基于单窗算法反演地表温度的ENVI操作教程.docx

1、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2 0 0 1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1 a n d sat 8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07OC时，a = 6 7. 3 5 5 351,b=

2、 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

3、，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

4、覃志豪经验公式，&=0.9 8 6； m=0.9 7 2。根据Aster提供的常用地物比辐射率光谱库L an d sat 8数据特 点，对于B10波段，=0.98672；几=0. 96767。对于B11波段& = 0. 9 8 9 90；爲=0. 9 775 1 5。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 d 8：当 Pv0. 5 时，d沪0. 0 03 8 (1-Pv)当 Pv=0. 5 时，dw= 0 .001 9RV和Rm的确定采用覃志豪等提出的

5、经验公式计算：R V= 0.9 332+0.0585*PVRm= 0 .9886+ 0 .1 2 87* PVPV为植被覆盖率可用下式计算：PV=(NDVI-NDls)/(NDV I v-ND V I s)其中NDV I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NDTV=0.70和NDVIS = 00 5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(

6、K)。表34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+0.21715 7中纬度夏季半均大气7； =16.0110+0.92621 70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

7、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. 1 o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

8、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(Cm);CO Cl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。C 0= 0.1 2 7 4 ;Cl=0.6 8 78.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) ,a0 al为经验系数，可从以下公式计算得出。（以 33。）20。） 九

9、 _-0.9 （Ov e r -Land Retri e val sta n d a rd(6 0 0:21 0 0 )波谱响应函数:默认指向. P r ogram F iles Exeli s E N VI5 lclassic f i 1 t _ f u nclandsat8_oli. sli把它重新指向:.Program Fil e s E xelis ENAr I 5 1 r e s ourcefil t e rfiincs 1 a n ds a t8_ o 1 i.sli注:这是因为ENV I 5. 1版木的一个小b ug,即Cla s sic中的L8 的波谱响应函数不正确，另外一个一

10、劳永逸的方法是:将“Exe lisENVI51re s o u rce fi 1 teThmcs中的 L a ndsat8_oli. s 1 i 和 L andsa t 8_ o li. h dr 两个文件拷贝覆盖:.ENVI51classicfi 1 t _hmc”中的两个文件。否则SW I R 1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Tile Size (Mb): 1 0 0( 8 g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

11、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N DV I , 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。(b 1 gt 0.7 )*1+ (b 1 1 t 0. 0 5)* 0 +(b 1 ge 0 . 05 a ndbl 1 e 0.7)*(bl-0. 05) /(0. 7-0.0 5)b 1 : NDVI(2)地表比辐射率计算第一步，计算dw(b 1 1 eO.5)*O. 0 0 38bl +(b 1 eq 0. 5 ) * 0.0 0 38*( 1 b l)+(bl g t0.5)*0.0019bl：植被覆

12、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. 9 332+0. 0 5 8 5*b 1Rm : 0.9886+0.128 7 *blb 1:植被覆盖度Pv第三步，计算地表比辐射率利用B1 0波段计算地表比辐射率:bl*b 2 * 0 .986 7 2 + (l-bl)*b3*0.9 6 7 6 7 +b4利用B 1 1波段计算地表比辐射率:bl*b 2 * 0 . 9 8 99+(l-bl) *b3* 0 .97515 bl: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d e122辐射亮温计算K 1 K2需要根据不同影像查表得到

13、：(1 3 2 1.07 8 9) / a 1 og ( 774. 8853/bl +1)b 1 :波段10或者波段1 1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*b2b 1 :地表比辐射率；b2:大气透射率第二步，计算 D: (1 -b2)*(l+(lbl)*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*(0.45860 6 * (l-bl-b2)+b 1+b 2)b2 * 2 95.40 224 6 5) /blbl:指的是C; b2:指的是D; b 3：指的是辐射亮温；b 4:指的是大气平均作用温度Ta