一种Landsat 8卫星数据地表温度反演方法技术

一种Landsat 8数据地表温度反演方法，该方法完全基于Landsat 8数据本身不需要任何外部数据源，克服了传统Landsat数据地表温度反演必须依赖外部数据源造成的局限，该发明专利技术对于实现利用Landsat 8数据业务化地生产地表温度产品具有重要的现实意义。

【技术实现步骤摘要】
一种Landsat8卫星数据地表温度反演方法
本专利技术涉及一种从Landsat8卫星数据反演地表温度的方法，能够应用在林业、农业、气象、生态环境等行业部门。
技术介绍
地表温度是研究区域能量交换和水分循环的关键参数，也是生态、水文和气候等过程模型的一个重要的输入参量。获取区域地表温度是区域资源环境动态监测的重要内容。热红外卫星遥感技术是获取区域地表温度的一个很重要途径。Landsat8数据是一种新型的卫星数据源，与传统的Landsat系列卫星(Landsat5、7)相比，Landsat8在波段的数量、波段的光谱范围和影像的辐射分辨率上进行了改进。Landsat8携带了两个传感器：1)OperationalLandImager(OLI)和ThermalInfraredSensor(TIRS)。OLI传感器在可见光、近红外和短波红外区域接收九个光谱波段的数据；TIRS传感器将原来Landsat5、7的热红外波段一分为二，设置成两个热红外通道(Band10：10.6-11.19μm；Band11：11.5-12.51μm)。对于Landsat5、7地表温度反演，通常利用单通道地表温度反演算法，该算法至少需要两个输入参数：大气水蒸汽含量和比辐射率，比辐射率可以利用NDVI阈值法从Landsat数据本身来获取，而大气水蒸汽含量则必须依赖外部数据源，通常通过气象数据或者MODIS数据来间接获取，然而不管是利用气象数据还是MODIS数据都具有明显的局限性：气象数据是一种点数据，而遥感数据是一种面数据，气象数据以点代面的方式会导致较大的误差，而且对于偏远地区或者历史存档卫星数据，获取对应的气象数据就非常困难；MODIS数据和Landsat数据在成像时间和空间分辨率上存在较大差异，两种数据之间的几何配准和投影转换也会带来误差。更重要的是，对于中国大部分地区，Landsat数据和MODIS数据之间的地理重叠区域往往非常小(小于三分之一)，甚至找不到与Landsat数据对应的MODIS数据。以上这些缺陷给传统的Landsat地表温度反演造成了非常大的困难。幸运的是，Landsat8的波段设置给基于Landsat8数据本身、无需利用外部数据源来反演地表温度带来了可能。对于Landsat8数据，比辐射率同样可以利用NDVI阈值法从Landsat8数据本身来获取，而大气水蒸汽含量可以利用Landsat8的两个热红外通道基于劈窗协方差-方差比算法来反演，这样就可以实现完全基于Landsat8数据本身不需要任何外源数据来反演地表温度。该专利技术对于实现利用Landsat8数据业务化地生产地表温度产品具有重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种Landsat8卫星数据地表温度反演方法，该方法完全基于Landsat8数据本身不需要任何外部数据，实用性非常强。为实现上述目的，本专利技术提出的方法包括以下步骤：第一步、计算Landsat8第10波段和第11波段的星上辐射亮度和星上亮度温度Lsen＝MLQcal+ALTsen＝K2/ln(1+K1/Lsen)其中，Lsen是星上辐射亮度，Tsen是星上亮度温度，ML为波段的增益，AL为波段的偏置，Qcal为影像DN值，K1和K2为常数，ML，AL及K1和K2从Landsat8头文件获得；第二步、利用NDVI(NormalizedDifferenceVegetationIndex)阈值法来获取比辐射率ε：其中DNband5和DNband4分别表示Landsat8第5波段和第4波段影像的DN值；当NDVI＜NDVIs时，ε＝εs，其中NDVIs是纯裸土区域的NDVI，εs是土壤的比辐射率；当NDVI＞NDVIv时，ε＝εv，其中NDVIv是纯植被区域的NDVI，εv是植被的比辐射率；当NDVIs≤NDVI≤NDVIv时，ε＝εs(1-FVC)+εvFVCFVC是植被覆盖度：NDVIs和NDVIv可以从图像上选取均质的裸土区域和植被区域来获取；εs和εv通过MODISUCSB比辐射率库和Landsat8TIRS波谱响应函数计算得到；第三步：计算大气水蒸汽含量ww＝a(τj/τi)+b且其中，τi为i波段的大气透过率，τj为j波段的大气透过率，εi为i波段的比辐射率，εj为j波段的比辐射率，k表示第k个像元，Ti，k为第k个像元i波段的星上亮度温度，Tj，k为第k个像元j波段的星上亮度温度，为N个像元i波段的平均星上亮度温度，为N个像元j波段的平均星上亮度温度，对于Landsat8数据，i，j分别为10，11，N表示窗口大小，取20像元*20像元；系数a和b利用MODTRAN4.0大气辐射传输模型和TIGR数据库来模拟大气水蒸汽含量w与Landsat8热红外波段大气透过率比值τ11/τ10之间的关系得到：w＝-18.973(τ11/τ10)+19.13R2＝0.9663，τ11/τ10＞0.9w＝-13.412(τ11/τ10)+14.158R2＝0.9366，τ11/τ10＜0.9第四步：计算地表温度其中Ts是地表温度，ε是比辐射率，Lsen是Landsat8第10波段的星上辐射亮度，(γ，δ)可以表达为：其中Tsen是Landsat8第10波段的星上亮度温度，bγ等于1324K，ψ1，ψ2，和ψ3是大气函数，可以利用以下公式从大气水蒸汽含量(w)来近似得到：ψ1＝0.04019w2+0.02916w+1.01523ψ2＝-0.38333w2-1.50294w+0.20324ψ3＝0.00918w2+1.36072w-0.27514附图说明图1Landsat8热红外波段大气透过率比值和大气水蒸汽含量的关系具体实施方式本专利技术利用单通道地表温度反演方法从Landsat8第10波段来反演地表温度，单通道方法基于热波段辐射传输方程简化得到，可以表达为：其中Ts是地表温度，ε是比辐射率，Lsen是星上辐射亮度，(γ，δ)可以表达为：其中Tsen是星上亮度温度，bγ等于1324K，ψ1，ψ2，和ψ3是大气函数，可以利用以下公式从大气水蒸汽含量(w)来近似得到(Jiménez-J.C.，Sobrino，J.A.，D，MattarC，andJ.(2014).LandSurfaceTemperatureRetrievalMethodsFromLandsat-8ThermalInfraredSensorData.IEEEGeoscienceandRemoteSensingLetters，11(10)，1840-1843.)：ψ1＝0.04019w2+0.02916w+1.01523ψ2＝-0.38333w2-1.50294w+0.20324ψ3＝0.00918w2+1.36072w-0.27514Lsen＝MLQcal+ALML为波段的增益，AL为波段的偏置，ML和AL从Landsat8头文件获得，Qcal为影像DN值。Tsen＝K2/ln(1+K1/Lsen)K1和K2为常数，从Landsat8头文件获取。比辐射率利用NDVI(NormalizedDifferenceVegetationIndex)阈值法来获取：其中DNband5和DNband4分别表示Landsat8第5波段和第4波段影像的DN值。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Landsat 8卫星数据地表温度反演方法，其步骤为：第一步、计算Landsat 8第10波段和第11波段的星上辐射亮度和星上亮度温度Lsen＝MLQcal+ALTsen＝K2/ln(1+K1/Lsen) 其中，Lsen是星上辐射亮度，Tsen是星上亮度温度，ML为波段的增益，AL为波段的偏置，Qcal为影像DN值，K1和K2为常数，ML，AL及K1和K2从Landsat 8头文件获得；第二步、利用NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)阈值法来获取比辐射率ε：其中DNband5和DNband4分别表示Landsat8第5波段和第4波段影像的DN值；当NDVI＜NDVIs时，ε＝εs，其中NDVIs是纯裸土区域的NDVI，εs是土壤的比辐射率；当NDVI＞NDVIv时，ε＝εv，其中NDVIv是纯植被区域的NDVI，εv是植被的比辐射率；当NDVIs≤NDVI≤NDVIv时，ε＝εs(1‑FVC)+εvFVCFVC是植被覆盖度：NDVIs和NDVIv可以从图像上选取均质的裸土区域和植被区域来获取；εs和εv通过MODIS UCSB比辐射率库和Landsat 8TIRS波谱响应函数计算得到；第三步：计算大气水蒸汽含量ww＝a(τj/τi)+b且其中，τi为i波段的大气透过率，τj为j波段的大气透过率，εi为i波段的比辐射率，εj为j波段的比辐射率，k表示第k个像元，Ti，k为第k个像元i波段的星上亮度温度，Tj，k为第k个像元j波段的星上亮度温度，为N个像元i波段的平均星上亮度温度，为N个像元j波段的平均星上亮度温度，对于Landsat8数据，i，j分别为10，11，N表示窗口大小，取20像元*20像元；系数a和b利用MODTRAN4.0大气辐射传输模型和TIGR数据库来模拟大气水蒸汽含量w 与Landsat8热红外波段大气透过率比值τ11/τ10之间的关系得到：w＝‑18.973(τ11/τ10)+19.13  R2＝0.9663，τ11/τ10＞0.9w＝‑13.412(τ11/τ10)+14.158  R2＝0.9366，τ11/τ10＜0.9第四步：计算地表温度其中Ts是地表温度，ε是比辐射率，Lsen是Landsat8第10波段的星上辐射亮度，(γ，6)可以表达为：其中Tsen是Landsat8第10波段的星上亮度温度，bγ等于1324K，ψ1，ψ2，和ψ3是大气函数，可以利用以下公式从大气水蒸汽含量(w)来近似得到：ψ1＝0.04019w2+0.02916w+1.01523 ψ2＝‑0.38333w2‑1.50294w+0.20324 ψ3＝0.00918w2+1.36072w‑0.27514 。...

【技术特征摘要】
1.一种Landsat8卫星数据地表温度反演方法，其步骤为：第一步、计算Landsat8第10波段和第11波段的星上辐射亮度和星上亮度温度Lsen＝MLQcal+ALTsen＝K2/ln(1+K1/Lsen)其中，Lsen是星上辐射亮度，Tsen是星上亮度温度，ML为波段的增益，AL为波段的偏置，Qcal为影像DN值，K1和K2为常数，ML，AL及K1和K2从Landsat8头文件获得；第二步、利用NDVI(NormalizedDifferenceVegetationIndex)阈值法来获取比辐射率ε：其中DNband5和DNband4分别表示Landsat8第5波段和第4波段影像的DN值；当NDVI＜NDVIs时，ε＝εs，其中NDVIs是纯裸土区域的NDVI，εs是土壤的比辐射率；当NDVI＞NDVIv时，ε＝εv，其中NDVIv是纯植被区域的NDVI，εv是植被的比辐射率；当NDVIs≤NDVI≤NDVIv时，ε＝εs(1-FVC)+εvFVCFVC是植被覆盖度：NDVIs和NDVIv从图像上选取均质的裸土区域和植被区域来获取；εs和εv通过MODISUCSB比辐射率库和Landsat8TIRS波谱响应函数计算得到；第三步：计算大气水蒸汽含量ww＝a(τj/τi)+b且其中，τi为i波段的大气透过率，τj...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兆明，何国金，王猛猛，龙腾飞，王桂周，张晓美，
申请(专利权)人：中国科学院遥感与数字地球研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11