一种面向宽波段热红外传感器的地表温度反演方法技术

本发明专利技术公开了一种面向宽波段热红外传感器的地表温度反演方法。本发明专利技术的主要步骤为：首先通过宽波段热红外传感器获取观测数据时，将宽波段光谱响应函数以设定的固定间隔分割为多个窄通道，然后根据各窄通道获得的辐射能量，建立辐射能量与宽波段热红外传感器获取的亮度温度的公式，最后通过求解步骤建立的公式，即可获得地表温度。本发明专利技术的有益效果是：本发明专利技术提出的反演方法采用传感器光谱响应范围内的多个等效波长代入辐射传输方程和普朗克黑体辐射方程对LST进行求解，从而实现提高LST的反演精度和确保LST反演的实施简易性。

【技术实现步骤摘要】
一种面向宽波段热红外传感器的地表温度反演方法
本专利技术属于热红外遥感
，具体涉及一种面向宽波段热红外传感器的地表温度反演方法。
技术介绍
地表温度(landsurfacetemperature，LST)一种表征地表辐射特性以及地表与大气之间能量交换的重要参数。LST广泛应用于气候、环境、农业等研究领域。宽波段热红外传感器常置于地面或低空，对地表的亮度温度进行观测。由于受大气影响较小，地面获取的LST可验证卫星遥感LST产品。从低空无人机或有人机的热像仪数据可以得到目标区域内高空间分辨率和高时间分辨率的LST图像。将地表与低空观测的LST相结合，则有助于分析异质性下垫面的辐射特性，进而促进异质性下垫面卫星遥感LST验证。因此，从地面和低空观测数据中反演高精度LST对相关研究尤为重要。目前，针对单通道传感器的地表温度反演方法主要有两种类型：(1)采用面向单通道的反演方法：此类方法主要借助辐射传输方法或其简化方法近似剔除大气影响，并代入通过光谱响应函数在响应波段内积分计算得到的等效波长求解LST。这类方法操作上比较简单，但是应用于宽波段热红外传感器的观测数据时，LST反演精度较低。(2)查找表方法：此类方法借助于辐射传输模型，代入多种大气廓线和地表发射率等数据，建立LST与传感器观测亮度温度之间的对应关系，这种方法的问题在于，实施过程复杂且高度依赖于传感器光谱响应特征，建立查找表过程需要大量的模拟计算，而且对于不同传感器需要建立不同的查找表。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种从宽波段热红外传感器的观测数据中简易地反演出高精度LST的方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种面向宽波段热红外传感器的地表温度反演方法，包括以下步骤：S1、将宽波段热红外传感器的光谱响应函数以设定的固定间隔分割为多个窄通道，每个窄通道的等效波长为：式中，λi为第i个窄通道的等效波长，单位μm；λ1和λ2为窄通道i的起止波长；f(λ)为波长λ处的光谱响应函数；S2、根据各窄通道获得的辐射能量，建立辐射能量与宽波段热红外传感器获取的亮度温度Tsen的公式：其中，n是窄通道的数量，为第i个窄通道的辐射亮度，Bλ(Ts)为地表温度是Ts时的地表辐亮度，单位W/(m2·sr·μm)，τ为大气透过率，L↓和L↑是大气下行辐射和大气上行辐射，单位是W/(m2·sr·μm)，Lsolar表示传感器观测到的由太阳贡献的辐亮度，b是比例系数，b≈ajT2+bjT+cj，a、b、c为传感器j所对应的系数，σ为斯特藩-玻尔兹曼常数，取值5.67×10-8W·m-2·K-4，△λi为等效波段宽度：fi(λ)是传感器在第i个窄通道内的光谱响应函数；ελ,i为第i个窄通道的发射率：其中，；ελ为波长λ处的发射率，T为固定值300K；S3、通过求解步骤S2建立的公式，即可获得地表温度Ts。本专利技术的有益效果是：本专利技术提出的反演方法采用传感器光谱响应范围内的多个等效波长代入辐射传输方程和普朗克黑体辐射方程对LST进行求解，从而实现提高LST的反演精度和确保LST反演的实施简易性。附图说明图1为示例中用到的传感器的光谱响应函数；图2为各传感器观测到的辐射能量占同温度下黑体辐射出射度的比例b随温度的变化情况；图3为不同高度下各传感器的LST误差随通道分割宽度的变化；图4为地表温度反演方法应用于不同传感器时的参数敏感性。具体实施方式下面结合附图及实施例，详细描述本专利技术的技术方案：从传感器观测的辐射数据中反演LST通常需要计算整个响应波段范围内的等效波长，然后代入普朗克黑体辐射公式进行计算，实现辐射能量与温度之间的转换。对于卫星传感器，由于响应波段宽度较窄，通常使用通道的光谱响应函数与波长的积分计算等效波长。但是对于响应波段很宽的热红外传感器，这种计算方法所得的等效波长代入后可能带来很大的不确定性，进而降低LST反演地精度。为了降低使用单一等效波长给宽波段传感器带来的不确定性，本专利技术将宽波段光谱响应函数以一定的间隔分割为若干窄通道，然后每个窄通道的等效波长可使用公式(1)来计算(Jiménez-2003)：式中，λi为第i个窄通道的等效波长，单位μm；λ1和λ2为窄通道i的起止波长；f(λ)为波长λ处的光谱响应函数。理论上通道的分割间隔越小，计算精度越高，但是，实际上当分割间隔小于一定宽度时，反演精度便可以达到可接受的范围，此时不必再耗费更多的计算资源去获取有限的精度提升。宽波段热红外传感器，如热红外辐射计和热像仪，观测结果通常为亮度温度。从观测的亮度温度计算通道观测到的总辐射辐射能量，可使用光谱响应函数和对应亮度温度下的黑体辐射来进行计算，如公式(2)所示：式中，M'为通道内观测到的总能量，单位W/m2；Bλ(T)表示亮度温度为T时在波长λ处的辐射亮度，B的单位是W/(m2·sr·μm)，T的单位是K。当温度上升时，观测到的总辐射能量M'占整个黑体辐射出射度M的比例b逐渐上升。b与亮度温度T的关系可使用二次多项式很好的表示，当传感器确定时，这一关系也确定了。在实际应用中，使用比例b和黑体辐射出射度M可快速计算出温度T时的M'。式中，σ为斯特藩-玻尔兹曼常数，取值5.67×10-8W·m-2·K-4；a、b、c为传感器j所对应的系数。反演LST的一种基本方法是根据热红外波段的辐射传输方程和黑体辐射方程来进行反演。热红外波段的辐射在经过大气时会受到大气的影响，根据热红外辐射传输理论，传感器观测到的辐亮度可使用公式(4)表示：式中，Lλ为传感器观测到的辐射亮度，单位是W/(m2·sr·μm)；ε为通道发射率；Bλ(Ts)为地表温度是Ts时的地表辐亮度，单位W/(m2·sr·μm)；τ为大气透过率；L↓和L↑是大气下行辐射和大气上行辐射，单位是W/(m2·sr·μm)。为减小采用单一等效波长在宽波段热红外传感器反演LST时的不确定性，本专利技术采用了多等效波长的方法。使用分割所得的各窄通道等效波长代入辐射传输方程，然后乘以窄通道的等效宽度即可表示传感器在这一窄的光谱相应范围内观测到的辐射能量。而传感器观测到的总辐射能量即为各窄通道辐射能量之和。由于部分传感器的响应波段范围延伸到4μm，此时太阳辐射的影响需要一并考虑。各窄通道观测到的辐亮度乘以π可计算出单位为W/m2的观测能量，这一过程可使用公式(5)描述：式中，Lsolar表示传感器观测到的由太阳贡献的辐亮度，单位W/(m2·sr·μm)；Δλ表示窄通道的等效宽度，单位μm；Tsen为传感器观测到的亮度温度，单位K。等效波段宽度可根据式(6)计算，式中，fi(λ)是传感器在第i个窄通道内的光谱响应函数。各窄通道发射率的计算方法可由公式(7)表示(ChengandLiang,2014)：式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向宽波段热红外传感器的地表温度反演方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、将宽波段热红外传感器的光谱响应函数以设定的固定间隔分割为多个窄通道，每个窄通道的等效波长为：/n

【技术特征摘要】
1.一种面向宽波段热红外传感器的地表温度反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将宽波段热红外传感器的光谱响应函数以设定的固定间隔分割为多个窄通道，每个窄通道的等效波长为：



式中，λi为第i个窄通道的等效波长，单位μm；λ1和λ2为窄通道i的起止波长；f(λ)为波长λ处的光谱响应函数；
S2、根据各窄通道获得的辐射能量，建立辐射能量与宽波段热红外传感器获取的亮度温度Tsen的公式：



其中，n是窄通道的数量，为第i个窄通道的辐射亮度，Bλ(Ts)为地表温度是Ts时的地表辐亮度，单位W/(m2·sr·μ...

【专利技术属性】
技术研发人员：周纪，李明松，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51