一种直接反演地表温度的多光谱星载传感器通道装置及方法与流程

本发明属于地表温度遥感反演的技术领域，特别是涉及一种可用于直接反演地表温度的多光谱星载传感器通道装置及方法。

背景技术：

地表温度是描述地气之间能量交换的重要因子，它与地表发射率共同决定了地表长波辐射的大小，因此地表温度对估算区域及全球能量收支平衡意义重大。精确的地表温度产品不仅可以表征地表辐射的空间差异，而且能够反映随时间的动态变化过程，因此许多研究领域，如气象/气候、蒸散发、水文等，都将地表温度作为重要的输入参数。

热红外卫星遥感可以高效地获取区域及全球地表温度信息，具有传统地面测量所不具备的优势。目前地表温度产品大都基于多光谱热红外卫星遥感观测数据生产，所采用反演算法根据输入影像的通道个数，大致可分为三类：单通道法、分裂窗法与多通道法。其中，单通道法需要已知准确的大气与地表发射率信息，实际应用中受限制较大；分裂窗法可以使用两个相邻通道的卫星观测亮温，准确去除大气的影响，被广泛的应用于实际地表温度产品生产中，但是该方法受地表发射率精度的影响较大；多通道法中应用最广泛的是温度/发射率分离法，该方法可以从多通道的地面观测亮温中同时反演得到地表温度与发射率信息，解决了地表温度反演中的病态方程组问题(n个通道观测数据可得n个方程，但却对应n+1个未知数，即n个通道的发射率+1个地表温度)，但是该方法需要进行准确的大气校正。

很明显，现有的传感器通道装置与相应的地表温度反演算法，都需要已知一定的先验知识，才能反演得到准确的地表温度信息，先验知识的精度直接决定了最终地表温度的反演精度。目前可用的地表发射率先验知识通常为基于其它卫星数据生产的发射率产品，或者由可见光通道的观测数据估算得来，这些数据都存在与热红外卫星观测通道视场不一致的问题，由于像元的发射率取决于传感器视场内地物的类型与各地类之间的比例，所以难以保证所得到的发射率先验知识的精度；目前可用的大气信息先验知识通常为基于其它卫星数据生产的大气廓线产品，或者是全球大气再分析数据，这些产品的空间分辨率往往较低，更重要的是，这些产品并不一定提供热红外卫星观测时刻的大气信息，因此存在时间不匹配的问题。所以在实际应用中，很难得到与热红外卫星观测数据匹配的精确的大气信息与地表发射率信息，使得基于现有的传感器通道装置与相应的反演算法得到地表温度的精度受到限制，综合误差往往高于1.0k。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题中的不足之处，本发明提供了一种可用于直接反演地表温度的多光谱星载传感器通道装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种可用于直接反演地表温度的多光谱星载传感器通道装置，通道装置共包括5个通道，每个通道的光谱响应函数由高斯函数和三角函数所构成的分段函数决定；传感器所包括的5个通道的中心波长的位置分别为8.6、9.0、10.4、11.3和12.5μm；将8.6、9.0、10.4、11.3和12.5μm处5个通道的卫星观测亮温，按照(8.6μm，12.5μm)、(9.0μm，12.5μm)和(10.4μm，11.3μm)进行结合，得到3组卫星观测亮温组合；将分裂窗算法理论分别应用于(8.6μm，12.5μm)、(9.0μm，12.5μm)和(10.4μm，11.3μm)这3组卫星观测亮温，对8.6、9.0和10.4μm这3个通道进行大气上行辐射与大气透过率校正，得到这3个通道上的地面观测亮温；将温度/发射率分离法应用于8.6、9.0和10.4μm这3个通道的地面观测亮温，反演得到地表温度。

所述的一种可用于直接反演地表温度的多光谱星载传感器通道装置，在每个通道的等效噪声小于0.1k的前提下，传感器所包括的5个通道的宽度(fwhm)在0.1～0.5μm之间取值。

所述的一种可用于直接反演地表温度的多光谱星载传感器通道装置，每个通道的光谱响应函数为，公式1：

其中，f(λ)为通道光谱响应函数，描述了传感器对不同波长位置处辐射信号的响应能力，取值范围为0～1，λ为波长，fwhm(fullwidthhalfmaximum)为通道宽度，也叫通道半带宽，表示通道光谱响应函数f(λ)取值0.5时所对应的两个波长λ之间的宽度，λ0为通道中心波长的位置，σ为高斯函数的宽度，可由fwhm计算得到：

所述的一种可用于直接反演地表温度的多光谱星载传感器通道装置，通道的中心波长位置决定了参数1中通道光谱响应函数中λ0的的取值。

所述的一种可用于直接反演地表温度的多光谱星载传感器通道装置，通道的等效噪声(neδt)代表传感器进行观测时的随机误差。

根据所述多光谱星载传感器通道装置反演地表温度的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将8.6、9.0、10.4、11.3和12.5μm处5个通道的卫星观测亮温，按照(8.6μm，12.5μm)、(9.0μm，12.5μm)和(10.4μm，11.3μm)进行结合，得到3组卫星观测亮温组合；

步骤2：将分裂窗算法理论分别应用于(8.6μm，12.5μm)、(9.0μm，12.5μm)和(10.4μm，11.3μm)这3组卫星观测亮温，对8.6、9.0和10.4μm这3个通道进行大气上行辐射与大气透过率校正，得到这3个通道上的地面观测亮温；

步骤3：将温度/发射率分离法应用于8.6、9.0和10.4μm这3个通道的地面观测亮温，反演得到地表温度。

所述的方法，所述步骤2中，所述的分裂窗算法理论可以利用两个通道星上亮温之间的多项式关系，完成对其中一个通道的大气校正，反演得到该通道的地面观测亮温。

所述的方法，所述步骤2的具体方法为：

步骤201：利用全球大气廓线数据库、全球地表发射率光谱库、modtran(moderateresolutionatmospherictransmission)大气辐射传输模型模拟8.6、9.0、10.4、11.3和12.5μm处这5个通道的星上观测亮温；

步骤202：针对(8.6μm，12.5μm)这组星上观测亮温，利用步骤201中的模拟数据集，拟合分裂窗算法中的常数系数，公式2：

tgi＝a0+a1ti+a2(ti-tj)+a3(ti-tj)²

其中，tgi为第i通道的地面观测亮温；a0、a1、a2与a3为常数系数，可通过模拟数据集利用最小二乘法拟合获取，ti与tj分别为第i与第j通道的星上观测亮温；

步骤203：针对(8.6μm，12.5μm)两通道的实际星上观测亮温，应用公式2与步骤202中拟合得到的分裂窗算法的常数系数，即可完成对8.6μm通道星上观测亮温的大气校正，反演得到8.6μm通道的地面观测亮温；

步骤204：针对(9.0μm，12.5μm)与(10.4μm，11.3μm)这两组星上观测亮温，分别重复步骤202、步骤203，即可反演得到9.0μm与10.4μm两通道的地面观测亮温。

所述的方法，所述步骤3的具体方法为：

步骤301：基于全球地表典型地物在8.6、9.0和10.4μm这3个通道上的发射率，建立3通道中最小发射率与3个通道发射率差异之间的经验关系，公式3：

min(εi)＝a+b×mmd^c

mmd＝max(βi)-min(βi)

其中，εi为不同通道的发射率(i＝1、2、3)，min(εi)为3个通道发射率的最小值，a、b、c为常数系数，mmd(maximumminimumdifference)代表3个通道中最大发射率与最小发射率之间的差异，βi代表地表发射率的形状信息，n为通道的个数(此处n＝3)；

步骤302：基于步骤2中反演得到的8.6、9.0和10.4μm这3个通道的地面观测亮温，在8.6、9.0和10.4μm这3个波长位置处分别利用普朗克函数计算得到3个地表温度，选择3个地表温度中最大的一个作为地表温度的真实估计值；

步骤303：利用步骤302得到的地表温度的估计值，分别计算8.6、9.0和10.4μm这3个通道上的黑体辐射，并结合这3个通道的地面观测亮温，估算这3个通道的初始地表发射率；

步骤304：利用步骤303中估算的8.6、9.0和10.4μm这3个通道的初始地表发射率，计算获取发射率的形状信息(βi)与通道间发射率的差异(mmd)，并利用步骤301中的经验关系，重新校正3通道中最小的发射率值，再利用发射率的形状信息(βi)对其它两个通道的发射率也进行校正；

步骤305：从步骤304校正之后的8.6、9.0和10.4μm这3个通道的发射率中选择发射率最大的通道，基于该通道上校正之后的发射率与地表观测亮温，利用普朗克函数重新计算地表温度，作为最终的地表温度反演结果。

本发明主要提供了一种可用于直接反演地表温度的多光谱星载传感器通道装置及方法，共包含5个通道。基于该通道装置，可以得到3组由两个不同通道卫星观测亮温构成的组合；应用分裂窗算法理论，可以对每组卫星观测亮温组合中的其中一个通道进行大气校正，进而得到3个通道的地面观测亮温；再应用温度/发射率分离算法，可以在不依赖先验知识的情况下，直接从多通道卫星观测亮温中反演得到地表温度信息。

本发明具有以下有益效果：提供了一种可用于直接反演地表温度的多光谱星载传感器通道装置及方法。利用该通道装置，可以克服基于现有传感器通道装置与相应反演算法生产地表温度时受先验知识精确限制的问题，能够在缺少大气和地表发射率先验知识，或者在先验知识精度不高的情况下，直接从卫星观测数据中反演得到精度在1.0k左右的地表温度信息。另外，从传感器制造难度与制造成本的角度来看，该通道装置仅使用5个通道，并且都位于热红外大气窗口内常见的位置，比较容易进行实际生产。

附图说明

图1为基于模拟数据的应用结果；

图2为基于卫星实际观测数据的应用结果；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

本发明提供一种可用于直接反演地表温度的多光谱星载传感器通道装置，包括5个通道(即波段)，每个通道的光谱响应函数由高斯函数和三角函数所构成的分段函数决定，公式1：

其中，f(λ)为通道光谱响应函数，描述了传感器对不同波长位置处辐射信号的响应能力，取值范围为0～1，λ为波长，fwhm(fullwidthhalfmaximum)为通道宽度，也叫通道半带宽，表示通道光谱响应函数f(λ)取值0.5时所对应的两个波长λ之间的宽度，λ0为通道中心波长的位置，σ为高斯函数的宽度，可由fwhm计算得到：

5个通道的中心波长λ0的位置分别为8.6、9.0、10.4、11.3和12.5μm。

在保证每个通道的等效噪声(neδt，noiseequivalentdifferentialtemperature)小于0.1k的前提下，传感器所包括的5个通道的宽度(fwhm)可以在0.1～0.5μm之间取值；其中，通道的等效噪声(neδt)代表传感器进行观测时的随机误差。

使用该通道装置可以从多光谱热红外卫星观测数据中反演得到精度在1.0k左右的地表温度，并且不需要使用额外的先验知识，具体包括以下步骤：

步骤1：将8.6、9.0、10.4、11.3和12.5μm处5个通道的卫星观测亮温，按照(8.6μm，12.5μm)、(9.0μm，12.5μm)和(10.4μm，11.3μm)进行结合，得到3组卫星观测亮温组合；

步骤2：将分裂窗算法理论分别应用于(8.6μm，12.5μm)、(9.0μm，12.5μm)和(10.4μm，11.3μm)这3组卫星观测亮温，对8.6、9.0和10.4μm这3个通道进行大气上行辐射与大气透过率校正，得到这3个通道上的地面观测亮温；其中，分裂窗算法理论可以利用两个通道星上亮温之间的多项式关系，完成对其中一个通道的大气校正，反演得到该通道的地面观测亮温；具体包括以下步骤：

步骤201：利用全球大气廓线数据库、全球地表发射率光谱库、modtran(moderateresolutionatmospherictransmission)大气辐射传输模型模拟8.6、9.0、10.4、11.3和12.5μm处这5个通道的星上观测亮温；

步骤202：针对(8.6μm，12.5μm)这组星上观测亮温，利用步骤201中的模拟数据集，拟合分裂窗算法中的常数系数，公式2：

tgi＝a0+a1ti+a2(ti-tj)+a3(ti-tj)²

其中，tgi为第i通道的地面观测亮温；a0、a1、a2与a3为常数系数，可通过模拟数据集利用最小二乘法拟合获取，ti与tj分别为第i与第j通道的星上观测亮温；

步骤203：针对(8.6μm，12.5μm)两通道的实际星上观测亮温，应用公式2与步骤202中拟合得到的分裂窗算法的常数系数，即可完成对8.6μm通道星上观测亮温的大气校正，反演得到8.6μm通道的地面观测亮温；

步骤204：针对(9.0μm，12.5μm)与(10.4μm，11.3μm)这两组星上观测亮温，分别重复步骤202、步骤203，即可反演得到9.0μm与10.4μm两通道的地面观测亮温。

步骤3：将温度/发射率分离法应用于8.6、9.0和10.4μm这3个通道的地面观测亮温，反演得到地表温度信息；其中，温度/发射率分离法可以利用不同通道上地表发射率之间存在的经验关系，去掉地面观测亮温中发射率的影响，反演得到地表温度；具体包括以下步骤：

步骤301：基于全球地表典型地物在8.6、9.0和10.4μm这3个通道上的发射率，建立3通道中最小发射率与3个通道发射率差异之间的经验关系，公式3：

min(εi)＝a+b×mmd^c

mmd＝max(βi)-min(βi)

其中，εi为不同通道的发射率(i＝1、2、3)，min(εi)为3个通道发射率的最小值，a、b、c为常数系数，mmd(maximumminimumdifference)代表3个通道中最大发射率与最小发射率之间的差异，βi代表地表发射率的形状信息，n为通道的个数(此处n＝3)；

步骤302：基于步骤2中反演得到的8.6、9.0和10.4μm这3个通道的地面观测亮温，在8.6、9.0和10.4μm这3个波长位置处分别利用普朗克函数计算得到3个地表温度，选择3个地表温度中最大的一个作为地表温度的真实估计值；

步骤303：利用步骤302得到的地表温度的估计值，分别计算8.6、9.0和10.4μm这3个通道上的黑体辐射，并结合这3个通道的地面观测亮温，估算这3个通道的初始地表发射率；

步骤304：利用步骤303中估算的8.6、9.0和10.4μm这3个通道的初始地表发射率，计算获取发射率的形状信息(βi)与通道间发射率的差异(mmd)，并利用步骤301中的经验关系，重新校正3通道中最小的发射率值，再利用发射率的形状信息(βi)对其它两个通道的发射率也进行校正；

步骤305：从步骤304校正之后的8.6、9.0和10.4μm这3个通道的发射率中选择发射率最大的通道，基于该通道上校正之后的发射率与地表观测亮温，利用普朗克函数重新计算地表温度，作为最终的地表温度反演结果。

将本发明的方法应用于基于全球大气廓线数据库、全球地表发射率光谱库以及modtran大气辐射传输方程制作的模拟数据集，结果如图1所示，其中，δlst为估算的地表温度与真实地表温度之差，rmse(rootmeansquareerror)为均方根误差，样本个数为29640，地表温度反演精度为0.87k。

将本发明的方法应用于airs_l1c(level1chyper-spectralradianceoftheatmosphericinfraredsounder)实际卫星观测数据，得到2018年5月澳大利亚地区的地表温度估计结果，利用modis(moderateresolutionimagingspectroradiometer)传感器的myd11_l2(landsurfacetemperature/emissivity5-minl2swath1kmproduct)地表温度产品对估算结果进行检验，结果如图2所示(a为澳大利亚晚上观测数据应用结果，b为澳大利亚白天观测数据应用结果)，其中，δlst为估算的地表温度与真实地表温度之差，rmse(rootmeansquareerror)为均方根误差；晚上观测数据的有效像元个数为18324个，地表温度反演精度为0.95k；白天观测数据的有效像元个数为15620个，地表温度反演精度为1.21k。

本发明提供了一种可用于直接反演地表温度的多光谱星载传感器通道装置及方法，该装置共包含中心波长位于8.6、9.0、10.4、11.3和12.5μm处的5个通道。应用该装置进行温度反演时，首先基于这5个通道的卫星观测亮温，构成(8.6μm，12.5μm)、(9.0μm，12.5μm)和(10.4μm，11.3μm)这3组卫星观测亮温组合，然后基于分裂窗算法理论反演得到8.6、9.0和10.4μm这3个通道的地面观测亮温，接着使用温度/发射率分离法算法去除地面观测亮温中地表发射率的影响，最终反演得到精度在1.0k左右的地表温度信息。本发明可以克服基于现有传感器通道装置与相应反演算法生产地表温度时受先验知识精确限制的问题，能够在缺少大气和地表发射率先验知识，或者在先验知识精度不高的情况下，直接从5个通道的卫星观测数据中反演得到精度在1.0k左右的地表温度。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。