地表溫度反演的算法綜述

張微+程武學(xué)+倪靜

摘要：指出了在一些關(guān)于地理環(huán)境的研究中，地表溫度是一個(gè)不可或缺的因子，而傳統(tǒng)的測(cè)量方法無法獲知地表溫度，隨著遙感的應(yīng)用，對(duì)地表溫度進(jìn)行反演可以迅速得知地表溫度。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種地表溫度反演的算法，主要有單通道法、單通道多角度法、多通道多角度法、晝夜法、分裂窗法等。其中應(yīng)用最廣泛的是分裂窗法。

關(guān)鍵詞：地表溫度;反演;算法

中圖分類號(hào)：P237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-9944（2014）12-0220-03

1引言

地表溫度是一個(gè)復(fù)雜的概念，難以準(zhǔn)確測(cè)量得出具體數(shù)值。而它在地理學(xué)中有很重要的應(yīng)用，關(guān)于地球表面的很多研究中都少不了地表溫度這一參數(shù)。如何盡可能準(zhǔn)確地獲得地表溫度這一參數(shù)，成為一個(gè)很重要的課題。隨著遙感技術(shù)的廣泛應(yīng)用，可以大范圍監(jiān)測(cè)地球表面，使地表溫度的獲取有了可能。許多學(xué)者在遙感技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一些算法，來反演地表溫度。各種算法各有特點(diǎn)，各有所長(zhǎng)。本文主要對(duì)目前各學(xué)者研發(fā)的地表溫度反演算法進(jìn)行了總結(jié)與歸納，方便后續(xù)的研究者根據(jù)不同研究對(duì)象選擇合適的算法來解決問題。

2地表溫度

2.1地表溫度概況

地表溫度（Land Surface Temperature， LST），即地面的溫度。太陽的短波輻射到達(dá)地面，一部分被反射到宇宙空間，一部分被地面吸收，被吸收的這部分太陽輻射使得地面增溫， 經(jīng)過對(duì)地面溫度的測(cè)量，得到的數(shù)值即地表溫度。

地表溫度在地理學(xué)各個(gè)圈層中起著十分重要的作用，促進(jìn)大氣圈、生物圈、土壤圈、水圈、巖石圈等的能量交換和物質(zhì)循環(huán)，因而地表溫度在地理學(xué)的研究中有著廣泛的應(yīng)用。如在對(duì)土壤的研究中可以通過地表溫度推算出干旱程度;在對(duì)石油、鈾礦的探測(cè)中可以利用地表溫度來尋找;在對(duì)城市地表溫度的研究可以得出城市的熱島效應(yīng)概況等。

2.2地表溫度反演

地表溫度的測(cè)量可以用熱動(dòng)力學(xué)的方法測(cè)量（用溫度計(jì)測(cè)量）或輻射學(xué)測(cè)量（用遙感方法測(cè)量）。由于地表的非均一性，很難用熱動(dòng)力學(xué)的方法準(zhǔn)確測(cè)量出地表溫度。遙感技術(shù)具有大面積同步觀測(cè)、時(shí)效性強(qiáng)、數(shù)據(jù)的綜合性與可比性、經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)，成為地表溫度反演的利器。

3地表溫度反演的算法

3.1地表溫度反演算法

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究地表溫度反演中提出了多種算法，主要有單通道法（Malaret.E等，1985[1]）、單通道多角度法（Delderfield，1986[2]）、多通道多角度法（Saunders，1967[3]）、晝夜法（Wan & Li，1997[4]）、分裂窗法（McMillin，1975[5]）。

3.1.1單通道法

單通道法利用衛(wèi)星傳感器上的熱紅外通道獲得輻射能。熱紅外通道是位于大氣窗口內(nèi)的單獨(dú)通道。通過衛(wèi)星遙感獲得大氣廓線數(shù)據(jù)，結(jié)合大氣輻射傳輸方程來修正大氣和比輻射率的影響，最后確定地表溫度。具體算法如下：

TS=TB/[1+（λ×TB/ρ）lnε] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式（1）中：TS為地表溫度，TB為亮溫，λ為有效波譜范圍內(nèi)最大靈敏度值，ρ=（h×c）/δ， δ為玻爾茲曼常數(shù)，h為普朗克常數(shù)，c為光速，ε為地表比輻射率。

張建平[6]等運(yùn)用單通道法對(duì)內(nèi)蒙古翁牛特旗地表溫度進(jìn)行反演，較好地反映了地表溫度的空間分布趨勢(shì)。Zhou等[7]利用單通道法反演海洋表面溫度，得出中紅外波段的反演精度高于熱紅外波段。Giardino和Wloczyk等[8，9] 分別利用TM數(shù)據(jù)，使用單通道算法反演出海洋和湖泊的表面溫度。Y. Suga等[10] 利用單通道算法對(duì)日本西部廣島及海灣區(qū)域進(jìn)行溫度反演，得出各個(gè)季節(jié)的溫差變化。

3.1.2單通道多角度法

單通道多角度法是利用同一物體在不同角度觀測(cè)條件下的大氣路徑不同從而大氣吸收不同而消除大氣吸收作用的原理來進(jìn)行地表溫度反演。具體算法如下：

L（μ）=εμτμB（TS）+Ratm（μ）↑+τμRref（μ） ? ? ? ? ? ? ?（2）

式（2）中：L（μ）為傳感器在μ方向上接收到的輻射，εμ為μ方向地表的比輻射率，TS為像元尺度上的“等效溫度”，B（TS）為普朗克函數(shù)，τμ為地表—傳感器方向的大氣透過率，Ratm（μ）↑為傳感器接收到的μ方向大氣的上行輻射，Rref（μ）為傳感器接收到的μ方向大氣的下行輻射。

何立明[11]等運(yùn)用單通道多角度法對(duì)熱紅外圖像進(jìn)行大氣訂正，有效獲取了大氣等效溫度。Delderfield等[2]通過單通道多角度法反演地表溫度，精度可達(dá)0.3℃。

3.1.3多通道多角度法

多通道多角度法把多通道法和多角度法結(jié)合起來，由于多通道和多角度對(duì)大氣吸收作用不同，從而消除大氣對(duì)地表溫度反演的影響。目前只用于對(duì)海面溫度的反演。

管磊[3]等通過多通道多角度法分析了氣溶膠對(duì)海表溫度反演的影響，測(cè)算出在大規(guī)模火山氣溶膠的影響下海表溫度在熱帶太平洋的精度。

3.1.4晝夜法

晝夜法是專門針對(duì)MODIS傳感器而提出的地表溫度反演算法。這種算法是利用MODIS熱紅外通道在白天和夜晚觀測(cè)的資料來反演地表溫度。

呂月琳[12]等提出利用晝夜法反演地表溫度，結(jié)果可以用來研究地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)。endprint

3.1.5分裂窗法

分裂窗法是利用在一個(gè)大氣窗口的兩個(gè)臨近的紅外通道存在與大氣的影響密切相關(guān)的不同的大氣吸收、散射的信息來進(jìn)行大氣糾正，即利用大氣本身的波譜信息來糾正大氣影響。利用分裂窗算法通常使用AVHRR的4、5通道來反演地表溫度，一般形式可以表達(dá)為：

TS=T4+A×（T4-T5）+B ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式（3）中：TS為陸面溫度，T4、T5分別為由大氣上方傳感器所測(cè)得AVHRR通道4、5的輻射溫度，系數(shù)A、B取決于大氣狀況及其他影響通道4、5的輻射和透過率的相關(guān)因子。具體見4。

3.2地表溫度反演算法評(píng)價(jià)

單通道法需要地表比輻射率、大氣廓線和大氣輻射傳輸模型，地表比輻射率和大氣廓線難以測(cè)量，限制了其反演地表溫度的精度。

單通道多角度法和多通道多角度法對(duì)地表進(jìn)行多角度觀測(cè)的時(shí)候所獲得的地表分辨率是不同的，影響了反演地表溫度的精度。

晝夜法在白天或夜間有云的時(shí)候就不能進(jìn)行地表溫度反演。

分裂窗算法在假定地表比輻射率已知的情況下，對(duì)大氣吸收的差異來進(jìn)行大氣校正，是一種非常重要和廣泛的應(yīng)用。

孫俊等研究太湖流域的地表溫度反演時(shí)提到單通道算法結(jié)果與MODIS地表溫度產(chǎn)品差值最小，平均溫差為1.23K，單通道多角度算法結(jié)果，平均溫差為1.45K，分裂窗算法結(jié)果，平均溫差為2.27K[13]。同時(shí)，分裂窗算法最簡(jiǎn)便。

關(guān)于地表溫度反演的發(fā)展，祝善友等[14]提出地表溫度反演的發(fā)展趨勢(shì)是理論反演—地表溫度和比輻射率的分離，比輻射率的直接測(cè)量，多角度、多光譜和多時(shí)相遙感的結(jié)合，熱紅外激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的使用，非同溫像元或組分溫度像元的反演[11]。

4分裂窗算法

4.1分裂窗算法概念

分裂窗算法具體同3.1.5。

4.2分裂窗算法分類

覃志豪提到分裂窗算法可以歸結(jié)為四大類：簡(jiǎn)單模型、地表比輻射率模型、兩因素模型和復(fù)雜模型[15]。簡(jiǎn)單模型把大氣影響和地表影響估計(jì)成常量而進(jìn)行地表溫度反演。地表輻射率影響模型把大氣影響估計(jì)成常量，僅考慮地表比輻射率的影響來反演地表溫度。兩因素模型把大氣影響和地表影響設(shè)計(jì)成變量，只需要大氣透過率和地表比輻射率這兩個(gè)參數(shù)，而后進(jìn)行地表溫度反演。復(fù)雜模型同樣把大氣影響和地表影響設(shè)計(jì)成變量，但要考慮除大氣透過率和地表比輻射率以外的大氣參數(shù)，來進(jìn)行地表溫度反演。

4.3分裂窗算法的發(fā)展

McMillin（1975）[5]最早提出了分裂窗算法，用于海面溫度的反演。Price（1984）[16]最先用分裂窗算法進(jìn)行陸面溫度的反演。Becker[17]證明了用分裂窗算法反演地表溫度是可行的。Becker and Li（1990）[17]提出了局地分裂窗算法。Wan and Dozier（1996）[18]提出了廣義的地表溫度反演的分裂窗算法。Qin et al.（2001）[19]一文中提出了分裂窗算法僅需要大氣透過率和地表比輻射率兩個(gè)因素進(jìn)行地表溫度的反演。

4.4分裂窗算法的應(yīng)用

薛丹[20]等利用分裂窗算法對(duì)上海地表溫度進(jìn)行反演，指出上海市高溫區(qū)面積出現(xiàn)先增大后減小的過程。包剛[21]等利用分裂窗算法對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)的地表溫度進(jìn)行反演，得出結(jié)論內(nèi)蒙古地區(qū)地表分布規(guī)律是由西南向東北逐漸降低的。張學(xué)藝[22]等利用分裂窗算法對(duì)寧夏地區(qū)進(jìn)行地表溫度反演，提出地表溫度反演算法在干旱監(jiān)測(cè)、城市熱島等方面的應(yīng)用。

4.5對(duì)分裂窗算法的評(píng)價(jià)

覃志豪認(rèn)為分裂窗算法是發(fā)展比較成熟的地表溫度遙感反演算法[15]。孫亮等總結(jié)出目前已有10多個(gè)反演地表溫度的劈窗算法發(fā)表于國(guó)際遙感方面的權(quán)威雜志，而其中的Becker算法在不同水汽含量以及地表溫度情況下，都保持了較高的精度，適用性較廣[23]。張仁華編著的《定量熱紅外遙感模型及地面實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)》一書中指出劈窗技術(shù)或算法是遙感非常有實(shí)用價(jià)值的算法[24]。祝善友等的研究表明，對(duì)于陸面溫度反演來說，分裂窗算法是一種非常重要和廣泛應(yīng)用的方法[13]。

分裂窗算法因其消除了大氣平均溫度的影響，所需參數(shù)較少，只需要知道大氣透過率和地表比輻射率即可，模型簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，其反演精度在可接受的范圍內(nèi)，而被廣泛應(yīng)用。分裂窗算法對(duì)于地表溫度的反演在以后還會(huì)長(zhǎng)期應(yīng)用。

5結(jié)語

地表溫度反演的算法各有利弊，目前最易實(shí)現(xiàn)的是分裂窗算法。針對(duì)不同的研究對(duì)象選取不同的算法，可以較準(zhǔn)確反演出地表溫度。使用各種算法與實(shí)際測(cè)得的地表溫度會(huì)有一些誤差。如何提高各種算法的精度同時(shí)又使每種算法的參數(shù)減少，模型更簡(jiǎn)單，是今后要研究的課題。

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