一种基于热量平衡的地表温度时间归一化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于热量平衡的地表温度时间归一化方法，该方法利用局地热量平衡原理，基于地表热辐射特性，提供了一种对不同轨道、不同时相地表温度数据进行时间归一化的方法。在两轨数据的重叠区内选取一种参考地物，利用同区域两个时刻的地表温度，计算其他像元相对参考地物的比热因子，再通过待校正的两轨地表温度数据，计算参考地物的温度差，从而将整景数据的地表温度校正至另一轨数据的基准，实现不同时相地表温度的归一化处理。相较于传统的地表温度时间归一化方法，本方法不需要一天内的多次观测数据，适用于Landsat8、高分五号等极轨卫星，适用范围更广；并且局部的校正精度更高，对于城市街区尺度的热环境分析有更佳的应用效果。佳的应用效果。佳的应用效果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于热量平衡的地表温度时间归一化方法


[0001]本专利技术涉及遥感数据
，尤其涉及一种基于热量平衡的地表温度时间归一化方法。

技术介绍

[0002]地表温度是地球表层与大气之间能量交换和物质交换的直接驱动因子，是全球气候变化研究的重要参数之一。利用遥感数据定量反演的地表温度已经广泛应用于旱灾预报、全球气候变化和全球碳平衡等研究领域，特别是随着全球城市化进程加快，城市热岛问题日趋突出，利用地表温度遥感数据监测和分析城市热岛现象，已经成为国内外研究的热点之一。
[0003]但是城市街区尺度的研究至少需要中等分辨率的热红外遥感数据，而目前国内外主流的中、高分辨率热红外遥感数据幅宽不足200km，因此对于部分面积较大的大型城市，仅一轨数据难以完整覆盖，需要不同轨道数据拼接、组合使用。
[0004]然而地表温度受太阳照射的影响非常大，具有强烈的瞬时性，即使同一区域，几分钟内的地表温度可能相差2K以上，不同轨道的地表温度数据往往相差更多。在不进行归一化处理的情况下，直接使用不同轨道的地表温度数据，会影响后续的应用效果。因此，在对不同轨道、不同成像时刻的地表温度同步分析时，需要先对其进行时间归一化处理，使不同成像时刻的地表温度校正至同一时刻基准。
[0005]目前，常用的地表温度时间归一化模型是地表温度日变化模型(DTC)以及在此基础上的改进模型。这种模型需要输入一天内的四次观测数据进行参数拟合，虽然具有一定的精度和物理意义，但是并不适用于高分五号、Landsat8等中、高分辨率的热红外数据，因为这些卫星通常重访周期都大于5天，不具备一天观测四次的基本条件。因此，有必要发展一种适用于中、高分辨率遥感数据的地表温度时间归一化方法，能够将不同轨道的地表温度进行校正，从而完整、全面地开展精细化的城市热环境分析。
[0006]由于不同地物的地表温度变化速度与自身比热容特性密切相关，在相同的地表净辐射下，比热容高的地物(如水体、植被)，温度变化会更慢。利用这个物理特性，基于局部地表热量平衡的原理，可以实现不同地物地表温度的归一化处理。并且，这种方法不要求一天内的多次观测数据，适用于重访周期长、分辨率较高的地表温度遥感数据。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种基于热量平衡的地表温度时间归一化方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0009]一种基于热量平衡的地表温度时间归一化方法，包括以下步骤：
[0010]S1：对于待校正的时刻t1的地表温度影像M1，和作为基准的时刻t2的地表温度影像M2，准备与M1影像同区域的t3时刻的地表温度影像M3作为辅助影像；
[0011]S2：判断地表温度影像M1、M2、M3是否为非同源遥感数据，若为非同源遥感数据，需要进行多源数据的标准化处理，进入步骤S3；否则，直接进入步骤S4；
[0012]S3：以M2影像为基准，对待校正的影像M1和辅助影像M3进行空间配准，保证影像在像素级别上的配准关系，利用ENVI或者Erdas软件，进行半自动的影像配准；
[0013]S4：在影像M1和M2的重叠区域内，选取一处地表覆盖均一的区域作为参考地物；
[0014]S5：计算地表温度影像M1中各个像元与辅助影像M3中的各个对应像元的地表温度差，获得地表温度差影像M
31
，公式为：
[0015][0016]其中，ΔT
i31
表示M1影像中i像元从t1时刻至t3时刻的地表温度差，T
it1
、T
it3
分别表示i像元在t1时刻和t3时刻的地表温度；
[0017]S6：计算地表温度影像M1中各像元与参考地物的比热因子的比值，公式为：
[0018][0019]其中，C
i
、ΔT
i31
分别表示M1影像中像元i的比热因子和t1至t3时刻的地表温度差，C
refer
、分别表示参考地物的比热因子和t1至t3时刻的平均地表温度差；
[0020]当参考地物的比热因子C
refer
为1时，则获得M1影像中各像元的相对比热因子，公式为：
[0021][0022]其中，C'
i
表示像元i的相对比热因子；的计算公式为：
[0023][0024]其中，j表示参考地物中的像元j，n是参考地物的像元总数，分别表示j像元在t1时刻和t3时刻的地表温度；
[0025]S7：计算参考地物从t1时刻至t2时刻的平均地表温度差，计算公式为：
[0026][0027]S8：将时刻t1的地表温度影像M1，校正至时刻t2，获得校正后的地表温度影像M4，计算公式如公式(6)所示：
[0028][0029]其中，即t1时刻的地表温度影像M1经过归一化处理后，获得的t2时刻的地表温度。
[0030]优选的，步骤S2中的多源数据标准化处理包括影像分辨率、空间坐标系的一致化处理。
[0031]优选的，所述影像分辨率重采样采用最邻近法，计算效率高且不改变原始的影像强度值；所述空间坐标系采用统一的2000国家大地坐标系。
[0032]优选的，步骤S4中选取参考地物时，选取水体或植被作为参考地物，因为其自身比热因子系数较大，在计算其他地物的相对比热因子时，算法误差更小、鲁棒性更高；大小为10像元乘以10像元。
[0033]优选的，步骤S6中的公式(2)的原理计算过程如下：
[0034]S61，提出地表比热因子C，通过地表净辐射和温度差计算，公式为：
[0035][0036]其中，ΔQ表示地表净辐射，ΔT表示地表温度差，地表净辐射可以表示为：
[0037]ΔQ＝E
‑
Q
e
ꢀꢀ
(8)
[0038]其中，E表示地表处太阳入射辐射，Q
e
是地表发射辐射，根据斯特藩
‑
玻尔兹曼定律，地表发射辐射计算公式为
[0039][0040]其中，δ是斯特藩
‑
玻尔兹曼常数，分别表示t1时刻和t2时刻的地表温度,t表示从t1到t2经过的时间；
[0041]S62,基于地表热量平衡原理，同一影像内的地表净辐射在一段时间范围内是相同的，结合公式(8)、(9)可以得到：
[0042][0043]通过误差分析，当地表温度变化在30K以内时，该假设引起的地物比热因子误差为0.006以内，最终地表温度校正误差在0.2K以内，不影响校正精度；
[0044]S63,结合公式(7)～(9)，计算地表温度影像M1中各像元与参考地物的比热因子的比值，计算方式为：
[0045][0046]基于地表热量平衡原理，根据公式(10)，则那么各个像元的比热因子为：
[0047][0048]当参考地物的比热因子C
refer
为1时，则本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于热量平衡的地表温度时间归一化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：对于待校正的时刻t1的地表温度影像M1，和作为基准的时刻t2的地表温度影像M2，准备与M1影像同区域的t3时刻的地表温度影像M3作为辅助影像；S2：判断地表温度影像M1、M2、M3是否为非同源遥感数据，若为非同源遥感数据，需要进行多源数据的标准化处理，进入步骤S3；否则，直接进入步骤S4；S3：以M2影像为基准，对待校正的影像M1和辅助影像M3进行空间配准，保证影像在像素级别上的配准关系，利用ENVI或者Erdas软件，进行半自动的影像配准；S4：在影像M1和M2的重叠区域内，选取一处地表覆盖均一的区域作为参考地物；S5：计算地表温度影像M1中各个像元与辅助影像M3中的各个对应像元的地表温度差，获得地表温度差影像M
31
，公式为：其中，ΔT
i31
表示M1影像中i像元从t1时刻至t3时刻的地表温度差，T
it1
、T
it3
分别表示i像元在t1时刻和t3时刻的地表温度；S6：计算地表温度影像M1中各像元与参考地物的比热因子的比值，公式为：其中，C
i
、ΔT
i31
分别表示M1影像中像元i的比热因子和t1至t3时刻的地表温度差，C
refer
、分别表示参考地物的比热因子和t1至t3时刻的平均地表温度差；当参考地物的比热因子C
refer
为1时，则获得M1影像中各像元的相对比热因子，公式为：其中，C'
i
表示像元i的相对比热因子；的计算公式为：其中，j表示参考地物中的像元j，n是参考地物的像元总数，分别表示j像元在t1时刻和t3时刻的地表温度；S7：计算参考地物从t1时刻至t2时刻的平均地表温度差，计算公式为：S8：将时刻t1的地表温度影像M1，校正至时刻t2，获得校正后的地...

【专利技术属性】
技术研发人员：王界，王光辉，刘宇，张涛，齐建伟，张伟，艾萍，
申请(专利权)人：自然资源部国土卫星遥感应用中心，
类型：发明
国别省市：