等。

在此基础上，我们将详细阐述地表温度和近地表气温的热红外遥感反演方法，包括遥感图像的预处理、辐射定标、大气校正、温度反演等步骤。

我们还将探讨不同反演方法的优缺点和适用范围，以及在实际应用中可能遇到的问题和解决方案。

本文还将对地表温度和近地表气温热红外遥感反演方法的应用进行综述，包括在气象学、气候学、环境科学、城市规划等领域的应用案例和研究成果。

通过本文的研究，旨在为相关领域的研究人员提供有益的参考和借鉴，推动热红外遥感反演技术的发展和应用。

二、理论框架与基本原理地表温度与近地表气温热红外遥感反演方法研究的理论框架主要基于热红外辐射传输理论、地表能量平衡原理和遥感反演算法。

这些理论共同构成了从卫星或航空遥感平台获取的热红外数据到地表温度或近地表气温的转换过程。

热红外辐射传输理论描述了热红外辐射在大气中的传播和与地表相互作用的过程，是遥感反演地表温度的基础。

地表能量平衡原理则提供了地表与大气之间能量交换的理论依据，是理解地表温度动态变化的关键。

遥感反演算法则是根据热红外数据和大气参数，结合辐射传输模型和地表能量平衡模型，反演出地表温度或近地表气温的方法。

在热红外遥感中，地表和大气发射的热红外辐射包含了丰富的温度信息。

地表温度可以通过测量地表发射的热红外辐射强度，结合大气参数和地表发射率，利用辐射传输方程求解得到。

热红外遥感（Infrared Remote Sensing）是指传感器工作波段限于红外波段范围之内的遥感。

即利用星载或机载传感器收集、记录地物的热红外信息，并利用这种热红外信息来识别地物和反演地表参数如温度、湿度和热惯量等。

目前有很多的卫星携带了热红外传感器，包括ASTER、AVHRR、MODIS、TM/ETM+/ TIRS等。

目前，地表温度反演算法主要有以下三种：大气校正法（也称为辐射传输方程：Radiative Transfer Equation——RTE）、单通道算法和分裂窗算法。

本实例是基于大气校正法，利用Landsat8 TIRS反演地表温度。

基本原理：首先估计大气对地表热辐射的影响, 然后把这部分大气影响从卫星传感器所观测到的热辐射总量中减去, 从而得到地表热辐射强度, 再把这一热辐射强度转化为相应的地表温度。

具体实现为：卫星传感器接收到的热红外辐射亮度值Lλ由三部分组成：大气向上辐射亮度L↑，地面的真实辐射亮度经过大气层之后到达卫星传感器的能量；大气向下辐射到达地面后反射的能量。

卫星传感器接收到的热红外辐射亮度值Lλ的表达式可写为（辐射传输方程）：Lλ = [εB(T S) + (1-ε)L↓]τ+ L↑（1.1）式中，ε为地表比辐射率，T S为地表真实温度(K)，B(T S)为黑体热辐射亮度，τ为大气在热红外波段的透过率。

则温度为T的黑体在热红外波段的辐射亮度B(T S)为：B(T S) = [Lλ - L↑- τ(1-ε)L↓]/τε（1.2）T s可以用普朗克公式的函数获取。

T S = K2/ln(K1/ B(T S)+ 1) （1.3）对于TM，K1 =607.76 W/(m2*µm*sr)，K2 =1260.56K。

对于ETM+，K1=666.09 W/(m2*µm*sr)，K2 =1282.71K。

对于TIRS Band10，K1= 774.89 W/(m2*µm*sr)，K2 = 1321.08K。

地表温度反演目录一：单窗算法 (3)1.1实验原理 (3)1.1.1TM/ETM波段的热辐射传导方程： (3)1.1.2化简后最终的单窗体算法模型为： (3)1.1.3大气平均作用温度Ta的近似估计 (3)1.1.4大气透射率t6的估计 (3)1.1.5地表比辐射率的估计 (4)1.1.6像元亮度温度计算 (4)1.1.7遥感器接收的辐射强度计算 (4)1.2操作步骤 (5)1.2.1研究区示意图 (5)1.3实验结果 (7)1.3.1灰度图像 (7)1.3.2密度分割后图像 (7)二：单通道算法 (8)2.1实验原理 (8)2.1.1单通道算法模型为： (8)2.1.2大气平均作用温度Ta的近似估计 (8)2.1.3大气透射率t6的估计 (8)2.1.5像元亮度温度计算 (8)2.1.6遥感器接收的辐射强度计算 (9)2.2操作步骤 (9)研究区示意图 (9)2.2.1计算L6 (10)2.2.2T6e6的求算 (10)2.2.3计算R (10)2.2.4计算t (10)2.3实验结果 (11)2.3.1温度反演灰度图像 (11)2.3.2密度分割后的图像 (11)三：辐射方程 (12)3.1实验过程 (12)3.1.1数据准备 (12)3.1.2地表比辐射率的估计 (12)3.1.3计算同温度下黑体的辐射亮度值 (12)3.1.4反演地表温度 (13)3.2温度反演结果 (13)一：单窗算法1.1实验原理1.1.1TM/ETM波段的热辐射传导方程：B6(T6)=t6(q)[ ε6B6(Ts)+(1-ε6)I6~]+I6_Ts是地表温度；T6是TM6的亮度温度；t6是大气透射率；ε6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I6_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计算Ts（地表温度）：Ts={a(1-C-D)+[b(1-C-D)+C+D]T6-DTa}/C式中C6=τ6ε6(ε6为比辐射率，τ6为透射率）D6=(1-τ6)[1+t6(1-ε6)]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9月份拍摄，对于中纬度夏季平均大气Ta=16.0110+0.92621T0取平均气温为25摄氏度时Ta = 312.157531.1.4大气透射率τ6的估计τ6=0.974290-0.08007w，0.4≤w≤1.6。

基本原理一)地表反射率是指地表物体向各个方向上反射的太阳总辐射通量与到达该物体表面上的总辐射通量之比。

反照率可以通过遥感成像提供的辐射亮度值L 或反照率p ，二向性反射率分布函数BRDF 来获得：地物反射率的光谱特征差异是从遥感影像中识别地表不同类型地物的基本依据，也是地表其他各种物理、生物物理参数反演的依据地表。

地表反射率的计算步骤：1、辐射定标：根据遥感影像DN 值计算到达传感器的各波段辐射亮度也就是将传感器记录的辐射量化值（Digital Number ，DN ）转换成绝对辐射亮度值、表观反射率，或者表观温度的过程。

绝对定标：通过各种标准辐射源，建立辐射亮度值与辐射量化值（DN ）之间的定量关系式中，辐射亮度值L 的常用单位为W/(m2.μm.sr)，或者μW/(cm2.nm.sr) 。

1W/(m2.μm.sr)=0.1 μW/(cm2.nm.sr)2、各波段表观反射率计算3、大气辐射校正（ENVI FLAASH/QUAC ）绝对大气辐射校正：消除大气辐射衰减效应，将遥感影像的DN 值转换为地表反射率、辐亮度、地表温度等的方法，此过程包含了辐射定标。

相对大气辐射校正：将遥感影像的DN 值转换为类似的整型数，同时消除大气辐射衰减效应。

FLAASH 是用数学建模辐射的物理行为，纠正波长在可见光至近红外和短波红外区域，最多3微米。

（对于热地区，使用基本工具>预处理>校准工具>热大气压校正菜单选项。

）不同于预先计算模拟结果的数据库内插辐射传输特性许多其他大气校正程序， FLAASH 采用了MODTRAN4辐射传输代码。

MODTRAN4并入ENVI FLAASH 的版本被修改，以校正在HITRAN -96水行参数的误差。

可以选择任何一种标准MODTRAN 大气模型和气溶胶类型，FLAASH 还包括以下功能：校正邻近效应（像素混合是由于表面反射辐射的散射） 计算场景的平均能见度（气溶胶/雾量）。

基于辐射传输方程的Landsat数据地表温度反演教程二 4r据准备Landsa 8遥感影像数据一景，本教程以重庆市2015年7月26日的=行列号为 (128 , 049 )影像(LC81280402016208LGN00 )为例。

同时需提前查询影像的基本信息(详见下表)标识日期采集时间中心经度中心纬度LC81280402016208LGN00 2016/7/263:26:56106.1128830.30647..... .....注：基本信息在影像头文件中均可查询到，采集时间为格林尼治时间。

二、地表温度反演的总体流程三、具体步骤1、辐射定标地表温度反演主要包括两部分，一是对热红外数据，二是多光谱数据进行辐射定标。

（1）热红外数据辐射定标 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 Infraredl ( 10.9 )，打开 Radiometric Calibration 面板。

申 口 E adar,2i R adioietric Correeti -an j -45 AOU 厅 GS5& Offset [R J At-Qi 5PhEric: Corre 匚tiQii Hodule*口 FLAJiSH ATi^sptieric Carrecliflin.->£011 <0£ 4tgRphETlc Correctlen (QQACJ-tJiZalihratE A7HRH। oji^alnhratE TTMSI -+rCrcga-rrac ：k nii^rilnatim. C^rr&ctifln#3 Lar 上 Gublraction। 4J EW0R.T PoliihlnE-43 EnlEalvlty 占 1曲"HcaidiKilg-ilJ^niissivi tj nor&alizal Lcci41 Enisflivity Rrferen-ie Channel4r ：Eniplrlcs.l LLne Calibrate lilstine "tl'Enpirica] Line C^ipul e Factors Fltid. CaJ.lbrH.-tl on.♦J 1 I&R Re£l iseta^e CalltiralloD. 口匚 Rrjd dual:; CalibrationRadioietric Lialihr^tioTi+3 Itiernal AtiostiferK! Correct IonI 'Raj ter Tana-zeient-Csrruwt Complex Dala/ C^nrart laterleaw9^ Create C&ordinate Sys ten S trLns ^Create EJi'H Meta File加 Data Vlcftr.1 Liat a _Gpe c L fL c UtLlitii-sff Cestripe明 EflVI Qjtue natiagcr（2）多光谱数据辐射定标 选择要校正的多光谱数据“LC81230322013132LGN02_MTL_MultiSpectral进行辐射定标。

ENVI下利用ETM+数据反演地表温度地表温度作为地球环境分析的重要指标，而遥感技术作为现代重要的对地观测手段，使得基于遥感图像的地表温度反演的研究越来越多。

主要的地表温度反演方法有：大气校正法，单窗算法，单通道法等等。

本文介绍用辐射传输方程法对地表温度进行反演。

技术流程：例子数据为2002年9月2日的襄樊市Landsat ETM+数据。

根据数据的特点以及地表温度反演研究的技术要求，采用的技术路线为：先对Landsat ETM+数据进行预处理：数据读取、辐射定标、大气校正、襄樊区域裁剪，利用大气校正，即：辐射传输方程法对其影像热红外波段数据进行操作反演，实现襄樊市地区的地表真实温度的反演研究。

具体的处理流程如下：具体的实现步骤如下：第一步：准备数据热红外数据使用的是Landsat的第六波段，已经做了传感器定标、几何校正、工程区裁剪，详细流程参考上面的流程图。

文件为TM6-rad-subset-jz-xiangfan.img。

由TM影像（已经过大气校正）生成的NDVI数据，已经利用主菜单->BasicTools->Resize Data（SFatial/SFectral）重采样为60米分辨率，与TMi6数据保持一致，文件名为：TM-NDVI-60m.img。

第二步：地表比辐射率计算物体的比辐射率是物体向外辐射电磁波的能力表征。

它不仅依赖于地表物体的组成，而且与物体的表面状态(表面粗糙度等)及物理性质(介电常数、含水量等)有关，并随着所测定的波长和观测角度等因素有关。

在大尺度上对比辐射率精确测量的难度很大，目前只是基于某些假设获得比辐射率的相对值，本文主要根据可见光和近红外光谱信息来估计比辐射率。

(一)植被覆盖度计算计算植被覆盖度Fv采用的是混合像元分解法，将整景影像的地类大致分为水体、植被和建筑，具体的计算公式如下：F V = (NDVI- NDVI S)／(NDVI V - NDVI S) （2）其中，NDVI为归一化差异植被指数，取NDVI V = 0.70和NDVI S = 0.00，且有，当某个像元的NDVI大于0.70时，F V取值为1；当NDVI小于0.00，F V取值为0。

遥感原理与及应用地表温度反演实验报告专业：地理信息系统班级： XXXXXXXX姓名： XXX学号： XXXXXX成绩：指导教师： XXX2014年12月17日一. 实验目的1. 根据实际需要，学会在网上（如中国科学院遥感与数字地球研究所数据共享网）下载研究区内的遥感数据；2. 掌握在ENVI中实现简单的地表温度反演的原理与步骤。

二. 实验任务1. 在中国科学院遥感与数字地球研究所数据共享网上订购并下载覆盖郫县的TM影像；2. 在ENVI中实现简单的地表温度反演算法。

三. 实验数据在中国科学院遥感与数字地球研究所数据共享网上下载的覆盖郫县地区的TM影像。

四. 实验原理图1 TM 影像地表温度反演流程1. 地表温度(Land Surface Temperature)反演公式为:21(1)K LST K In R ε=+，其中，R m DN d =⨯+，2111607.76K W m sr m μ---=⋅⋅⋅，21260.56K K =。

2. 根据TM 辐射定标原理，热红外波段表观辐亮度可以进一步写作:max min 6min 255L L R DN L -=⨯+，其中LmaxBand6=15.303 , LminBand6=1.238。

3. 地表比辐射率ε为同温度下地表辐射能与黑体辐射能的比率，其可以表示为:1.0090.047(In )(0)NDVI NDVI ε=+>，其中，4343TM TM NDVI TM TM -=+，当0NDVI <=时(如水体)地表比辐射率取常数1。

五. 实验步骤1. TM 数据下载数据查询和下载网址/query.html ，界面如图2所示。

图2 中国科学院遥感与数字地球研究所数据共享网址界面图3 支持的数据查询条件界面在查询条件中选中“行政区”空间条件，选择中国四川成都市郫县，并且在卫星选择条件中勾选Landsat 5、Landsat 7和Landsat 8，然后确认开始查询数据，出现如图4所示的查询结果页面。