中红外双通道夜间数据地表温度反演方法

地表温度反演是红外定量遥感的核心内容之一.与热红外(8~14μm)数据相比,中红外(3~5μm)波谱区大气透过率更高、对发射率的敏感性更低,在温度反演方面具有独特的优势.引入热红外地表温度反演思路,发展了仅利用夜间中红外双通道数据的地表温度反演算法,分析了宽通道组合(3~4μm和4~5μm)和窄通道组合(3.929~3.989μm和4.020~4.080μm)模式下的温度反演精度以及模型对噪声和发射率的敏感性.结果表明,宽、窄两种通道组合模型的温度反演精度分别为~0.5 K和~0.3 K;噪声等效温差和地表发射率误差对窄通道组合模型的影响更大.     

用HJ-1B卫星数据反演地表温度的修正单通道算法

目前用于地表温度反演的单通道算法主要针对窄视场传感器建立.HJ-1B卫星红外相机为宽视场传感器,其热红外通道(IRS4)观测天顶角可达±33°以上,在地表温度反演时必须剔除传感器观测角度的影响.以大气辐射传输模拟为基础,建立了基于传感器观测天顶角-大气函数系数的修正单通道算法.针对HJ-1B卫星与Terra卫星过境时间...     

短波红外垂直失水指数对大气效应的敏感性分析

在业务应用中,用光学遥感方法反演地表土壤水分时常常会因受到大气效应的影响而降低精度。利用中分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer.MODIS)的卫星观测数据、相应的地表反射率产品以及辐射传输模型模拟方法,评估了短波红外垂直失水指数(Shortwave Infrared Perpendicular Water Stress Index,SPSI)对大气效应的敏感性。结果表明,大气效应会使近红外和短波红外波段的反射率呈线性增加,但对由近红外和短波红外波段组成的光谱特征空间中的典型三角形分布以及像元间几何关系影响较小,能够在一定程度上补偿大气效应对土壤水分反演的影响。因此,在实际的区域化应用中,可以不考虑大气效应给SPSI指数计算及土壤水分反演带来的不确定性,从而简化业务流程。     

基于MODIS数据反演高反射率地区气溶胶光学厚度的方法研究

针对高反射率地区地表反射率难以确定的难点,假设在不同年间同一天相同地物的两个不同波段的比值近似相等的前提下,借助几何光学模型理论,应用MODIS历史产品和数据,即MODIS地表反射率产品(MOD09)、历史MODIS图像第七波段的地表反射率和待反演地区的MODIS第七波段的地表反射率数据计算出待反演地区的MODIS其他波段的地表反射率,然后结合利用6S辐射传输模式计算建立的查找表,可实现待反演区域的气溶胶光学厚度的反演.以北京市区为例,应用该方法实现了北京市区的气溶胶光学厚度反演,并把反演结果与AERONET观测站的结果进行了对比,对比发现该反演方法对亮区域有效,其误差在30％以内.     

基于MODIS红外通道的辐射传输计算

通过建立地气系统的红外辐射传输方程,基于MODIS红外通道进行辐射传输计算.利用快速精确的透过率模型PFAAST计算大气透过率,在红外辐射传输计算中考虑了地面反射大气辐射亮度的影响,指出地面反射大气辐射亮度在整个方程所占比重随着地表发射率变小而增加,其中MODIS第33通道对发射率的改变最为敏感,美国标准大气下,当发射率ε=0.65时,比重达到7.12%,因此,忽略地面反射大气辐射亮度,直接影响红外辐射传输计算的准确性.模拟了MODIS各红外通道辐射亮度,并与MODTRAN4.0模拟结果比较,相对误差不超过0.12%,模拟了大气倾斜路径对卫星红外通道观测亮温的影响.     

沙尘气溶胶对热红外分裂窗通道亮温和地表反演温度的影响研究

沙尘气溶胶通过改变地-气系统的热红外辐射传输可引起地表温度遥感探测结果发生变化.较系统地研究了冬季和夏季沙尘气溶胶光学厚度(AOD)变化对热红外分裂窗通道亮温(BT)和地表反演温度(LST)的影响,以及反演结果受大气水汽和地表因素的作用.红外辐射传输模拟计算表明:1)沙尘气溶胶影响下,热红外分裂窗通道亮温差小于零;2)随AOD增大,BT和LST都减小,其中LST减小的速度大于BT;3)不同水汽含量下LST变化不明显;4)当AOD较大时,LST主要反映沙尘层的温度信息.模拟结果与中国北方典型沙尘实例分析结果有较好的一致性.     

单通道物理法反演海表温度的参数敏感性分析及验证

定量分析了反演海表温度的单通道物理法对海水比辐射率、海面风速、海水盐度、大气透过率、大气上下行辐射等参数的敏感性,发现海水比辐射率、大气透过率对算法精度影响较大,是单通道物理法反演海表温度的主要误差来源.在不同的波段,单通道物理法对参数敏感性也有较大差别,中红外波段的敏感性要小于热红外波段.为了验证单通道物理法的可行性、精度及参数敏感性分析的结果,选择墨西哥湾海域2009年全年夜间MODIS实测数据进行实验.结果表明,中红外波段的单通道物理法反演海表温度的精度高于热红外波段,达到MODIS劈窗算法海表温度标准产品同等精度,这与参数敏感性分析的结果一致.由于中红外波段单通道物理法精度较高,一方面,可以满足常规的业务观测需求,为海表温度反演提供新的技术手段;另一方面,可用来标定劈窗算法系数,弥补海洋现场观测站位空间分布不足的问题.     

山地光学遥感成像仿真的实现

为了进一步提高对山区地表特征的研究精度,为光学遥感摄影等相关工作提供有力参考,基于山地辐射传输方程建立了一个山地光学遥感成像仿真模型.利用辐射传输软件MODTRAN4.0进行辐射计算及大气校正,结合得到的数字方程模型(DEM)数据进行地形参数的计算,以美国资源卫星的多光谱扫描影像(TM)为基础反演得到地表反射率.通过对...     

HJ-1B卫星IRS传感器热红外通道交叉定标

以TERRA卫星中分辨率成像光谱仪(MODIS)传感器热红外通道的星上定标结果为标准,采用交叉定标方法获取HJ-lB卫星红外多光谱相机(IRS)传感器热红外通道定标系数.首先,获取两个传感器的对应通道,利用MODTRAN模拟光谱响应、观测角、大气条件和温度变化对匹配因子的影响.然后确定此研究只考虑对应通道的波谱响应和地表温度差异,并计算出不同地表温度下匹配因子的变化趋势.选择7次不同时间双星同步观测青海湖区域的图像作为交叉定标数据,根据MODIS的辐射亮度和匹配因子计算出IRS传感器热红外通道的辐射亮度,最后,将得到的辐射亮度和DN值进行线性回归,获得IRS热红外通道的定标系数.将此次定标结果与HJ-1B卫星IRS传感器热红外通道星上4次黑体定标结果进行比较,定标结果一致性较好.     

雾中红外辐射传输衰减特性分析

研究雾中红外辐射衰减特性,有助于提高武器装备雾天条件下的红外对抗能力。基于大气辐射传输软件(CART)、Beer-Lambert定律、Mie散射理论和雾滴谱分布函数,计算雾滴粒子群红外辐射透过率,对红外辐射在平流雾和辐射雾中的传输衰减特性进行研究。以近红外辐射1. 064μm、中红外辐射3. 8μm和远红外辐射10. 6μm在轻雾条件下为例,结合3个地区实测数据,分析了能见度、传输距离、入射光波长和晴朗大气透过率计算值对平流雾和辐射雾总透过率的影响。结果显示在轻雾条件下,辐射雾衰减小于平流雾衰减,远红外辐射10. 6μm具有很好的传输性能,地区气象参数不同对其有显著影响。     

A physics-based algorithm for retrieving land-surface emissivityand temperature from EOS/MODIS data

The authors have developed a physics-based land-surface temperature (LST) algorithm for simultaneously retrieving surface band-averaged emissivities and temperatures from day/night pairs of MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) data in seven thermal infrared bands. The set of 14 nonlinear equations in the algorithm is solved with the statistical recession method and the least-squares fit method. This new LST algorithm was tested with simulated MODIS data for 80 sets of hand-averaged emissivities calculated from published spectral data of terrestrial materials in wide ranges of atmospheric and surface temperature conditions. Comprehensive sensitivity and error analysis has been made to evaluate the performance of the new LST algorithm and its dependence on variations in surface emissivity and temperature, upon atmospheric conditions, as well as the noise-equivalent temperature difference (NEΔT) and calibration accuracy specifications of the MODIS Instrument. In cases with a systematic calibration error of 0.5%, the standard deviations of errors in retrieved surface daytime and nighttime temperatures fall between 0.4-0.5 K over a wide range of surface temperatures for mid-latitude summer conditions. The standard deviations of errors in retrieved emissivities in bands 31 and 32 (in the 10-12.5 μm IR spectral window region) are 0.009, and the maximum error in retrieved LST values falls between 2-3 K     

改进的三层分解模型热红外影像空间降尺度研究

地表温度(Land surface temperature,LST)是地-气相互作用和能量交换的重要参数之一.为了获取高空间分辨率地表温度数据,研究改进了一种热红外遥感数据降尺度方法,并以上海市Landsat8 OLI/TIRS影像为数据源进行了实验验证,归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)被分解为低频层、边缘层和细节层,其中边缘层和细节层按比例增加到热红外数据中.并与经典的热红外降尺度方法 Dis Trad算法和Ts HARP算法作为对比,将模拟的地表温度(270 m)作为降尺度数据源实现LST降尺度(90 m).实验结果表明,三种降尺度方法都保留原有的地表温度的空间特征,但Dis Trad算法和Ts HARP算法增加了真实数据中并不存在的温度差异;改进的三层分解模型地表温度的均方根误差为0. 913 K,与Dis Trad方法和Ts HARP算法相比精度分别提高了0. 937 K和0. 832K.     

An optimization algorithm for separating land surface temperatureand emissivity from multispectral thermal infrared imagery

Land surface temperature (LST) and emissivity are important components of land surface modeling and applications. The only practical means of obtaining LST at spatial and temporal resolutions appropriate for most modeling applications is through remote sensing. While the popular split-window method has been widely used to estimate LST, it requires known emissivity values. Multispectral thermal infrared imagery provides us with an excellent opportunity to estimate both LST and emissivity simultaneously, but the difficulty is that a single multispectral thermal measurement with N bands presents N equations in N+1 unknowns (N spectral emissivities and LST). In this study, we developed a general algorithm that can separate land surface emissivity and LST from any multispectral thermal imagery, such as moderate-resolution imaging spectroradiometer (MODIS) and advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer (ASTER) data. The central idea was to establish empirical constraints, and regularization methods were used to estimate both emissivity and LST through an optimization algorithm. It allows us to incorporate any prior knowledge in a formal way, The numerical experiments showed that this algorithm is very effective (more than 43.4% inversion results differed from the actual LST within 0.5°, 70.2% within 1° and 84% within 1.5°), although improvements are still needed     

目标高真实感红外图像生成方法

为满足仿真实验对高真实感目标红外图像的需求,提出了一种基于实测图像与三维数字仿真相结合的红外图像生成方法。通过测量获得物体表面实际辐射分布,以此为基础数据,建立真实温度分布的数学反演模型,生成目标红外纹理。再将纹理映射到几何模型,利用三维渲染技术生成高真实感红外图像。实验结果表明:该方法仿真灵活性高,生成的目标红外特征自然、准确,纹理细节丰富,图像实用性强。     

基于遥感反演的地球红外背景建模

模拟地球红外辐射背景的前提是要获取可靠的全球表面温度。利用卫星遥感数据可以反演得到较精确的地表温度。反演算法采用了应用广泛的分裂窗算法,并将反演结果绘制成了全球表面温度分布图。同时,建立了完整的地球红外辐射亮度模型,考虑不同地域、纬度和季节模式下的大气辐射亮度和大气衰减。通过遥感反演技术与红外辐射建模技术的结合,最终完成了任意波段全球红外辐射背景亮度的计算与图像生成。结果表明:模拟的地球红外辐射图像效果精细,真实反映了地球背景的红外辐射特征,在空间目标的热环境分析,以及空间红外探测与隐身技术的研究等方面具有重要的应用价值。     

基于红外光谱的大气温湿度反演研究进展

大气温湿度廓线是大气热力状态分析、大气发展变化研究、天气过程预警和数值天气预报中关键的基本气象参数。基于红外光谱的 大气温湿度反演方法研究从上世纪60年代开始发展,根据观测位置不同分为地基红外反演方法和天基红外反演方法。总结了红外光谱反 演大气温湿度方法的基本类型,介绍了地基、天基红外探测的大气温湿度廓线反演方法的发展历程,对地基-天基红外探测联合反演大 气温湿度方法进行了分析。最后对基于红外光谱的大气温湿度廓线反演技术在气象中的应用和发展趋势进行了简要的论述。     

A Practical Method for Retrieving Land Surface Temperature From AMSR-E Over the Amazon Forest

Remote sensing of land surface temperature (LST) using infrared (IR) sensors, such as the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), is only capable of retrieval under clear-sky conditions. Such LST observations over tropical forests are very limited due to clouds and rainfall, particularly during the wet season and high atmospheric water-vapor content. In comparison, low-frequency microwave radiances are minimally influenced by meteorological conditions. Exploring this advantage, we have developed an algorithm to retrieve LST over the Amazonian forest. The algorithm uses multifrequency polarized microwave brightness temperatures from the Advanced Microwave Scanning Radiometer on NASA's Earth Observing System (AMSR-E). Relationships between polarization ratio and surface emissivity are established for forested and nonforested areas, such that LST can solely be calculated from microwave radiance. Results are presented over three time scales: at each orbit, daily, and monthly. Results are evaluated by comparing with available air-temperature records on daily and monthly intervals. Our findings indicate that the AMSR-E-derived LST agrees well with in situ measurements. Results during the wet season over the tropical forest suggest that the AMSR-E LST is robust under all-weather conditions and shows higher correlation to meteorological data (r = 0.70) than the IR-based LST approaches (r = 0.42).