一种考虑城市三维几何结构影响的地表温度反演方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑城市三维几何结构影响的地表温度反演方法，包括以下步骤：步骤1：通过公式(10)逐像元反演得到平坦地表温度T

【技术实现步骤摘要】
一种考虑城市三维几何结构影响的地表温度反演方法


[0001]本专利技术涉及一种考虑城市三维几何结构影响的地表温度反演方法，属于定量遥感


技术介绍

[0002]地表温度是地表与大气之间相互作用的关键因子，也是研究地表能量平衡的重要参数。了解地表温度的时空分布不仅在区域和全球尺度的地表能量过程中发挥着重要作用，而且对城市气候研究和城市热环境监测具有重要意义。卫星遥感技术为大范围获取高时空分辨率的地表温度提供了可能。目前，国内外学者已经发展了多种卫星数据地表温度遥感反演方法。然而，这些方法大多针对平坦地表，而对具有复杂几何结构的地表研究甚少。城市地表温度与人类活动息息相关，城市土地覆盖类型具有很强的异质性。不同类型的建筑物、人造地物和植被的复杂形态使得城市地表温度呈现出强烈的空间异质性。
[0003]受城市复杂三维几何结构的影响，城市地表温度的反演面临三个挑战：(1)像元内部的多次散射和反射对城市像元发射率的影响；(2)城市三维几何结构对大气向下辐射的影响；(3)邻近像元辐射对目标像元的影响。随着卫星传感器的空间分辨率越来越高，城市复杂三维几何结构对高空间分辨率热红外数据反演地表温度的影响越来越突出。
[0004]现有的地表温度反演方法大多针对平坦地表，主要适用于裸土、植被等自然地表，没有考虑到复杂下垫面以及地表几何结构对地表温度反演的影响。城市的复杂三维几何结构导致地表与大气之间的热辐射传输模式发生变化，对像元发射率、大气下行辐射以及邻近像元辐射等产生影响，使得基于常规热辐射传输方程的地表温度反演方法不能适用于具有复杂三维几何结构的城市地表，导致城市地表温度反演精度低。因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种考虑城市三维几何结构影响的地表温度反演方法。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种考虑城市三维几何结构影响的地表温度反演方法，包括以下步骤：城市地表温度反演过程包括：
[0008]步骤1：使用获得的Landsat 8第10通道的辐亮度、计算得到的地表发射率以及计算得到的大气透过率、大气上行辐射和大气下行辐射，通过公式(10)逐像元反演得到平坦地表温度T
s_initial
，并将此时的地表温度作为邻近像元地表温度的初始值；
[0009]公式(10)：
[0010][0011]式中，T
s_initial
为反演得到的平坦地表温度；
[0012]步骤2：将邻近像元地表温度的初始值输入公式(8)得到邻近像元辐亮度，并将计算得到的天空可视因子，计算得到的城市地表的像元有效发射率，计算得到的大气透过率、大气上行辐射和大气下行辐射，以及获得的Landsat 8第10通道的辐亮度，同时输入公式(9)，逐像元反演得到城市地表温度T
s
，并将此时的地表温度作为邻近像元的地表温度，用于迭代计算邻近像元辐亮度；
[0013]公式(8)：
[0014][0015]式中，下标A和B分别代表目标像元和邻近像元，L
B
为邻近像元的辐亮度，θ为目标像元和邻近像元的中心点连线的夹角，dS
B
为邻近像元的面积，r
AB
为目标像元和邻近像元之间的距离，N为邻近像元的总个数；
[0016]公式(9)：
[0017][0018]式中，T
s
为反演得到的考虑城市三维几何结构影响的地表温度，B
‑1为普朗克函数的逆运算；
[0019]步骤3：重复用于迭代计算邻近像元地表温度的步骤2，直到前后两次邻近像元地表温度的差值小于一定数值或者迭代次数大于一定数值时输出结果，得到最终的城市地表温度。
[0020]所述的地表温度反演方法，所述Landsat 8第10通道的辐亮度获取方法为：下载搭载在Landsat 8卫星上的TIRS传感器的星上辐亮度数据；数据下载网址：https://earthexplorer.usgs.gov/；利用公式(1)将星上辐亮度数据转换为星上辐亮度值：
[0021]L＝gain
×
DN+offset
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0022]式中，L为星上辐亮度，DN为计数值，gain和offset分别为增益和偏移。对于Landsat8第10通道，增益和偏移分别为0.00033420和0.1。
[0023]所述的地表温度反演方法，所述天空可视因子的计算方法为：天空可视因子表示地表在半球空间内对天空的可视程度，即该点接收到的大气下行辐射与其在平坦未被遮挡时接收到的来自半球空间内的大气下行辐射的比值，取值范围为0到1，通过公式(2)计算得到：
[0024][0025]式中，γ
i
是给定搜索方向上的垂直仰角，n是搜索方向的数量。
[0026]所述的地表温度反演方法，将整个半球空间的方位角离散为均匀分布的16个方向来计算天空可视因子，分别为0
°
,30
°
,45
°
,60
°
,90
°
,120
°
,135
°
,150
°
,180
°
,210
°
,225
°
,240
°
,270
°
,300
°
,315
°
和330
°
。
[0027]所述的地表温度反演方法，所述地表发射率的计算方法为：
[0028](1)不考虑城市三维几何结构时，根据不同地物组分的材料发射率的加权平均值
计算得到平坦地表的像元发射率：
[0029][0030]式中，ε
ef
为平坦地表的像元发射率，f
k
是像元内第k个地物组分的面积比例，ε
k
是像元内第k个地物组分的材料发射率；
[0031](2)对于具有复杂三维几何结构的城市地表，像元有效发射率通过平坦地表的像元发射率ε
ef
与像元内部不同地物组分之间的多次散射和反射引起的发射率增量计算得到：
[0032][0033]式中，ε
eu
为城市地表的像元有效发射率，Δε
m
为像元内部不同地物组分之间的多次散射和反射引起的发射率增量；
[0034]考虑像元内部不同地物组分之间的多次散射和反射，最终得到城市地表的像元有效发射率：
[0035][0036]式中，υ
in
为Landsat 8像元内部的天空可视因子，1
‑
υ
in
为像元内被建筑物遮挡的可视天空的部分；当像元的天空可视因子接近0时，意味着天空对整个像元本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑城市三维几何结构影响的地表温度反演方法，其特征在于，包括以下步骤：城市地表温度反演过程包括：步骤1：使用获得的Landsat 8第10通道的辐亮度、计算得到的地表发射率以及计算得到的大气透过率、大气上行辐射和大气下行辐射，通过公式(10)逐像元反演得到平坦地表温度T
s_initial
，并将此时的地表温度作为邻近像元地表温度的初始值；公式(10)：式中，T
s_initial
为反演得到的平坦地表温度；步骤2：将邻近像元地表温度的初始值输入公式(8)得到邻近像元辐亮度，并将计算得到的天空可视因子，计算得到的城市地表的像元有效发射率，计算得到的大气透过率、大气上行辐射和大气下行辐射，以及获得的Landsat 8第10通道的辐亮度，同时输入公式(9)，逐像元反演得到城市地表温度T
s
，并将此时的地表温度作为邻近像元的地表温度，用于迭代计算邻近像元辐亮度；公式(8)：式中，下标A和B分别代表目标像元和邻近像元，L
B
为邻近像元的辐亮度，θ为目标像元和邻近像元的中心点连线的夹角，dS
B
为邻近像元的面积，r
AB
为目标像元和邻近像元之间的距离，N为邻近像元的总个数；公式(9)：式中，T
s
为反演得到的考虑城市三维几何结构影响的地表温度，B
‑1为普朗克函数的逆运算；步骤3：重复用于迭代计算邻近像元地表温度的步骤2，直到前后两次邻近像元地表温度的差值小于一定数值或者迭代次数大于一定数值时输出结果，得到最终的城市地表温度。2.根据权利要求1所述的地表温度反演方法，其特征在于，所述Landsat 8第10通道的辐亮度获取方法为：下载搭载在Landsat 8卫星上的TIRS传感器的星上辐亮度数据；数据下载网址：https://earthexplorer.usgs.gov/；利用公式(1)将星上辐亮度数据转换为星上辐亮度值：L＝gain
×
DN+offset
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(1)式中，L为星上辐亮度，DN为计数值，gain和offset分别为增益和偏移。对于Landsat8第10通道，增益和偏移分别为0.00033420和0.1。3.根据权利要求1所述的地表温度反演方法，其特征在于，所述天空可视因子的计算方法为：天空可视因子表示地表在半球空间内对天空的可视程度，即该点接收到的大气下行
辐射与其在平坦未被遮挡时接收到的来自半球空间内的大气下行辐射的比值，取值范围为0到1，通过公式(2)计算得到：式中，γ
i
是给定搜索方向上的垂直仰角，n是搜索方向的数量。4.根据权利要求6所述的地表温度反演方法，其特征在于，将整个半球空间的方位角离散为均匀分布的16个方向来计算天空可视因子，分别为0
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【专利技术属性】
技术研发人员：段四波，茹晨，李召良，吴骅，刘萌，
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：