一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的方法及装置，包括：步骤(A)、利用中国风云三号卫星的可见光与近红外通道数据，结合发展的地表发射率确定方法获得地表发射率；步骤(B)、利用中国风云三号卫星热红外通道数据，结合发展的协方差与方差比方法确定大气可降水汽含量；步骤(C)、利用步骤(A)和步骤(B)分别得到的地表发射率和大气可降水汽含量，结合发展的地表温度遥感反演方法直接从风云三号卫星观测的热红外通道数据中反演地表温度。本发明专利技术有效地实现了中国风云三号卫星数据的地表温度定量遥感反演。

Method and device for determining land surface temperature by utilizing remote sensing data of China Fengyun three satellite

The invention discloses a method and device, the surface temperature determined by a Chinese and number three satellite remote sensing data comprises the steps of: (A), using Chinese and number three satellite visible and near infrared channel data, combined with the development of the surface emissivity determination method to obtain surface emissivity; step (B), using Chinese the three satellite thermal infrared channel data, combined with the development of the covariance and variance ratio method to determine Atmospheric Precipitable Water vapor content; step (C), using the steps (A) and step (B) were obtained with surface emissivity and atmospheric water vapor content can be reduced, with the development of the land surface temperature remote sensing method for retrieving land surface temperature directly from thermal infrared channel data and number three in satellite observations. The invention effectively realizes the quantitative remote sensing retrieval of land surface temperature of China Fengyun No. three satellite data.

【技术实现步骤摘要】
一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的方法及装置
本专利技术属于遥感定量反演的
，特别涉及一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的方法及装置。
技术介绍
地表温度在地-气相互作用过程中扮演着十分重要的角色，是全球变化研究的关键参数之一，对水文、生态、环境和生物地球化学等研究有非常重要的意义，并且在农业气象、热惯量计算等方面也有重要的应用价值。地表温度的定量遥感反演对推动旱灾预报和作物缺水研究、农作物产量估算、数值天气预报、全球气候变化和全球碳平衡等领域的研究起着非常重要的作用。风云三号(FY-3)气象卫星是我国新一代的极轨气象卫星，它是在FY-1气象卫星技术基础上的发展和提高，在功能和技术上都向前跨进了一大步。FY-3卫星的目标是获取地球表面和大气环境的全球、全天候、多光谱、三维、定量的遥感资料。FY-3A卫星上搭载的可见光红外扫描辐射计(VIRR)有10个1公里空间分辨率的光谱通道，其中既有高灵敏度的可见光通道，又有三个红外大气窗区通道，主要用途是监测全球云量，判识云的高度、类型和相态，探测海洋表面温度，监测植被生长状况和类型，监测高温火点，识别地表积雪覆盖，探测海洋水色等。在地表温度反演中，由于地表发射率是解决地表自身发射辐射和大气下行辐射耦合问题的关键参数，需要发射率的先验知识才能够改正地表发射辐射，进而反演地表温度。然而，由于地表温度和地表发射率的耦合性质，利用卫星数据反演地表温度并非想象中那么容易。在地表温度的遥感反演中，除辐射校正和云检测的问题之外，主要难点还体现在：(1)如何从观测的辐射亮度中分离出地表温度和地表发射率；(2)如何解决大气校正的问题。此外，还应考虑到，离开地表的辐射能将经过大气被传感器接收，大气自身的吸收和辐射又会影响到进入传感器视场的辐射能量。这几个过程叠加在一块，使地表温度的反演更为复杂。因此，为了计算国产新一代极轨气象卫星FY-3的可见光红外扫描辐射计(VIRR)数据中的地表温度，我们根据VIRR数据的特点，发展了一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的方法及装置，实现了风云三号卫星数据地表温度的遥感反演，从而为我国国产卫星数据的遥感应用提供技术支持，这是本专利技术的初衷所在。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为：针对国产卫星遥感数据，克服现有技术的不足，提供一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的方法及装置。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的方法，实现步骤如下：步骤(A)、利用风云三号卫星的可见光与近红外通道观测数据确定地表发射率；步骤(B)、利用风云三号卫星的热红外观测数据确定大气可降水汽含量；步骤(C)、利用步骤(A)和步骤(B)分别得到的地表发射率和大气可降水汽含量，结合发展的地表温度反演方法确定地表温度。进一步的，所述步骤(A)中确定地表发射率的过程是：A1.根据下式计算一景影像中所有像元的NDVI值：式中，ρ1和ρ2分别为风云三号卫星可见光与近红外波谱区第1和第2通道的反射率值；A2.当影像中像元的NDVI值满足NDVI＜0.2时，其通道发射率通过下式计算：εIR4_S＝0.968+0.05ρ1-0.355ρ2-0.402ρ6+0.307ρ7-0.971ρ8+0.819ρ9+0.544ρ10(2)εIR5_S＝0.972+0.09ρ1-0.213ρ2-0.309ρ6+0.236ρ7-0.710ρ8+0.669ρ9+0.429ρ10(3)式中，εIR4_S和εIR5_S分别为风云三号卫星第4和第5通道在裸土区的发射率，下标S代表裸土，ρ6、ρ7、ρ8、ρ9、ρ10分别为风云三号卫星第6、7、8、9、10通道的反射率值；A3.当影像中像元的NDVI值满足NDVI＞0.5时，其通道发射率通过下式计算：εIR4_V＝0.889+0.119NDVI(4)εIR5_V＝0.894+0.116NDVI(5)式中，εIR4_V和εIR5_V分别为风云三号卫星第4和第5通道在植被区的发射率，下标V代表植被；A4.当影像中像元的NDVI值满足0.2≤NDVI≤0.5时，其通道发射率通过下式计算：εIR4_M＝εIR4_VPV+εIR4_S(1-PV)+C4(6)εIR5_M＝εIR5_VPV+εIR5_S(1-PV)+C5(7)式中，εIR4_M和εIR5_M分别为风云三号卫星第4和第5通道在裸土和植被混合区的发射率，下标M代表混合区；PV为植被覆盖度，由下式计算：式中，NDVImin和NDVImax为裸土和植被的NDVI值，分别取值为0.2和0.5，C为取决于地表特性并考虑腔体效应的增加项，通过下式获得：C4＝(1-εIR4_S)εIR4_VF(1-Pv)(9)C5＝(1-εIR5_S)εIR5_VF(1-Pv)(10)式中，F为取决于地表几何分布的形状因子，其值为0.55。进一步的，所述步骤(B)中确定大气可降水汽含量的过程是：B1.利用协方差与方差比方法反演大气可降水汽含量，公式为：式中，i和j分别代表风云三号卫星遥感数据的第4和第5通道，τi、τj分别是第4和第5通道的大气透过率，N是计算时在影像中设置的一个移动窗口区内像元总个数，Ti、Tj分别是第4和第5通道大气顶部的亮度温度，分别是第4和第5通道中一个窗口区域内所有像元的亮度温度的平均值，d1和d2通过下式计算：d1＝25.156-13.572/cos(VZA)+2.909/cos2(VZA)(12)d2＝-25.258+13.677/cos(VZA)-2.931/cos2(VZA)(13)式中，VZA为风云三号卫星遥感数据中每个像元对应的观测天顶角。进一步的，所述步骤(C)中确定地表温度的过程是：C1.利用下式计算地表温度式中，Ts为地表温度，T4和T5分别是中国风云三号卫星遥感数据第4和第5通道大气顶部的亮度温度，为第4和第5通道发射率的平均值，Δε为第4和第5通道发射率的差值，b0到b5是系数，它们可通过系数查找表获取，其中，系数查找表的建立过程如下：根据大气辐射传输模型MODTRAN5，结合风云三号卫星遥感数据第4和第5通道的光谱响应函数以及大气廓线数据库TIGR数据，模拟仿真出风云三号卫星遥感数据第4和第5通道大气顶部的亮度温度，模拟时考虑卫星观测角度从0°到60°变化，步长增量为5°，地表温度Ts从220K到360K变化，步长增量为5K，平均发射率从0.90到1.0变化，步长增量为0.02，发射率差值从-0.02到0.02变化，步长增量为0.005，然后，分别根据TIGR中大气总水汽含量的变化范围[0,1.5]，[1.0,2.5]，[2.0,3.5]，[3.0,4.5]，[4.0,5.5]，[5.0,6.5]以及地表温度的变化范围≤280K，[275K,295K]，[290K,310K]，[305K,325K]，≥320K，将模拟的风云三号卫星第4和第5通道大气顶部的亮度温度数据分为不同的区间，最后针对每一个区间，根据方程式(14)，结合最小二乘法拟合出系数b0到b5，即建立出系数查找表；本专利技术提供实现上述方法的装置，其包括：地表发射率反演模块、大气可降水汽含量反演模块和地表温度反演模块，其中：地表发射率反演模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的方法，其特征在于，该方法实现步骤如下：步骤(A)、利用风云三号卫星的可见光与近红外通道观测数据确定地表发射率；步骤(B)、利用风云三号卫星的热红外观测数据确定大气可降水汽含量；步骤(C)、利用步骤(A)和步骤(B)分别得到的地表发射率和大气可降水汽含量，结合发展的地表温度反演方法确定地表温度。

【技术特征摘要】
1.一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的方法，其特征在于，该方法实现步骤如下：步骤(A)、利用风云三号卫星的可见光与近红外通道观测数据确定地表发射率；步骤(B)、利用风云三号卫星的热红外观测数据确定大气可降水汽含量；步骤(C)、利用步骤(A)和步骤(B)分别得到的地表发射率和大气可降水汽含量，结合发展的地表温度反演方法确定地表温度。2.根据权利要求1所述的一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的方法，其特征在于，所述步骤(A)中确定地表发射率的过程是：A1.根据下式计算一景影像中所有像元的NDVI值：式中，ρ1和ρ2分别为风云三号卫星可见光与近红外波谱区第1和第2通道的反射率值；A2.当影像中像元的NDVI值满足NDVI＜0.2时，其通道发射率通过下式计算：εIR4_S＝0.968+0.05ρ1-0.355ρ2-0.402ρ6+0.307ρ7-0.971ρ8+0.819ρ9+0.544ρ10(2)εIR5_S＝0.972+0.09ρ1-0.213ρ2-0.309ρ6+0.236ρ7-0.710ρ8+0.669ρ9+0.429ρ10(3)式中，εIR4_S和εIR5_S分别为风云三号卫星第4和第5通道在裸土区的发射率，下标S代表裸土，ρ6、ρ7、ρ8、ρ9、ρ10分别为风云三号卫星第6、7、8、9、10通道的反射率值；A3.当影像中像元的NDVI值满足NDVI＞0.5时，其通道发射率通过下式计算：εIR4_V＝0.889+0.119NDVI(4)εIR5_V＝0.894+0.116NDVI(5)式中，εIR4_V和εIR5_V分别为风云三号卫星第4和第5通道在植被区的发射率，下标V代表植被；A4.当影像中像元的NDVI值满足0.2≤NDVI≤0.5时，其通道发射率通过下式计算：εIR4_M＝εIR4_VPV+εIR4_S(1-PV)+C4(6)εIR5_M＝εIR5_VPV+εIR5_S(1-PV)+C5(7)式中，εIR4_M和εIR5_M分别为风云三号卫星第4和第5通道在裸土和植被混合区的发射率，下标M代表混合区；PV为植被覆盖度，由下式计算：式中，NDVImin和NDVImax为裸土和植被的NDVI值，分别取值为0.2和0.5，C为取决于地表特性并考虑腔体效应的增加项，通过下式获得：C4＝(1-εIR4_S)εIR4_VF(1-Pv)(9)C5＝(1-εIR5_S)εIR5_VF(1-Pv)(10)式中，F为取决于地表几何分布的形状因子，其值为0.55。3.根据权利要求1所述的一种利用中国风云三号卫星遥感数据确定地表温度的方法，其特征在于，所述步骤(B)中确定大气可降水汽含量的过程是：B1.利用协方差与方差比方法反演大气可降水汽含量，公式为：式中，i和j分别代表风云三号卫星遥感数据的第4和第5通道，τi、τj分别是第4和第5通道的大气透过率，N是计算时在影像上设置的一个移动窗口区内像元总个数，Ti、...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐伯惠，
申请(专利权)人：中国科学院地理科学与资源研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11