基于单窗算法反演地表温度的ENVI操作教程.docx
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基于单窗算法反演地表温度的ENVI操作教程
单窗算法反演地表温度教程
1.1算法原理
1.1.1单窗算法
单窗算法(MW算法)是覃志豪于2001年提岀的针对TM数据只有一个热红外波段的地而温度反演算法。
经过众多学者验证,单窗算法具有很高的反演精度,且同样适用于ETM+和1andsat8数据。
公式如下:
J=(«6(1-C6-£)6)+(Z?
6(l-C6-Z)6)+C6+D6)Tww,r-D67^)/C6
式中,LST为地表温度(K),Zw『是传感器上的亮度温度(K),几是大气平均温度(K);a、b为参考系数,当地表温度为0・7O°C时,a=・67.355351,b=0.458606;C、D为中间变量,计算公式为:
C=
Z)=(l-r)[l+(l-f)r]
式中,&为地表比辐射率,r为地而到传感器的大气总透射率。
因此单窗算法反演地表温度的关键是计算得到亮度温度Ts。
、地表比辐射率£、大气透射率r和大气平均作用温度Ta.
1.1.2参数计算
1.1.2.1辐射亮温计算
利用Planck公式将图像像元对应传感器辐射强度值转换为对应的亮度温度值。
公式如下
ln(l+才)
式中纫s。
为亮度温度值;厶影像预处理后得到的光谱辐射值,单位为“,/(〃,』・.“”),ki、K2为常量,可由数据头文件获取。
计算图像辐射亮温之前,需采用辐射定标参数将像元灰度值DN转换为热辐射强度值,公式如下:
La二MgXZW+电
式中,购为增益参数,宜z为偏移参数,该参数可直接在影像通文件数据中获取,且ENVI软件中已经集成,不需要自己在查找。
1.1.2.2地表比辐射率计算
根据覃志豪针对TM影像提岀的混合像元分解法来确定区域地表福辐射率。
对于城市区域,我们简单的将其分为水体、自然表面和建筑表面三种,因此针对混合像元尺度上的地表比辐射率通过下式来估算:
S=PvRvSv+(1-E)&豔+£
式中,&为混合像元的地表比辐射率;Pv为植被覆盖率;Rv为植被的温度比率;Rm为建筑表面的温度比率;表示植被法地表比辐射率,阳表示建筑表而的地表比辐射率;血表示辐射校正项。
根据覃志豪经验公式,&=0.986;£m=0.972。
根据Aster提供的常用地物比辐射率光谱库Landsat8数据特点,对于B10波段,£‘=0.98672;几=0.96767。
对于B11波段&=0.98990;爲=0.977515。
在地表相对较平整的区域,一般可取dw=O;在地表起伏较大的区域,d£可根据植被的构成比例估计。
研究表明热辐射相互作用在植被与裸土分别占一半时达到最大,所以可以根据如下经验公式来估计d8:
当Pv<0.5时,de=0.0038Pv
当Pv>0.5时,d沪0.0038(1-Pv)
当Pv=0.5时,dw=0.0019
RV和Rm的确定采用覃志豪等提出的经验公式计算:
RV=0.9332+0.0585*PV
Rm=0.9886+0.1287*PV
PV为植被覆盖率可用下式计算:
PV=(NDVI-ND\ls)/(NDVIv-NDVIs)
其中NDVI是归一化植被指数,NDVIV、NDVIS分别是植被和裸土的NDVI值,由于没有详细的区域植被和土壤光谱资料,采用覃志豪经验值以ND\TV=0.70和NDVIS=0・05来进行植被覆盖度的近似估计。
1.1.2.3大气平均作用温度的计算
对于大气平均温度,覃志豪等也提供了一个经验公式,该公式是根据Modtran所提供的标准大气推导出来的,如下表所示,其中To为近地表温度(K)。
表3・4大气平均作用温度与地面附近气温的关系固
人气的剖面类型
7;与珀的关系
美国1976年平均大气
=25.9396+0.88045
热带平均人气
Za=17.9769+0.217157^
中纬度夏季半均大气
7;=16.0110+0.9262170
中纬度冬季平均人气
7;=19.2704+0.91118
一般研究区在重庆的,选择中纬度夏季平均大气。
1.1.2.4大气透射率的计算
由于单窗算法对输入的参数较敏感,因此需要较精确的大气透射率参数来反演地表温度。
影响大气透射率的因素较多,如气压、气温、气溶胶含量、大气水分含量、03、C02、CO、NH4等对热辐射传导均有不同程度的作用,从而使地表的热辐射在大气中的传导产生衰减。
因此,准确的大气透射率求算比较复杂,需要较详细的大气剖面数据,但在实际应用中很难获取详细的大气剖面数据。
研究表明大气水分含量对大气透射率的变化影响较大,而其它因素由于很难在短时间内发生较大变化而对大气透射率的影响较小。
因此,水分含量就成为大气
透射率估计的主要考虑因素。
覃志豪等根据大气中的水汽含量动态变化对大气透射率的影响程度进行了研究,并对大气透射率进行了估计,如表3.1o其中:
w是大气水汽含量。
以重庆为研究区的研究一般选用是气温较高时的估算
公式。
大气透射率估计方程
接下来只需要计算出大气水分含量便可计算得到大气透射率。
学
者杨景梅根据地而、高空气象要输资料,提出利用地而湿度计算整层大气可降水量,由此计算得出整层大气水汽含量的方法(场訓邱金恒,用地面湿度参量计算我国整层大气可降水量及有效水汽含量的方法的研究,大气科学,2002.01)公式如下:
=Co+q炉
式中,CD为大气水汽含量(g/C1112),w为整层大气可降水量(C
m);COCl为经验系数,以重庆为研究对象,一般可选取成都的经验
值来计算。
C0=0.1274;Cl=0.6878.计算大气可降水量公式如下:
W=aQ-\-字
式中,W为整层大气可降水量(cm),e为地而水汽压(hPa),a0al为经验系数,可从以下公式计算得出。
(以33。
)
@<33°)
0.03exp(-1.39^2+2.74^+0.15)
0・04exp(0・6H)—£]+必
0.17+^(以33°)
如一[0.20-心(仟33。
)
70.05
dx
(0-25.0)「+0.25d=f0(p>20。
)九_[-0.9(^<20°)
_0.066
3_[(0_33)?
十4.41
式中为地理纬度(。
),11为海拔高度。
重庆市主城区纬度取29.5,平均高程取0.35kin,则有。
3=0.19604e+0.04691
其中:
e是绝对水汽压(hPa)o
采用WMO在1996年公布的《气象仪器和观测方法指南》中公布的饱和水汽压E公式。
对于纯水而用公式计算,适用于温度・45〜60°C。
E=6.112exp[17.62*T0/(243.12+To)]
RH=e/E*100
推算出:
e=6.112exp[17.62*T°/(243.12+To)]*RH
式中,RII为相对湿度,可以通过气象观测数据获得,To为气温(°C)。
1.2地表温度反演步骤
1.2.1影像预处理
(1)辐射定标
选择RadiometricCorrection/RadiometricCa1ibration。
在对话框中,选择数据LC81230322013132LGN02_MTL_Thermal,单击Spectra1Subset选择TliennalInfraredl(10.9),打开RadiometrieCalibration面板。
(2)大气校正
木教程选择Flaash校正法□FLAASHAtmosphericCorre
ction,双击此工具,打开辐射定标的数据,进行相关的参数设置进行大气校正。
注意:
如果在多光谱数据辐射定标时scalefactor值忘记设置,可在本步骤中
打开辐射定标数时设置sing1esealefaceor值为0丄若已设置,则默认
值为1即可。
1)InpntRadianceImage:
打开辐射定标结果数据;
2)设置输出反射率的路径,由于定标时候;
3)设置输出FLAASH校正文件的路径,最优状态:
路径所在磁盘空间足够大;
4)中心点经纬度SceneCenterLocatioil:
自动获取;
5)选择传感器类型:
Landsat-8OLI;其对应的传感器高度以及影像数据的分辨率自动读取;
6)设置研究区域的地而高程数据;
7)影像生成时的飞行过境时间:
在layermanager中的Lc8数据图层右键选择ViewMetadata,浏览time字段获取成像时间;
注:
也可以从元文件“LC81230322013132LGN02_MTL.txt”中找至I」,具体名称:
DATE_ACQUIRED=2013-05-12;SCENE_CE
NTER_TIME=02:
55:
26.6336980Z;
8)大气模型参数选择:
Sub-ArcticSummer(根据成像时间和纬度信息选择);
9)气溶胶模型Aeroso1Model:
Urban,气溶胶反演方法AerosolRetrieval:
2-band(K-T);
10)其他参数按照默认设置即可。
11)多光谱参数设置中,
K-T反演选择默认模式:
Defau1ts->Over-LandRetrievalstandard(600:
2100)
波谱响应函数:
默认指向..
\ProgramFiles\Exelis\ENVI5l\classic\fi1t_func\landsat8_oli.sli
把它重新指向:
..\ProgramFiles\Exelis\ENArI51\resource\filterfiincs\1andsat8_o1i.sli
注:
这是因为ENVI5.1版木的一个小bug,即Classic中的L8的波谱响应函数不正确,另外一个一劳永逸的方法是:
将“\Exelis\ENVI51\resource\fi1teThmcs"中的Landsat8_oli.s1i和Landsat8_oli.hdr两个文件拷贝覆盖:
"...\ENVI51\classic\fi1t_hmc”中的两个文件。
否则SWIR1波段大气校正后的结果全为0。
见下图
12)高级参数设置:
根据内存大小设置TileSize(Mb):
100(8g
物理内存),其他参数默认即可,详细见下图
经过FLAASII校正的影像基木去除了空气中水汽颗粒等因子的影响,植被的波谱曲线趋于正常。
1.2.1.1地表比辐射率计算
(1)植被覆盖度计算
第一步,利用多光谱遥感影像,计算研究区域归一化植被指数NDVI,ENVI软件中有工具集成,使用即可。
第二步,利用波段运算工具,根据覃志豪经验公式,计算研究区植被覆盖度。
(b1gt0.7)*1+(b11t0.05)*0+(b1ge0.05andbl1e0.
7)*((bl-0.05)/(0.7-0.05))
b1:
NDVI
(2)地表比辐射率计算
第一步,计算dw
(b11eO.5)*O.0038^bl+(b1eq0.5)*0.0038*(1・bl)+(blgt
0.5)*0.0019
bl:
植被覆盖度Pv
第二步,计算,在波段运算器中分别输入下列式中:
Rv:
0.9332+0.0585*b1
Rm:
0.9886+0.1287*bl
b1:
植被覆盖度Pv
第三步,计算地表比辐射率
利用B10波段计算地表比辐射率:
bl*b2*0.98672+(l-bl)*b3*0.
96767+b4
利用B11波段计算地表比辐射率:
bl*b2*0.9899+(l-bl)*b3*0.97515bl:
植被覆盖度Pv;b2:
植被表而温度比率RV;b3:
建筑表而温度比率Rm;
b4:
指的是de
122辐射亮温计算
K1K2需要根据不同影像查表得到:
(1321.0789)/a1og(774.8853/bl+1)
b1:
波段10或者波段11经过辐射校正后的数据厶
1.2.3地表温度计算
第一步,计算C:
bl*b2
b1:
地表比辐射率;b2:
大气透射率
第二步,计算D:
(1-b2)*(l+(l・bl)*b2)
bl:
地表比辐射率;b2:
大气透射率
第三步,计算LST:
(-67.355351*(l-bl-b2)+b3*(0.458606*(l-bl-b2)+b1+b2)—b2*295.4
022465)/bl
bl:
指的是C;b2:
指的是D;b3:
指的是辐射亮温;b4:
指的是大气平均作用温度Ta