干旱/半干旱区MODIS地表温度反演与验证研究

劈窗算法是目前热红外遥感反演地表温度最常用的方法,根据Coll提出的劈窗算法建立基于MODIS适用干旱/半干旱区地表温度反演算法,并用同期的LP DAAC发布的MODIS地表温度产品和相应的53个气象站点的实际观测数据进行验证。通过分析,模型的反演精度与MODIS地表温度产品的反演精度相当,与气象观测数据相一致,反演精度较好,能够较精确地反演干旱/半干旱地区地表温度的时空变化特征。     

高寒山区地表温度反演算法对比——以疏勒河上游流域为例

针对高寒山区地表温度遥感反演误差较大的问题,对比了三种地表温度算法在疏勒河上游流域的适用性。利用2009~2011年9景Landsat-5TM影像和气象数据,对疏勒河上游高寒山区的地表温度进行了反演。地表实测数据与三种地表温度算法及三种比辐射率计算方案下的反演结果进行对比检验的结果表明:辐射传输方程和普适性单通道算法的反演结果均高于实测值,单窗算法的误差最小,采用单窗地表温度算法结合覃志豪等的比辐射率计算方案反演的地表温度与实测结果的一致性最好。对2010年6月9日的不同下垫面类型的地表温度的空间分布分析结果表明,优化组合的地表温度算法反演的地表温度能够反映疏勒河上游山区不同地物的地表温度差别。     

基于Landsat8的地表温度反演算法研究——以滇池流域为例

2013年2月11日Landsat 8在加州范德堡空军基地发射升空,其携带的热红外传感器为反演地表温度提供了一种新的数据,但目前尚没有针对Landsat 8热红外波段反演地表温度的算法。针对Landsat 8第10波段特征,对现有反演地表温度的单窗算法进行了参数修正,得到了用Landsat 8第10波段反演地表温度的单窗算法系数。为了评价修正后算法的精度,用MODTRAN模拟地表温度为20、30和40℃时大气水汽含量分别为1.0、1.5、2.0和2.5g·cm-2传感器高度处的热辐射值,再将模拟数据用修正后的单窗算法反演地表温度,结果表明:地表温度越低、大气水汽含量越低,误差越小;模拟结果的平均误差为0.74℃。说明基于Landsat 8第10波段用修正后的单窗算法反演地表温度是可行的,该方法可为地表温度反演提供一种途径。最后以滇池流域为例,基于2013年4月20日的Landsat 8热红外数据反演了滇池流域的地表温度,并分析了滇池流域地表温度的分布特征。     

喀斯特城市地表温度遥感反演算法比较

针对喀斯特城市快速扩展所引发的热环境问题,提出喀斯特山峰混合像元比辐射率估算方法,使Landsat 8遥感数据的地表温度反演算法适用于喀斯特城市,利用5种单通道算法和劈窗算法反演地表温度,分析反演精度和敏感性因子。结果表明:在我国南方喀斯特地区大气水分含量较高的情况下,单通道算法比劈窗算法精度更高,Jimenez单通道算法(JSC)和覃志豪单窗算法(QMW)更适用于喀斯特城市地表温度反演,反演值和实测值的误差在1.0℃内。反演地表温度的统计值以JSC算法与QMW算法相近,平均值的差值为0.26℃,标准差的差值为0.01℃,建筑和裸岩温度平均值的差值分别为0.43℃和0.54℃,高于水体和茂密植被;Jimenez劈窗算法与Rozenstein劈窗算法相近,平均值的差值为1.14℃,标准差的差值为0.19℃;Weng单通道算法在劈窗算法与JSC和QMW算法之间。各算法对比辐射率ε较敏感,ε每增加0.01,地表温度反演值误差增加0.4～0.7℃;除QMW算法反演值随近地面气温每增加1.0℃而引入近0.5℃误差外,各算法对近地面气温、大气总水分含量、大气透射率的敏感性相对较低。研究结果可为喀斯特城市热环境监测提供科学依据。     

基于劈窗算法的Landsat 8影像地表温度反演

陆地表面温度（LST）是表征地表能量交换和地面特征的重要指标,目前遥感技术逐渐成为区域和全球尺度上LST反演的一种便捷工具,而采样不同算法及不同影像的热红外遥感LST反演研究层出不穷,其中基于Landsat数据的反演成果尤为突出。文章利用劈窗算法对Landsat 8遥感影像进行地表温度反演,对比探讨了根据经验值与借助MODIS热红外数据两种不同方式的LST反演结果,并进行北京市热红外波段辐射亮度温度比较,针对地表温度分级进行统计,分析了当地地表温度分布趋势。结果表明：劈窗算法下Landsat 8数据的反演温度更接近实际温度,精度较高且优于MODIS产品;北京市地表温度空间分布格局受地物结构与反射率所制约,高温区主要集中分布于中东部,中低温区分布与林地及水体分布结构较为吻合。     

基于Landsat系列数据地表温度反演算法对比分析——以齐齐哈尔市辖区为例

Landsat热红外系列数据是地表温度反演的一项重要数据源。以齐齐哈尔市辖区为研究区域,基于2002、2008和2016年Landsat TM/ETM+/TIRS系列数据,分别采用单窗算法(MW算法)、单通道算法(SC算法)和辐射传输方程法(RTE算法)进行地表温度反演及对比分析,并利用MODIS地表温度产品对反演结果进行精度验证。结果表明:(1)基于Landsat系列数据,3种算法反演得到的地表温度的空间分布状况一致,总体上市区地表温度较高,水体区域温度最低;(2)基于ETM+数据,SC和RTE算法结果一致性较好,其中SC算法精度最高,MW算法在不同地物覆被区误差均较大;(3)MW算法基于TM数据反演精度最高,RTE算法次之,SC算法较差;(4)基于Landsat 8TIRS数据,SC算法精度最高,RTE算法误差较大。     

基于空间建模的南京地区ETM＋遥感影像地表温度反演研究

根据2000年6月南京地区的Landsat 7 ETM 影像利用单窗算法和单通道算法两种反演方法,在ERDAS的空间建模模块中进行地表温度的反演,并对两种算法的反演结果进行了对比分析.结果表明:两种算法反演的地表温度总体比较接近,但单通道算法反演的结果要高一些,平均比单窗算法高1.29℃;两种算法反演的结果都比亮度温度高,其中,单窗算法比亮温高1.68℃,而单通道算法的这一差值为5.74℃.     

利用TM6数据反演陆地表面温度新算法研究

陆地表面温度(LST)反演一直是热红外遥感研究中的一大难题。虽然TM 6数据具有较高的空间分辨率(120 m),但由于只有一个热通道,要得到地表真实温度,原来需要利用辐射传输方程的方法,实时资料的缺乏限制了该方法的应用。因而由TM 6数据得到的通常都是星上亮度温度,而星上亮度温度与实际地表温度差距较大,因此,其反演的温度精度不高。而单窗算法和普适性单通道算法的提出为从TM 6数据较高精度地反演陆地表面温度提供了可能。分析和研究了这两个新的单通道温度反演算法,并针对北京市的实际情况,利用2005年5月6日的TM数据对北京市的陆地表面温度进行了反演,并用实地测量数据进行了比较验证。结果表明这两种温度反演算法都取得了较高的精度,它们的rm sd值分别为1.38°和2.18°。     

基于Landsat 8数据的3种地表温度反演算法在三河坝流域的对比分析

采用辐射传输方程法(RTE)、单窗算法(MW)和单通道算法(SC)3种算法及相关参数,结合三河坝流域数据对TIRS10/Landsat 8遥感数据反演的地表温度(LST)进行研究和分析,并对MW算法中的参数进行了修正。输出了流域LST灰度图和密度分割图,LST的直方图和交叉验证散点图用于LST反演算法结果的比较。3种算法计算LST的像元值线性拟合程度类似,空间分布一致,其中RTE与SC算法精度接近一致差值在0~0.05K区间范围内,MW算法的LST偏高于其他2种算法差值在0~1.27K区间范围内。对该流域不同土地覆盖类型的地表温度进行比较,反演结果可有效根据不同土地覆盖类型反演出地表热场细部结构,显示地表温度的细节信息。将这3种算法获取的LST值与MODIS LST产品值进行比较,结果表明两者之间显著相关,有较高的一致性。通过3种反演LST算法对TIRS10/Landsat 8遥感数据进行细致和精确的分析,为其他热红外波段卫星数据反演LST的算法提供一定的参考,通过对不同土地覆盖类型LST的评价与比较,也为后续提高LST反演精度提供依据。     

基于MODIS 影像数据的劈窗算法研究及其参数确定

劈窗算法是目前由热红外遥感数据获取陆面温度的主要方法。在介绍劈窗算法的一般表现形式的基础上, 我们推导出适合于MOD IS 影像数据的劈窗算法。大气透过率和地表比辐射率是求解地表温度的两个关键参数。由于MOD IS 图像分辨率较低,MOD IS 像元主要由水面、植被和裸土3种地物类型构成, 故可依据这3 种地物的构成比例确定地表比辐射率。从遥感影像上反演大气的水汽含量, 再根据大气水汽含量与大气透过率的关系计算出大气透过率。最后将文中推导的劈窗算法用于江苏省地表温度的反演。反演出来的地表温度图显示出明显的地表温度空间差异、城市热岛效应和不同的地物类型。     

Improvements in land surface temperature retrieval based on atmospheric water vapour content and atmospheric temperature

Three methods are currently used to retrieve land surface temperatures (LSTs) from thermal infrared data supplied by the Thematic Mapper (TM) and Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) sensors: the radiative transfer equation, mono-window, and generalized single-channel algorithms. Most retrieval results obtained using these three methods have an average error of more than 1 K. But if the regional mean atmospheric water vapour content and temperature are supplied by in situ radiosounding observations, the mono-window algorithm is able to provide better results, with a mean error of 0.5 K. However, there are no in situ radiosounding data for most regions. This article provides an improved method to retrieve LST from Landsat TM and ETM+ data using atmospheric water vapour content and atmospheric temperature, which can be obtained from remote-sensing data. The atmospheric water vapour content at the pixel scale was first calculated from Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) data. The emissivities of various land covers and uses were then defined by Landsat TM or ETM+ data. In addition, the temperature–vegetation index method was applied to map area-wide instantaneous near-surface air temperatures. The parameters of mean atmospheric water vapour content and temperature and land surface emissivity were finally inputted to the mono-window algorithm to improve the LST retrieval precision. Our results indicate that this improved mono-window algorithm gave a significantly better retrieval of the estimated LST than that using the standard mono-window algorithm, not only in dry and elevated mountain regions but also in humid regions, as shown by the bias, standard deviation (σ), and root mean square deviation (RMSD). In Madoi County, the improved mono-window algorithm validated against the LST values measured in situ produced a bias and RMSD of –0.63 K and 0.91 K, respectively, compared with the mono-window algorithm’s bias and RMSD of –1.08 K and 1.27 K. Validated against the radiance-based method, the improved algorithm shows bias and RMSD values of –1.08 K and 1.27 K, respectively, compared with the initial algorithm’s bias and RMSD –1.65 K and 1.75 K. Additionally, the improved mono-window algorithm also appeared to be more accurate than the mono-window algorithm, with lower error values when validated against in situ measurement and the radiance-based method in the validation area in Zhangye City, Gansu Province, China. Remarkable LST accuracy improvements are shown by the improved mono-window algorithm, with better agreement not only with the in situ measurements but also with the simulated LSTs in the two validation areas, indicating the soundness and suitability of this method.     

基于Landsat-5 TM 估算地表温度

基于Landsat25 TM 的热红外波段(6 波段) 数据, 运用覃志豪的单窗算法估算了张掖绿洲地区的地表温度, 结果表明沙漠和戈壁的地表温度最高, 水体和绿洲的温度最低, 估算的地表温度的结果符合地表水热关系。因此, 这种方法能较好地反演出张掖绿洲地表温度的分布状况。     

基于Landsat-5 TM的洪河湿地地表温度估算方法对比研究

利用洪河湿地2008年5月15日过境的Landsat/TM图像和实测地面数据以及MODIS 地表发射率数据,分别运用大气辐射传输模型、覃志豪的单窗算法和Jimenez\|Munoz & Sobrino 的单波段算法估算洪河湿地的地表温度,并且对比了大气校正前后的NDVI、LSE以及各种算法估算地表温度的差异。分析估算结果表明,覃志豪的单窗算法与实测地面数据估算结果非常一致。指出在没有实时探空数据的情况下,应用只有一个热红外通道的Landsat/TM数据源,采用覃志豪的单窗算法估算的精度是可以接受的。     

基于ETM数据的佳木斯市地热预测研究

热红外遥感技术是地热资源调查的有效途径之一。在佳木斯市地热调查研究中,利用ETM热红外波段数据和相应的气象资料,采用单窗算法,反演佳木斯地表温度,分析了地表温度的空间分布特征和热异常状况。研究结果表明,佳木斯市区北东东约30km处存在明显的地表温度异常区,且异常区分布与隐伏断裂构造的分布有较好的对应关系,此区域为寻找地热资源的有利区域。     

Land surface temperature retrieval from LANDSAT TM 5

In this paper, three methods to retrieve the land surface temperature (LST) from thermal infrared data supplied by band 6 of the Thematic Mapper (TM) sensor onboard the Landsat 5 satellite are compared. The first of them lies on the estimation of the land surface temperature from the radiative transfer equation using in situ radiosounding data. The others two are the mono-window algorithm developed by Qin et al. [International Journal of Remote Sensing 22 (2001) 3719] and the single-channel algorithm developed by Jiménez-Muñoz and Sobrino [Journal of Geophysical Research 108 (2003)]. The land surface emissivity (LSE) values needed in order to apply these methods have been estimated from a methodology that uses the visible and near infrared bands. Finally, we present a comparison between the LST measured in situ and the retrieved by the algorithms over an agricultural region of Spain (La Plana de Requena-Utiel). The results show a root mean square deviation (rmsd) of 0.009 for emissivity and lower than 1 K for land surface temperature when the Jiménez-Muñoz algorithm is used.     

A C++ program for retrieving land surface temperature from the data of Landsat TM/ETM+ band6

A C++ language-based software tool for retrieving land surface temperature (LST) from the data of Landsat TM/ETM+ band6 is developed. It has two main functional modules: (1) Three methods to compute the ground emissivity based on land use/cover classification image, NDVI image and the ratio values of vegetation and bare ground and (2) Converting digital numbers (DNs) from TM/ETM+ band6 to LST. In the software tool, Qin et al.'s mono-window algorithm and Jiménez-Muňoz and Sobrino's single channel algorithm are programmed to retrieve LST. It will be a useful software tool to study the thermal environment of ground surface or the energy balance between the ground and the bottom atmosphere by using the thermal band of Landsat TM/ETM+.     

使用单窗算法研究北京城区热岛效应

随着全球变暖和城市化进程的加快,大城市城区的热岛效应日益严重。城市下垫面对地表能量交换的影响巨大,引起地表温度分布的不均一性。遥感技术的发展为地表温度的反演提供了可能。近年来人们使用劈窗算法对均一的海面温度的反演很成功,但是受空间分辨率的限制以及陆面的不均一性,陆面温度的反演一直是一个没有解决好的问题。覃志豪提出了一种TM热红外波段单窗算法,可以利用辅助气象资料快速计算出地表温度。本文以北京市城区为研究区,采用LandsetETM第6波段的单窗算法,反演了亮度温度和地表实际温度,分析了城市下垫面情况下NDVI与地表温度的相关关系,并解释了北京城区热岛在空间上的分布及其可能的原因。结果表明:北京市城区热岛效应显著;地表温度与NDVI相关性显著;城区绿地和水体在区域的温度分布中起到重要作用。     

基于遥感的土地利用空间格局分布与地表温度的关系

近年由于经济的高速发展,土地利用与覆盖变化很大,促使城市的地表温度值正在逐步升高,城市热岛现象也更加突出。先利用监督分类的最大似然算法对武汉市的ETM影像进行分类,并计算各土地利用类型空间格局分布指数。然后用ETM热红外波段根据单窗算法反演武汉市的地表温度分布,并分别计算各土地利用类型的平均地表温度。最后利用灰色相关分析方法定量分析土地利用空间格局分布指数对地表温度的影响。结果表明武汉市土地利用类型的空间格局分布指数与地表温度有较好的相关性,其中地表温度与散布与并列指数(IJI)、同类斑块相邻百分数指数(PLADJ)和最大斑块所占景观面积比例指数(LPI)的灰色关联度较高,说明地表温度的分布不仅受到各类型斑块与其它斑块相邻情况的影响较大,还受到最大斑块所占的总土地面积比例的影响。     

地表温度遥感中大气平均作用温度估算模型研究

大气平均作用温度Ta是地表温度遥感单窗算法中一个关键的参数,利用2008~2011年全国123个探空站点资料,针对大气水汽量的垂直分布特征,分析了利用近地层气温T0估算大气有效平均温度的可行性;进一步分析了T0和Ta之间的相关性,建立了适合我国地区大气平均温度估算的最佳模型Ta=44.97098+0.80512 T0,模型的决定系数R²为0.859,均方根误差为4.198 K。通过对44幅HJ\|1B/IRS热红外图像地温反演的敏感性分析,结果表明:模型估算的Ta用于地表温度反演时的误差为1.734 K;当大气透射率τ很小时,模型估算的Ta误差对地温反演很敏感,较小的估算误差会给地温反演带来很大的误差;随着大气透射率τ的增加,Ta的估算误差对地温反演的敏感性逐渐降低。
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TM热红外波段等效比辐射率估算

地表比辐射率是热红外遥感获取地表温度必不可少的参数。目前,实验室或野外实际测量的都是8~14um热红外波段范围内的地表比辐射率,这与Landsat 5 TM热红外波段10.4~12.5um范围内的地表比辐射率还存在着一定的差异。本文将着重探讨TM热红外范围内地表比辐射率的估算方法,然后根据估算出的地表比辐射率,利用覃志豪等提出的单窗算法[1~2],对北京城八区进行地表温度反演。结果表明,该方法能获得较为合理的地表温度反演结果。