考虑城市三维结构影响的地表温度与发射率同时反演方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑城市三维结构影响的地表温度与发射率同时反演方法，利用ECOSTRESS多波段的热红外数据，通过引入天空可视因子表征城市三维几何结构，结合分裂窗方法和温度/发射率分离方法各自的优点，利用分裂窗方法进行大气校正，在此基础上，利用温度/发射率分离方法实现地表温度与发射率分离，提出了一种考虑城市三维结构影响的地表温度与发射率同时反演的方法，该方法无需输入城市地表发射率，并且实现了地表温度与发射率的同时反演，从而提高城市地表温度反演精度。从而提高城市地表温度反演精度。从而提高城市地表温度反演精度。

【技术实现步骤摘要】
考虑城市三维结构影响的地表温度与发射率同时反演方法


[0001]本专利技术涉及定量遥感
，尤其涉及的是一种考虑城市三维结构影响的地表温度与发射率同时反演方法。

技术介绍

[0002]地表温度与发射率作为地表与大气之间物质与能量交换的关键因子，是研究区域及全球尺度下地表物理过程的重要指标。因此，地表温度与发射率被广泛应用于全球气候变化、地表蒸散发以及城市热环境监测等相关领域的研究。热红外遥感技术以其大面积同步观测、数据获取周期短以及费用低等优势，成为目前城市地表温度与发射率反演研究的主要手段。随着城市化进程不断发展，城市形态急剧变化，各类环境问题的出现使城市人居环境愈发受到广泛的关注。城市地表温度与发射率作为反映城市微气候的重要指标之一，对城市热岛效应、城市生态环境和人居环境的协同发展、城市的未来规划和可持续发展都具有非常重要的研究意义。
[0003]目前，国内外学者已经发展了很多地表温度的热红外遥感反演方法，如单通道方法、分裂窗方法、温度/发射率分离方法等。单通道方法需要地表发射率和大气廓线作为输入来反演地表温度。分裂窗方法利用相邻通道对大气水汽的吸收作用不同来消除大气的影响，在地表发射率已知的情况下反演地表温度。温度/发射率分离方法可以实现地表温度与发射率的分离，但是需要精确的大气廓线数据作为输入进行大气校正。结合分裂窗方法与温度/发射率方法各自的优势，可以减小输入参数对反演结果的影响，提高地表温度与发射率的反演精度。与平坦地表不同，城市地表由不同建筑、人工表面和植被构成，导致地表温度和发射率具有强烈的空间异质性。城市三维几何结构对热辐射传输的影响主要体现在：(1)目标像元内部的多次散射和反射导致城市地表发射率的增大；(2)周围像元邻近辐射的影响导致目标像元的总辐射增大；(3)城市三维几何结构对大气下行辐射的影响导致目标像元的总辐射减小。
[0004]本申请人前期的专利技术专利2021114949642
‑
一种考虑城市三维几何结构影响的地表温度反演方法，该专利基于Landsat 8单波段的热红外数据，通过引入天空可视因子表征城市三维几何结构，提出了一种适用于城市复杂下垫面的地表温度单通道反演方法，该方法需要事先已知城市地表发射率来反演城市地表温度，但是城市地表发射率的估算误差会影响城市地表温度反演精度。
[0005]因此，为了获取高精度的城市地表温度和发射率，必须考虑城市复杂的三维几何结构的影响，提出一种城市地表温度与发射率同时反演方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种考虑城市三维结构影响的地表温度与发射率同时反演方法，提高城市地表温度反演精度。
[0007]本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种考虑城市三维结构影响的地表温度与发射率同时反演方法，包括以下步骤：
[0009](1)下载ECOSTRESS 5个热红外波段的星上辐亮度，基于辐亮度与温度查找表，通过线性插值将星上辐亮度转换为星上亮温；通过公式(6)计算地表亮温T
gi
，再基于辐亮度与温度查找表，通过线性插值将地表亮温转换为离地辐射；
[0010]T
gi
＝A
0ij
+A
1ij
T
bi
+A
2ij
(T
bi
‑
T
bj
)+A
3ij
(T
bi
‑
T
bj
)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0011]式中，A
0ij
,A
1ij
,A
2ij
和A
3ij
为利用波段i和波段j的星上亮温组合来估算地表亮温时的分裂窗方法系数；T
bi
是波段i的星上亮温,T
gi
是波段i的地表亮温，T
bj
是波段j的星上亮温,T
gj
是波段j的地表亮温；
[0012](2)基于地表平坦的假设，开始运行温度/发射率分离方法；在NEM模块中，将离地辐射以及计算得到的大气下行辐射代入公式(7)中，并根据公式(8)和公式(9)计算T
NEM
以及各个波段的初始地表发射率ε
i
；
[0013][0014]式中，T
ri
为波段i的初始地表辐射温度，B
i
‑1为波段i的普朗克反函数，ε
max
为最大发射率，取值为0.99；
[0015]将初始地表辐射温度在所有波段的最大值设置为T
NEM
：
[0016]T
NEM
＝max(T
ri
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0017]根据T
NEM
计算每个波段的初始地表发射率：
[0018][0019](3)将计算的各个波段的初始地表发射率ε
i
输入到RAT模块中；随后，将RAT模块计算得到的发射率比值β
i
代入到MMD模块中，根据公式(12)计算发射率最小值ε
min
，并基于发射率最小值重新估算各个波段的发射率；
[0020]ε
min
＝a
‑
b
×
MMD
c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0021]式中，ε
min
为地表发射率在所有波段的最小值，a,b,c为回归系数；
[0022](4)计算地表发射率在所有波段的最大值根据公式(15)，利用最大发射率对应波段的离地辐射和大气下行辐射反演平坦地表温度T
sTES
；
[0023][0024]式中，T
sTES
为反演的地表温度，B
b*
(T
g,b*
)为波段b*的离地辐射，T
g,b*
为波段b*的地表亮温，L
d,b*
为波段b*的大气下行辐射；
[0025](5)将重新估算的最大发射率代入到NEM模块中进行迭代，直到前后两次地表温度的差值小于0.1K或者迭代次数大于12时输出平坦地表温度与发射率；
[0026](6)考虑城市三维几何结构的影响，开始运行适用于城市地表的温度/发射率分离方法；将计算得到的天空可视因子以及平坦地表温度与发射率代入公式(16)中，并根据公式(8)、(9)、(10)，运行常规的NEM和RAT模块；
[0027][0028]式中，ε
max
在第一次时设置为反演的平坦地表发射率的最大值；
[0029](7)引入天空可视因子SVF对MMD模块进行改进；构建SVF范围为0.1
‑
1步长为0.1情况下的MMD与城市地表发射率最本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑城市三维结构影响的地表温度与发射率同时反演方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)下载ECOSTRESS 5个热红外波段的星上辐亮度，基于辐亮度与温度查找表，通过线性插值将星上辐亮度转换为星上亮温；通过公式(6)计算地表亮温T
gi
，再基于辐亮度与温度查找表，通过线性插值将地表亮温转换为离地辐射；T
gi
＝A
0ij
+A
1ij
T
bi
+A
2ij
(T
bi
‑
T
bj
)+A
3ij
(T
bi
‑
T
bj
)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)式中，A
0ij
,A
1ij
,A
2ij
和A
3ij
为利用波段i和波段j的星上亮温组合来估算地表亮温时的分裂窗方法系数；T
bi
是波段i的星上亮温,T
gi
是波段i的地表亮温，T
bj
是波段j的星上亮温,T
gj
是波段j的地表亮温；(2)基于地表平坦的假设，开始运行温度/发射率分离方法；在NEM模块中，将离地辐射以及计算得到的大气下行辐射代入公式(7)中，并根据公式(8)和公式(9)计算T
NEM
以及各个波段的初始地表发射率ε
i
；式中，T
ri
为波段i的初始地表辐射温度，B
i
‑1为波段i的普朗克反函数，ε
max
为最大发射率，取值为0.99；将初始地表辐射温度在所有波段的最大值设置为T
NEM
：T
NEM
＝max(T
ri
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)根据T
NEM
计算每个波段的初始地表发射率：(3)将计算的各个波段的初始地表发射率ε
i
输入到RAT模块中；随后，将RAT模块计算得到的发射率比值β
i
代入到MMD模块中，根据公式(12)计算发射率最小值ε
min
，并基于发射率最小值重新估算各个波段的发射率；ε
min
＝a
‑
b
×
MMD
c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)式中，ε
min
为地表发射率在所有波段的最小值，a,b,c为回归系数；(4)计算地表发射率在所有波段的最大值根据公式(15)，利用最大发射率对应波段的离地辐射和大气下行辐射反演平坦地表温度段的离地辐射和大气下行辐射反演平坦地表温度式中，为反演的地表温度，B
b*
(T
g,b*
)为波段b*的离地辐射，T
g,b*...

【专利技术属性】
技术研发人员：段四波，茹晨，李召良，黄成，张霄羽，
申请(专利权)人：中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，
类型：发明
国别省市：