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应用静止卫星热红外遥感亮温资料反演地表温度的方法研究

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应用 静止 卫星 红外 遥感 资料 反演 地表 温度 方法 研究
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应 用 静 止 卫 星 热 红 外 遥 感 亮 温 资 料反 演 地 表 温 度 的 方 法 研 究!张 元 生!, ", 郭 # 晓", 张 小 美", 李 明 永"( !$ 中 国 地 震 局 地 震 预 测 研 究 所 兰 州 科 技 创 新 基 地 , 甘 肃 兰 州 # %&’’’’;"$ 中 国 地 震 局 兰 州 地 震 研 究 所 , 甘 肃 兰 州 # %&’’’’)摘 # 要 : 双 通 道 多 时 相 反 演 方 法 在 提 取 地 表 温 度 场 时 可 把 地 表 温 度 与 地 表 发 射 率 分 离 计 算 , 是 利用 静 止 卫 星 热 红 外 遥 感 资 料 研 究 地 表 温 度 场 变 化 的 一 种 有 效 方 法 。 该 方 法 计 算 简 单 , 易 于 实 现海 量 资 料 处 理 , 基 本 满 足 红 外 遥 感 资 料 在 地 震 预 报 中 的 应 用 要 求 。关 键 词 : 热 红 外 遥 感 ; 双 通 道 多 时 相 ; 反 演 ; 地 表 温 度中 图 分 类 号 : ()%*!; )+"&$%# # # 文 献 标 识 码 : ,# # # 文 章 编 号 : !’’’ -’.++( "’’+) ’" -’!!& -’*’# 引 言# # 本 文 所 使 用 的 卫 星 热 红 外 遥 感 资 料 来 自 风 云 二 号 , 星 , 它 是 中 国 的 第 一 颗 自 旋 稳 定 静 止 气 象 卫 星 ,定 位 于 东 经 !’*/, 每 小 时 可 获 得 对 地 观 测 圆 盘 图 象 一 次 。 可 见 光 波 长 范 围 ’$** 0!$’* !1; 红 外 波 长 范 围为 !’$* 0!"$* !1; 水 汽 波 长 范 围 为 2$" 0%$2 !1。 星 下 点 分 辨 率 : 可 见 光 !$"* 31, 红 外 及 水 汽 为 * 31。白 天 观 测 的 可 见 光 图 象 可 获 得 云 顶 及 地 表 的 反 照 率 ; 昼 夜 观 测 的 红 外 图 象 可 获 得 云 顶 及 地 表 的 红 外 辐 射 ;水 汽 图 象 可 获 得 大 气 中 的 水 汽 含 量 。地 表 温 度 是 地 表 与 大 气 相 互 作 用 过 程 中 的 一 个 重 要 的 物 理 参 数 。 陆 面 温 度 遥 感 反 演 一 直 是 许 多 学 者力 图 解 决 的 一 个 难 题 。 其 难 点 在 于 : "热 红 外 遥 感 的 大 气 影 响 十 分 复 杂 , 除 了 大 气 分 子 与 悬 浮 粒 的 吸 收 作用 和 散 射 作 用 外 , 大 气 的 水 汽 和 气 溶 胶 既 要 吸 收 能 量 又 要 辐 射 能 量 , 这 种 大 气 自 身 的 热 辐 射 叠 加 于 地 面 物体 的 热 辐 射 信 号 之 上 , 使 问 题 复 杂 化 ; #热 红 外 信 息 还 受 地 表 层 热 状 况 的 影 响 , 比 如 微 气 象 参 数 , 土 壤 参数 , 植 物 覆 盖 状 况 、 地 表 粗 糙 度 、 地 形 地 貌 等 多 种 因 素 影 响 ; $地 物 存 在 着 一 个 热 储 存 和 热 释 放 的 过 程 , 这个 过 程 不 仅 与 地 物 本 身 的 热 学 性 质 有 关 , 还 与 环 境 条 件 等 诸 多 因 素 有 关 , 整 个 热 过 程 存 在 着 “ 滞 后 ” 效 应 ,要 定 量 地 表 达 这 一 过 程 是 相 当 复 杂 的 ; %热 能 的 传 递 有 多 种 方 式 ( 传 导 、 对 流 、 辐 射 ) , 改 变 地 物 温 度 的 因素 除 了 热 吸 收 与 热 辐 射 外 , 还 有 显 热 交 换 与 潜 热 交 换 , 它 们 都 与 天 气 、 气 候 有 关 , 这 几 种 热 交 换 过 程 交 织 在一 起 难 以 区 分 和 建 立 与 温 度 的 定 量 关 系 ; &热 探 测 器 所 获 得 物 体 发 射 辐 射 信 息 包 含 物 体 的 温 度 和 物 体 的发 射 率 , 两 者 的 分 离 是 热 红 外 遥 感 的 难 点 。 尽 管 如 此 , 随 着 遥 感 技 术 的 不 断 发 展 , 应 用 卫 星 红 外 资 料 对 陆面 温 度 的 研 究 已 取 得 了 很 大 的 发 展 , 如 陆 面 “ 分 裂 窗 口 ” 方 法 使 得 陆 面 温 度 反 演 成 为 可 能 , 同 时 卫 星 红 外遥 感 技 术 在 地 震 预 报 中 的 应 用 已 取 得 了 一 定 程 度 的 进 展[ !, "]。!# 理 论 与 方 法!$!# 遥 感 基 本 原 理假 设 地 表 对 热 红 外 辐 射 具 有 朗 伯 体 性 质 , 大 气 下 行 辐 射 强 度 在 半 球 空 间 内 为 常 数 , 则 热 红 外 辐 射 的 单第 "2 卷 # 第 " 期"’’+ 年 2 月# # # # # # # # # # #西 # 北 # 地 # 震 # 学 # 报456(789:(964 :9;:;?,= @5# # # # # # # # # # # #2# 4C$"@"’’+! 收 稿 日 期 : "’’+H’"H’&资 助 项 目 : 国 家 “ 十 五 ” 科 技 攻 关 课 题 ( "’’!I,2’!I’" -’" -’*) ; 中 国 地 震 局 兰 州 地 震 研 究 所 论 著 编 号 : =?"’’+’’!作 者 简 介 : 张 元 生 ( !- ) , 男 ( 汉 族 ) , 贵 州 湄 潭 人 , 副 研 究 员 , 现 主 要 从 事 地 震 波 理 论 与 应 用 、 卫 星 红 应 用 外 遥 感 以 及 地 震 预 报 理论 与 方 法 研 究 $万方数据色 波 传 输 方 程[ !, "]可 以 写 成 为!!" #!( $%) "&!’#!(+$#!#!( $)) %’!(( $ * "&!) ’&#!+$#!#!( $))’&+!%’!其 中 !!为 实 测 红 外 辐 射 量 度 ; #!为 普 朗 克 黑 体 辐 射 函 数 ; $&为 地 表 物 理 温 度 ( 辐 射 温 度 ) ; $+为 高 度 + 处的 大 气 温 度 ; "&!为 地 表 比 辐 射 率 ; ’#!为 整 层 大 气 的 总 透 射 率 , ’+!为 从 高 度 + 处 到 大 气 上 界 的 透 射 率 。以 上 方 程 右 边 第 一 项 代 表 地 表 辐 射 ; 第 二 项 代 表 大 气 上 行 辐 射 ; 第 三 项 代 表 地 表 反 射 的 大 气 下 行 辐射 。 若 令!#!"+$#!#!( $)) %’!, #!"’&#!+$#!#!( $)) %’!’&)!+$#!#!( $)) %’!可 简 化 为!!" #!( $&) "&!’#!([ $ (( $ * "&!) #!] !#!式 中 ’# !、 #!和 !#!称 为 大 气 状 态 的 函 数 。遥 感 传 感 器 接 收 的 热 红 外 辐 射 是 宽 通 道 信 息 , 可 看 成 是 用 传 感 器 波 长 响 应 函 数 ( ,( !) ) 进 行 滤 波 的结 果 。 为 使 用 方 便 我 们 把 第 - 通 道 的 辐 射 传 输 方 程 仍 写 成 以 下 形 式 :!-" #-( $%) "&-’#-([ $ (( $ * "&-) #-] !#!-"+,( !) !!%!+,( !) %!’ ’ 应 用 大 气 辐 射 传 输 程 序 ()*+,-. / 可 计 算 出 地 表 各 点 的 辐 射 能 传 播 路 径 上 的 大 气 状 态 参 数 。 如 果 已知 第 "、 第 0 通 道 的 地 表 发 射 率 , 可 通 过 迭 计 算 出 地 表 辐 射 温 度 。 但 在 一 般 情 况 下 地 表 发 射 率 是 未 知 的 ,也 就 是 说 用 两 个 方 程 解 三 个 未 知 数 ( $&, "&", "&0) 有 一 定 困 难 。 另 外 地 表 发 射 率 的 变 化 对 温 度 的 影 响 较大 , 据 研 究 地 表 发 射 率 为 #1 #$ 的 误 差 可 引 起 地 面 辐 射 温 度 ( $&) $2 的 变 化 。 因 此 我 们 提 出 了 双 通 道 多 时相 的 反 演 方 法 。!1 "’ 双 通 道 多 时 相 反 演 方 法$1 &1 $’ 地 表 温 度 反 演“ 分 裂 窗 ” 技 术[ 0, 3]是 利 用 两 个 相 邻 近 的 热 红 外 光 谱 窗 口 辐 射 值 , 通 过 导 出 的 地 面 发 射 率 和 地 面 温 度的 线 性 关 系 , 得 到 由 两 个 窗 口 区 亮 温 ( 辐 射 温 度 ) 的 线 性 组 合 表 示 的 地 面 温 度 。 其 表 达 式 为$%" .#( .$$"( .&$0( $)式 中 $", $0分 别 是 第 "、 第 0 通 道 的 亮 温 ; .#, .$, .&与 地 表 发 射 率 和 大 气 参 数 有 关 。 虽 然 由 不 同 应 用 提 出不 同 思 路 , 考 虑 不 同 因 素 的 影 响 , 但 都 有 .$4 .&5$ 的 性 质 , 因 此 可 以 构 成 一 个 方 程 组 :$%" .#( .$$"( .&$0.$( .&"{$( &)’ ’ 应 用 地 球 静 止 卫 星 的 热 红 外 第 "、 第 0 通 道 观 测 的 亮 温 数 据 , 据 方 程 组 ( &) 可 以 建 立 方 程 个 数 多 于 未知 参 数 个 数 的 方 程 组 。 地 球 静 止 卫 星 每 $ 小 时 对 地 球 观 测 一 次 , 因 此 在 夜 间 &! 时 6 第 & 天 凌 晨 0 时 之 间至 少 可 以 对 地 面 进 行 0 次 观 测 。 如 果 有 /( !,/,0) 次 观 测 , 就 可 构 成 由 / 4$ 个 方 程 构 成 的 方 程 组 , 即$-%" .#( .$$-"( .&$’ ’ ’ - " $, &, … /.$( .&"{$( !)’ ’ 据 研 究 , 地 表 物 体 一 般 在 当 地 时 间 $& 6$/ 时 之 间 温 度 达 到 最 高 ; 在 夜 间 &! 时 6 第 & 天 凌 晨 0 时 地 表温 度 ( 辐 射 温 度 ) 变 化 缓 慢[ /]。 设 这 个 时 间 段 地 表 平 均 温 度 ( 辐 射 温 度 ) 为 $&, 因 此 第 - 个 时 相 的 地 面 温 度"$$’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ 西 ’ 北 ’ 地 ’ 震 ’ 学 ’ 报 ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ 第 &3 卷万方数据( 辐 射 温 度 ) 可 表 示 为!"#$ %"!#( !)其 中 %"为 第 " 个 时 相 的 地 面 温 度 权 重 系 数 , 可 表 示 为%"$( !"!& !"")#’)’" $#( !"!& !"")把 式 ( !) 代 入 方 程 组 ( $) 得(%& !"!(#& !""(&) %"!#$ %’ ’ ’ ’ " $ #, &, … ’(#& (&${#( ")令! $# !#!!#") %## !&!!&") %&… … … …# !’!!’") %’% # # %, ’ " $(%(#(&!#, ’ # $%%…%#把 方 程 ( ") 的 矩 阵 形 式 为!" $ #做 以 下 变 换!!!" $ !!#式 中 !!是 矩 阵 ! 的 转 置 矩 阵 , 设 % (!!!, & (!!# 得 :%" $ & ( ))式 中 % 是 一 个 ! *! 的 方 阵 , & 是 一 个 由 ! 个 分 量 组 成 的 向 量 。 解 方 程 组 ( )) , 可 得 向 量 ", 即 常 数 (%, (#,(&和 未 知 参 数 !*。 利 用 表 达 式 ( !) 可 计 算 各 时 相 的 地 表 辐 射 温 度 。#+ &+ &’ 计 算 地 表 发 射 率为 了 进 一 步 研 究 地 表 发 射 率 , 我 们 可 以 用 以 下 数 学 公 式[ )]( ,-./01-, #22#) :!*$ !!& +( !!) !") & , $ , &( # & +) !!) +!"( 3)其 中 ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ + $!""!& "!""-.;, $(# ) #!#!)!!"".( # ) &/!-) 0!)(# ) #"#")(""!.( # ) &/"-) 0";("$ #"$"4;""$ /"[ # & &$"( # ) #") 4] ;. $ !!"") !""!式 中 + 和 , 都 与 大 气 参 数 和 地 表 发 射 率 有 关 。 大 气 参 数 可 应 用 613 程 序 进 行 最 小 二 乘 线 性 回 归 获得 。 再 进 行 式 ( #) 和 式 ( 3) 比 较 得 方 程 : (#(# : +, (&( ; +。 解 这 两 个 方 程 可 以 得 到 第 !、 第 " 通 道 的 地 表发 射 率 。我 们 可 应 用 =/ 表 达 式 近 似 地 计 算 地 表 的 发 射 率[ ?], 即!#$ +%& 1!!& !"&& 2!!) !"&$ +%&1 & 2&!!&1 ) 2&!"$ +%& +#!!& +&!"( ?)式 中 系 数 分 别 为+%$ #3 &3!;"##第 & 期 ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ 张 元 生 等 : 应 用 静 止 卫 星 热 红 外 遥 感 亮 温 资 料 反 演 地 表 温 度 的 方 法 研 究 ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’万方数据! " ! # "$!#$!$( ! % !)!% "$%&’"!!’;& " $$’$ # ($)&( ! % !)!# (&$(("!!’;! "!%# !#’; "! " !%% !#。* * 式 ( &) 中 ’!+ ’’, !, ! 是 一 个 与 发 射 率 有 关 的 变 量 , 在 "$),!,! 和 -". "!,!!,"$ "! 的 条 件 下 , !不 等 于 !, 即 ’!+ ’’-!, 这 是 分 裂 窗 口 法 不 允 许 的 。 尽 管 如 此 , ! 也 是 约 等 于 ! 的 , 即 /! - !/ 0". "(。 因此 利 用 式 ( &) 计 算 的 地 表 发 射 率 误 差 要 比 利 用 式 ( 1) 计 算 的 地 表 发 射 率 误 差 大 一 些 , 但 利 用 式 ( &) 中 系 数关 系 计 算 地 表 发 射 率 不 需 要 大 气 参 数 , 计 算 大 大 简 化 。 选 择 何 种 计 算 式 , 要 视 具 体 情 况 而 定 。’* 讨 论应 用 地 球 静 止 卫 星 的 两 个 热 红 外 通 道 在 每 天 的 特 殊 时 间 段 内 的 多 个 时 相 观 测 数 据 进 行 反 演 , 可 以 获得 这 个 时 间 段 内 的 地 表 辐 射 温 度 , 不 需 要 计 算 地 表 的 发 射 率 。 地 震 监 测 与 气 象 监 测 一 样 , 需 要 连 续 观 测 ,特 别 强 调 资 料 的 连 续 和 可 比 性 , 这 就 要 求 资 料 实 时 处 理 和 实 时 分 析 。 双 通 道 多 时 相 方 法 计 算 简 单 , 易 于 实现 海 量 的 资 料 处 理 , 初 步 达 到 了 红 外 遥 感 资 料 在 地 震 预 报 中 的 应 用 要 求 。中 国 大 陆 已 探 明 具 有 发 生 中 强 以 上 地 震 的 活 断 层 分 布 很 广 , 尤 其 在 青 藏 块 体 内 部 及 周 缘 新 构 造 运 动十 分 强 烈 , 地 震 活 动 频 繁 , 地 震 强 度 大 。 在 目 前 中 国 大 陆 西 部 地 震 监 测 能 力 差 和 地 震 预 报 不 成 熟 的 情 况下 , 用 静 止 卫 星 红 外 遥 感 数 据 来 研 究 大 范 围 地 表 温 度 场 的 连 续 变 化 , 监 测 地 表 局 部 温 度 场 变 化 中 的 地 震 前兆 异 常 , 具 有 很 好 的 应 用 前 景 。在 利 用 静 止 卫 星 热 红 外 遥 感 资 料 监 测 到 某 一 地 区 的 温 度 场 发 生 了 变 化 , 我 们 可 以 调 用 较 高 分 辨 率 的地 球 极 轨 卫 星 遥 感 资 料 来 提 高 温 度 异 常 区 的 分 辨 。 双 通 道 多 时 相 方 法 为 应 用 极 轨 卫 星 热 红 外 遥 感 资 料 反演 地 表 温 度 提 供 了 地 表 发 射 率 的 参 考 值 或 初 始 值 , 为 提 高 反 演 精 度 和 缩 短 反 演 计 算 时 间 提 供 了 条 件 , 是 卫星 热 红 外 遥 感 在 地 震 预 报 应 用 中 的 一 种 有 效 方 法 。[ 参 考 文 献 ][ !] * 强 祖 基 , 徐 秀 登 . 卫 星 热 红 外 异 常 — — — 临 震 前 兆 [ 2] . 科 学 通 报 , !))", !"( !1) : !(’% -!(’1.[ ’] * 强 祖 基 , 孔 令 昌 , 王 弋 平 , 等 . 地 球 放 气 , 热 红 外 异 常 与 地 震 活 动 [ 2] . 科 学 通 报 , !))’, !#( ’%) : ’’#) -’’$’.[ (] * 柳 钦 火 , 徐 希 孺 , 陈 家 宜 . 遥 测 地 表 温 度 与 比 辐 射 率 的 迭 代 反 演 方 法 [ 2] . 遥 感 学 报 , !))&, $( !) : ! -&.[ %] * 3456 - 7859: 7;, ?@>A, B C M>559K >E>5V>G>9G[ 2] . , !))(, %!: $1 -&#.[ #] * S 2 759K M>5 R> T>8:4 V>5>A 59K - D?59989: >A!. 6I[ 2] . 26J W>6F V>G>5A?4, !))(, &’( R)) : !$$&) -!$1"’.[ $] * 2 S X T F>G. 8? 6A 759K M>5Z[77 -!! 4599> 59K #, V>>9G[ 2] . , !))!, !’: !) -(%.[ 1] * 陈 华 慧 . 遥 感 地 质 学 [ B] . 北 京 : 地 质 出 版 社 , !)&%.’(! -’(%.[ &] * ?@>A, 3459: - 7859: 7;. F 589N>Q>A G[ 2] . ;9E. 2. V>G>9 !))", ((( () : ($) -()(.$!!* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 西 * 北 * 地 * 震 * 学 * 报 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 第 ’$ 卷万方数据!"#$% &’ "() *’+),!*&’ -)"(&$ &. /0’$ !#,)0"#,) 3% 022/%*’4 *, 3,*4("")0"#,) $0"0 &. !"*// !0")//*")!"#$% &’()*+,-)./, 0, %12 34(0, !"#$% 34(5*678 94).*:5)! "#$%&’( )#*+ ’, -$*./.(.+ ’, 0#1.&2(#3+ 41+5/6./’$, 708, "#$%&’( ;,- 4)?-@+45) 6B 5C (++, @+4F E,(+-+ G() G((,- F()B +’@C(*A’@- ()B A,- F()B +’@C(64++4?4A: 4)B’(D,-) ()4). A,- F()B +’@C(A’@-, 4+ ( (: @-*+-(@G,4). A,- ?(@4(5C F()B +’@C(A’@- : (). 8I B(A( 5C +(,- 6B 4+ -(+:-(@54). 6(++ B(A( +4656E’A( ()B 4+ (5 C’+A 5) (). 8I B(A( (@A,*.’(@;?8@6: (?7C@ @6 7<9I ; *6B?C; /9C@6 7<97: 应 用 静 止 卫 星 热 红 外 遥 感 亮 温 资 料 反 演 地 表 温 度 的 方 法 研 究 N N N N N N N N N N N N 张元生, 郭晓, 张小美, 李明永作者单位: 张元生(中国地震局地震预测研究所兰州科技创新基地,甘肃,兰州,730000;中国地震局兰州地震研究所,甘肃,兰州,730000), 郭晓,张小美,李明永(中国地震局兰州地震研究所,甘肃,兰州,730000)刊名: 西北地震学报英文刊名: (期): 2004,26(2)被引用次数: 8次参考文献(8条)I a 990(03)感地质学 , 993(09)i;F P 希孺;陈家宜 遥测地表温度与比辐射率的迭代反演方法[期刊论文]998(01)令昌;王弋平 地球放气、热红外异常与地震活动 1992(24)秀登 卫星热红外异常990(17)本文读者也读过(10条)1. 李净 基于议论文]红外遥感中大气下行辐射效应的一种近似计算与误差估计[期刊论文](3)3. 星热红外遥感对城市热岛现象的监测[会议论文]汉市城区热场变化的遥感检测与影响因素分析[期刊论文])5. 于刊论文]然科学版)2010,31(4)6. 刊论文]4(2)7. 元分解技术订正比辐射率的热红外遥感地热温度反演及刊论文]1)8. 红外遥感反演陆地表面温度研究进展[期刊论文])9. 用刊论文]4(6)10. 刊论文]1(2)引证文献(10条)刊论文]0)安地震前卫星热红外亮温变化[期刊论文]011(30)于遥感数据的青藏高原热环境调查[期刊论文]010(1)于遥感数据的青藏高原热环境调查[期刊论文]010(1)温与降水量的关系[期刊论文]010(4)刊论文]009(3)疆刊论文]008(2)于热红外遥感的热环境区划研究[期刊论文]然科学版)2008(3)于刊论文]006(2)刊论文]005(3)本文链接:
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