一個從viirs數(shù)據(jù)反演地表溫度的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種從NPPVIIRS數(shù)據(jù)獲取地表溫度的方法，可以為氣象、農(nóng)業(yè)旱災(zāi)和環(huán)境監(jiān)測監(jiān)測提供合適的地表溫度數(shù)據(jù)。該方法克服VIIRS傳感器沒有水汽通道限制反演精度的缺點(diǎn)，使用同樣運(yùn)行在太陽同步軌道（將交點(diǎn)時(shí)間13:30）的Aqua衛(wèi)星攜帶的MODIS傳感器水汽數(shù)據(jù)獲取VIIRS數(shù)據(jù)觀測刈幅的水汽數(shù)據(jù)。本發(fā)明推導(dǎo)了適合于VIIRS傳感器11um和12um的地表溫度反演算法，利用大氣輻射傳輸模型MODTRAN4模擬計(jì)算不同大氣水汽（0.4—6.0g/cm2，按0.1g/cm2步長增加）含量下VIIRSM15和M16通道的透過率，制作了相應(yīng)的查找表，通過全球地表類型（InternationalGeosphereBiosphereProgram，IGBP）數(shù)據(jù)估算VIIRS傳感器M15和M16通道對應(yīng)地物的發(fā)射率，最終實(shí)現(xiàn)了地表溫度的反演。本發(fā)明對VIIRS傳感器地表溫度反演進(jìn)行研究，有利于在農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測中使用MODIS數(shù)據(jù)向VIIRS數(shù)據(jù)的平穩(wěn)過渡。
【專利說明】一個從Vl IRS數(shù)據(jù)反演地表溫度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用對地觀測衛(wèi)星NPP攜帶的VIIRS傳感器獲得的地面熱紅外信息反演地表溫度的方法，該方法克服VIIRS傳感器沒有水汽通道限制反演精度的缺點(diǎn)。能夠應(yīng)用在氣象、農(nóng)業(yè)旱災(zāi)和環(huán)境監(jiān)測監(jiān)測等遙感部門。
【背景技術(shù)】
[0002]地表發(fā)射的長波輻射是大氣熱量的主要來源，因此地表溫度參數(shù)被廣泛的運(yùn)用到全球環(huán)境監(jiān)測變化當(dāng)中。另外，由于在大尺度區(qū)域上連續(xù)、穩(wěn)定的獲取地表溫度的需要存在，從衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演獲取地表溫度成為唯一的可能。從衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演地表溫度的算法大多是針對不同傳感器特性設(shè)計(jì)不同的反演方法，現(xiàn)今使用較多的有單通道算法、雙通道的分裂窗算法和多通道算法。單通道算法的經(jīng)典代表是Qin[2001]年針對TM數(shù)據(jù)提出的反演算法[Qin Z, Karnieli A, Berliner P.A mono-window algorithm for retrievingland surface temperature from Landsat TM data and its application to theIsrael-Egypt border region[J].1nternational Journal of Remote Sensing, 2001，22(18): 3719-3746.] o分裂窗算法是針對AVHRR傳感器4、5通道設(shè)計(jì)的兩相鄰熱紅外通道算法[McMillin，L M.Estimation of sea surface temperature from two infraredwindow measurements with different absorptions[J].Journal of GeophysicalResearch, 1975，80, 5113 - 5117.]?，F(xiàn)在比較成熟的多通道算法是Wan等人于1997年針對 MODIS 傳感器提出的[Wan Z.M., Li Z..L., A Physics-Based Algorithm forRetrieving land-surface emissivity and temperature from E0S/M0DIS data, IEEETrans.Geosc1.Remote Sens., 1997, 35: 980-996.]物理基準(zhǔn)(白天 / 夜間)的算法。
[0003]MODIS傳感器由于數(shù)據(jù)質(zhì)量較好、免費(fèi)接收等原因，被廣泛的運(yùn)用到大尺度區(qū)域的環(huán)境變化監(jiān)測中。國內(nèi)覃志豪和毛克彪等人[覃志豪，高懋芳，秦曉敏，等.農(nóng)業(yè)旱災(zāi)監(jiān)測中的地表溫度遙感反演方法[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2005，14(4): 64-71.;毛克彪，覃志豪，施建成，宮鵬，針對MODIS數(shù)據(jù)的劈窗算法研究，武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2005 (8):703-708.]也針對MODIS數(shù)據(jù)地表溫度反演做了許多工作。相應(yīng)MODIS數(shù)據(jù)接收環(huán)境也建設(shè)的較好，比如農(nóng)業(yè)部資源遙感與數(shù)字農(nóng)業(yè)重點(diǎn)室，中國氣象局衛(wèi)星氣象中心等。但是由于MODIS傳感器分別早已于1999年和2002年搭載在Terra和Aqua衛(wèi)星上發(fā)射升空，其早已超出設(shè)計(jì)的5年正常運(yùn)行期限，因此MODIS數(shù)據(jù)的可靠性隨時(shí)間的推移越來越低。
[0004]2011年發(fā)射的NPP衛(wèi)星攜帶的VIIRS傳感器被用來取代MODIS傳感器進(jìn)行對地觀測任務(wù)，其部分參數(shù)如表I所示?，F(xiàn)階段除了 NOAA VIIRS地表溫度全球業(yè)務(wù)產(chǎn)品[NealBaker.Joint Polar Satellite System (JPSS) VIIRS Land Surface TemperatureAlgorithm Theoretical Basis Document [Ε0/Β0].http://npp.gsfc.nasa.gov.]夕卜，并沒有其它針對VIIRS傳感器地表溫度的反演研究。由于VIIRS傳感器沒用可用于獲取大氣水汽的通道，NOAA VIIRS全球業(yè)務(wù)產(chǎn)品算法采用回歸分析方法，不需要輸入大氣水汽和地表發(fā)射率數(shù)據(jù)，因此其反演精度的不確定性也較大，為1-3 K。因此我們針對我國實(shí)際情況提出了適用的VIIRS傳感器地表溫度反演算法。
[0005]表1 VIIRS傳感器部分技術(shù)參數(shù)
【權(quán)利要求】
1.本發(fā)明提供的從VIIRS遙感數(shù)據(jù)反演地表溫度方法參數(shù)獲取與前期工作分以下幾個步驟: 第一步，通過Aqua衛(wèi)星上攜帶的MODIS水汽通道產(chǎn)品計(jì)算VIIRS對應(yīng)觀測刈幅區(qū)域的水汽含量數(shù)據(jù) l-l)Aqua衛(wèi)星和NPP衛(wèi)星同時(shí)運(yùn)行在降交點(diǎn)為13:30的太陽同步軌道上，其繞地一圈所需時(shí)間分別為99 min和101 min，因此兩者觀測地球上同一區(qū)域的時(shí)差不大，這使得從Aqua MODIS數(shù)據(jù)獲取VIIRS近似時(shí)段的水汽數(shù)據(jù)成為可能，一幅VIIRS影像觀測刈幅大于MODIS影像，因此需要先對MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行投影、拼接，按照VIIRS象元對應(yīng)的經(jīng)緯度查找MODIS數(shù)據(jù)中的水汽值，生成VIIRS數(shù)據(jù)對應(yīng)的水汽數(shù)據(jù)； 1-2)利用大氣輻射傳輸模型 M0DTRAN4模擬計(jì)算不同大氣水汽(0.4—6.0 g/cm2,按0.1 g/cm2步長增加)含量下VIIRS M15和M16通道的透過率，制作成查找表； 第二步，通過全球地表類型(International Geosphere Biosphere Program, I GBP)數(shù)據(jù)估算VIIRS傳感器M15和M16通道對應(yīng)地物的發(fā)射率； 2-1)根據(jù)IGBP地表類型，將主要的地表重新分為冰雪、沙漠、農(nóng)作物區(qū)、水域、林地、草地共六大類地表，以上地類中沙漠、和水域的發(fā)射率為固定值，如果在以上地類中林地、草地、農(nóng)作物區(qū)域植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index ,NDVI)小于(大于)閾值Tmax、時(shí)σ?χ=ο.6、Tmin=Q.1)，該區(qū)域的發(fā)射率采用混合象元分解方法計(jì)算，修正后的計(jì)算公式如下:
fM15 = 0.986* (1-PV) +0.982*PV
f M16 = 0.996* (1-PV) +0.989*PV 其中PV用式計(jì)算
PV= (NDV1-ο.05)/0.6 NDVI由VIIRS M5和M7計(jì)算，如下式 NDVI = (M7-M5)/( M7-M5)。
2.地表溫度計(jì)算 利用VIIRS M5 M7通道反射率計(jì)算NDVI，結(jié)合相應(yīng)的地表分類數(shù)據(jù)，將VIIRS M15 M16通道亮溫帶入式(5)即可反演地表溫度，地表溫度計(jì)算公式為: 其中

【文檔編號】G01S17/95GK103954973SQ201410144775
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月12日
【發(fā)明者】不公告發(fā)明人 申請人:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所, 毛克彪, 天津大學(xué)