本發(fā)明涉及衛(wèi)星遙感定量反演領(lǐng)域，具體地涉及一種國產(chǎn)寬波段熱紅外載荷地表溫度估算方法。

背景技術(shù)：

1、地表溫度(land?surface?temperature，lst)是描述地球表面與大氣能量交換的關(guān)鍵物理量之一，它反映了地表與大氣之間的熱傳輸過程，以及大氣對地表熱量的吸收、輻射、傳輸和散射等復(fù)雜作用。地表溫度作為一個眾多學(xué)科基礎(chǔ)的關(guān)鍵參數(shù)，它是眾多學(xué)科研究的基礎(chǔ)，具有廣泛的應(yīng)用價值。它不僅能夠反映地表能量平衡狀態(tài)的時空變化，并且對于了解全球氣候變化、評估農(nóng)業(yè)資源的生長情況、監(jiān)測城市環(huán)境等方面具有重要意義。

2、5米光學(xué)02星是我國一顆可以對地表進(jìn)行高分辨率觀測和成像的對地觀測衛(wèi)星，搭載一個寬波段熱紅外載荷，地表溫度僅能通過熱紅外輻射傳輸方程進(jìn)行估算，該算法假設(shè)大氣中存在一系列不同溫度和濕度的層，每一層的溫度和濕度都會對輻射傳輸產(chǎn)生影響，通過逐一分析并去除這些影響，進(jìn)而獲得較為精確的地表溫度值，由于受到各種條件的限制，實(shí)時獲取大氣廓線數(shù)據(jù)的難度較大，較難進(jìn)行工程化應(yīng)用。同時，衛(wèi)星在大氣層頂探測到的輻射值通常是地表發(fā)射率、地表溫度和大氣輻射之間的耦合結(jié)果，在這個輻射傳輸過程中不僅要考慮大氣的影響還要考慮到地表反射率等因素，導(dǎo)致5米光學(xué)02星地表溫度估算更為復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對國產(chǎn)寬波段熱紅外載荷特性，提供一種國產(chǎn)寬波段熱紅外載荷地表溫度估算方法，從而解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題。

2、一種國產(chǎn)寬波段熱紅外載荷地表溫度估算方法，包括以下步驟：

3、s1、對光學(xué)及熱紅外影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)處理，獲得可見光與近紅外波段地表反射率及熱紅外波段輻亮度數(shù)據(jù)；

4、s2、利用步驟s1獲取的可見光與近紅外波段地表反射率數(shù)據(jù)計算地表發(fā)射率；

5、s3、根據(jù)熱紅外影像數(shù)據(jù)空間范圍及拍攝時間，獲取era5大氣再分析數(shù)據(jù)，并進(jìn)行時空差值；

6、s4、利用步驟s3獲取的再分析數(shù)據(jù)，計算大氣透過率、大氣上行輻射、大氣下行輻射等大氣參數(shù)；

7、s5、利用步驟s1獲取的熱紅外波段輻亮度數(shù)據(jù)，利用步驟s2獲取的地表發(fā)射率數(shù)據(jù)，利用步驟s4獲取的大氣參數(shù)，構(gòu)建地表溫度估算模型，實(shí)現(xiàn)地表溫度估算。

8、在一些具體實(shí)施例中，在步驟s1中，獲取光學(xué)、熱紅外影像數(shù)據(jù)定標(biāo)系數(shù)，根據(jù)下式，完成輻射定標(biāo)，可見光與近紅外波段定標(biāo)結(jié)果為地表反射率，熱紅外波段定標(biāo)結(jié)果為輻亮度數(shù)據(jù)：

9、l＝gain×dn+offst???????????????????????????????????????(1)

10、式中，gain和offset分別為增益值和偏移值，dn為遙感圖像原始dn值。

11、在一些具體實(shí)施例中，在步驟s2中，通過ndvi閾值法實(shí)現(xiàn)地表發(fā)射率的快速估算，包括以下步驟：

12、s21、根據(jù)下式計算所有影像像元ndvi值：

13、

14、式中，ρred，ρnir分別為紅光波段、近紅外波段地表反射率值；

15、s22、當(dāng)影像中像元ndvi值滿足ndvi<0.2時，認(rèn)為該像元為裸土像元，其地表發(fā)射率由7個可見光或近紅外波段地表反射率進(jìn)行擬合估算：ε＝1.008+ρ1*0.437-ρ2*0.58-ρ3*1.418+ρ4*0.261+ρ5*0.395+ρ7*0.503-ρ8*0.074(3)

16、式中，ρ1、ρ2、ρ3、ρ4、ρ5、ρ7、ρ8分別為可見光與近紅外數(shù)據(jù)中第1、第2、第3、第4、第5、第7和第8波段的地表反射率值；

17、s23、當(dāng)影像中像元ndvi值滿足0.2≤ndvi≤0.5時，認(rèn)為該像元為混合像元，其地表發(fā)射率由下式計算：

18、ε＝pv·εv+(1-pv)εs+cλ???????????????????????????????(4)

19、式中，εv、εs分別是國產(chǎn)寬波段熱紅外波段的植被和裸土的地表發(fā)射率，通過國產(chǎn)寬波段熱紅外載荷光譜相應(yīng)函數(shù)與aster光譜庫卷積計算獲取；

20、pv是植被覆蓋度，由下式計算：

21、

22、式中，ndvis為裸土像元的ndvi值，取值為0.2。ndviv為植被像元的ndvi值，取值為0.5。cλ代表像元內(nèi)組分間多次散射而形成的腔體效應(yīng)參數(shù)，可以通過下式估算：

23、cλ＝(1-εs)(1-pv)fεv??????????????????????????????????????(6)

24、式中，f為形狀因子，采用均值0.55；

25、s24、當(dāng)影像中像元ndvi值滿足ndvi>0.5時，認(rèn)為該像元為植被像元，其地表發(fā)射率由下式計算：

26、ε＝εv+0.005(7)。

27、在一些具體實(shí)施例中，步驟s3中具體包括以下步驟：

28、s31、時間閾差值利用衛(wèi)星過境前后整點(diǎn)時間，采用線性插值模型方法獲得衛(wèi)星過境時間的再分析數(shù)據(jù)，由下式計算：

29、

30、式中，y(t)指經(jīng)插值后衛(wèi)星過境時間對應(yīng)的再分析數(shù)據(jù)中每一層對應(yīng)的大氣溫度、濕度、臭氧含量等參數(shù)；t0、t1分別指過境時間前、后的整點(diǎn)時間；

31、s32、空間閾差值利用國產(chǎn)寬波段熱紅外影像像元p(x，y)最近的4個點(diǎn)位，根據(jù)步驟s31計算結(jié)果值，通過雙線性插值生成衛(wèi)星過境時間的同等分辨率的再分析數(shù)據(jù)，由下式計算：

32、

33、式中f(p)指經(jīng)插值后衛(wèi)星過境時刻與國產(chǎn)寬波段熱紅外影像同等分辨率的再分析數(shù)據(jù)中每一層對應(yīng)的溫度、濕度、臭氧含量等參數(shù)，p11(x1，y1)、p12(x1，y2)、p21(x2，y1)、p22(x2，y2)為再分析數(shù)據(jù)中距離像元p最近的4個點(diǎn)。

34、在一些具體實(shí)施例中，在步驟s4中，將步驟s3處理后的再分析數(shù)據(jù)輸入到大氣輻射傳輸模型modtran中，運(yùn)行模型計算得到大氣透過率、大氣上行輻射和大氣下行輻射等大氣參數(shù)。

35、在一些具體實(shí)施例中，在步驟s5中，構(gòu)建地表溫度估算模型，實(shí)現(xiàn)地表溫度估算，具體包括以下步驟：

36、s51、利用水汽縮放大氣校正方法對步驟s4獲取的大氣透過率、大氣上行輻射、大氣下行輻射等大氣參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；

37、s52、利用下式估算星上亮溫：

38、

39、式中，是輻亮度，ελ是地表發(fā)射率，是大氣下行輻射，是大氣上行輻射，b為planck函數(shù)；

40、s53、地表溫度估算由下式計算：

41、

42、式中，c1、c2是planck函數(shù)的常量，c1＝1.19104×108w·μm4·m-2·sr-1，c2＝14387.7μm·k，λ為有效波長。

43、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供了一種國產(chǎn)寬波段熱紅外載荷地表溫度估算方法，包括以下步驟：對光學(xué)及熱紅外影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)處理，獲得可見光與近紅外波段地表反射率及熱紅外波段輻亮度數(shù)據(jù)；利用獲取的可見光與近紅外波段地表反射率數(shù)據(jù)計算地表發(fā)射率；根據(jù)熱紅外影像數(shù)據(jù)空間范圍及拍攝時間，獲取era5大氣再分析數(shù)據(jù)，并進(jìn)行時空差值；利用獲取的再分析數(shù)據(jù)，計算大氣透過率、大氣上行輻射、大氣下行輻射等大氣參數(shù)；利用獲取的熱紅外波段輻亮度數(shù)據(jù)，利用獲取的地表發(fā)射率數(shù)據(jù)，利用獲取的大氣參數(shù)，構(gòu)建地表溫度估算模型，實(shí)現(xiàn)地表溫度估算。該熱紅外載荷是現(xiàn)階段民用空間分辨率最高的國產(chǎn)熱紅外載荷，分辨率優(yōu)于16米。針對該載荷，有針對性地優(yōu)化了地表發(fā)射率及大氣參數(shù)計算方法，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)寬波段熱紅外載荷地表溫度信息的快速、準(zhǔn)確、工程化估算，為國產(chǎn)寬波段熱紅外載荷數(shù)據(jù)定量化應(yīng)用及能力的提升提供了支撐。