一种单通道地表温度遥感方法及其系统

本发明属于单通道地表温度遥感领域，尤其涉及一种单通道地表温度遥感方法及其系统。

背景技术：

1、地表温度是表征地气之间的相互作用及能量交换的关键特征物理量，在陆表生态系统研究、全球气候变化、地质勘探等领域具有重要应用。热红外遥感是获取大尺度地表温度的主要方法，然而，由于地表和大气参数的耦合，地表温度的遥感反演存在一定的困难，要从卫星传感器的观测数据中反演得到地表温度，需要消除大气和地表发射率的影响。

2、对于多光谱遥感数据，最常用的两种反演方法是单通道法和分裂窗法。单通道法仅需要一个热红外通道，但需要已知大气参数和发射率。大气参数的获取通常基于大气再分析数据和modtran等成熟的辐射传输模型，然而，大气再分析数据的获取也较为困难，且在潮湿大气状况下单通道法的精度欠佳。相比之下，分裂窗法基于相邻两个热红外通道的大气吸收差异来消除大气的影响，只需要发射率即可反演得到高精度的地表温度。但是，分裂窗法需要两个热红外通道，在一定程度上限制了其应用。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种单通道地表温度遥感方法及其系统解决了现有地表温度遥感方法受大气影响，精度不够的问题。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种单通道地表温度遥感方法，包括以下步骤：

3、s1、构建单通道遥感反演基础模型；

4、s2、进行反演状况分区，并基于单通道遥感反演基础模型，得到通道辐亮度到亮度温度的查找表、各反演状况区间的单通道遥感反演模型和通用单通道遥感反演模型；

5、s3、根据通道辐亮度到亮度温度的查找表和通用单通道遥感反演模型，得到当前热红外通道的入瞳亮温和地表温度初始值；

6、s4、根据当前热红外通道的入瞳亮温、各反演状况区间的单通道遥感反演模型和地表温度初始值，更新不同反演状况下的地表温度，实现单通道地表温度遥感反演。

7、本发明的有益效果为：本发明使用一个热红外通道的入瞳亮温和两个通道的发射率来反演地表温度。基于本方法，可以规避大气效应的校正过程，直接从单个热红外通道的入瞳观测数据中反演得到地表温度，并提高了地表温度反演精度。

8、进一步地，所述步骤s1中单通道遥感反演基础模型的表达式为：

9、

10、

11、

12、其中，为地表温度；为相邻的两个热红外通道和的发射率的平均值；为单通道遥感反演基础模型中热红外通道的发射率；为单通道遥感反演基础模型中热红外通道的发射率；为相邻的两个热红外通道和的发射率的差值；、、、、、和均为单通道遥感反演基础模型系数；为单通道遥感反演基础模型中热红外通道的入瞳亮温。

13、上述进一步方案的有益效果为：利用单个通道的入瞳观测数据和两个通道发射率的线性组合消除大气效应的影响，最终构建无需大气效应校正的单通道遥感反演基础模型，避免大气效应的校正过程。

14、进一步地，所述步骤s2具体为：

15、s201、获取配套的大气温湿廓线、地表温度和地表发射率波谱值，并根据配套的大气温湿廓线、地表温度和地表发射率波谱值，生成模拟数据；

16、s202、根据模拟数据，利用modtran辐射传输模型，得到入瞳辐亮度波谱值；

17、s203、获取热红外通道的通道响应函数、热红外通道的通道响应函数和热红外通道的通道响应函数；

18、s204、根据入瞳辐亮度波谱值、热红外通道的通道响应函数、热红外通道的通道响应函数、热红外通道的通道响应函数和地表发射率波谱值，得到热红外通道的通道辐亮度、热红外通道的发射率和热红外通道的发射率：

19、

20、

21、

22、其中，为热红外通道的通道辐亮度；为热红外通道的发射率；为热红外通道的发射率；、和分别为热红外通道、热红外通道和热红外通道的通道响应函数；和分别为热红外通道的起始波长和终止波长；和分别为热红外通道的起始波长和终止波长；和分别为热红外通道的起始波长和终止波长；为波长；为的微元；为入瞳辐亮度波谱值；为地表发射率波谱值；

23、s205、根据模拟数据，建立通道辐亮度到亮度温度的查找表；

24、s206、根据热红外通道的通道辐亮度，利用通道辐亮度到亮度温度的查找表，得到热红外通道的入瞳亮温；

25、s207、根据热红外通道的入瞳亮温、热红外通道的发射率、热红外通道的发射率和地表温度，利用最小二乘法，拟合得到通用单通道遥感反演模型系数；

26、s208、将通用单通道遥感反演模型系数作为单通道遥感反演基础模型系数代入单通道遥感反演基础模型，得到通用单通道遥感反演模型；

27、s209、进行反演状况分区，得到若干个反演状况区间，并拟合得到各反演状况区间的单通道遥感反演模型系数；

28、s2010、将各反演状况区间的单通道遥感反演模型系数作为单通道遥感反演基础模型系数，利用单通道遥感反演基础模型，得到各反演状况区间的单通道遥感反演模型。

29、上述进一步方案的有益效果为：拟合得到的通用单通道遥感反演模型系数不考虑天气和地表条件，为后续地表温度初始值的求解做准备；并且反演状况分区时不同的大气和地表状况允许区间存在部分重叠，抵消了分区选择错误对反演结果的影响。

30、进一步地，所述步骤s209中反演状况分区的标准为：

31、地表温度划分为和两个区间；

32、各热红外通道的发射率划分为和两个区间；

33、总水汽含量划分为、和三个区间；

34、观测角度划分为、、和四个区间。

35、上述进一步方案的有益效果为：反演状况分区时不同的大气和地表状况允许区间存在部分重叠，抵消了分区选择错误对反演结果的影响。

36、进一步地，所述步骤s3具体为：

37、s301、获取待反演单通道传感器热红外通道的定标系数；

38、s302、根据待反演单通道传感器热红外通道的定标系数，将传感器记录的计数值转为热红外通道的入瞳辐亮度；

39、s303、根据通道辐亮度到亮度温度的查找表，将热红外通道的入瞳辐亮度转化为入瞳亮温，得到当前热红外通道的入瞳亮温；

40、s304、获取地表覆盖分类；

41、s305、根据地表覆盖分类，使用分类赋值法，对每类地物在热红外通道和热红外通道的发射率进行赋值，得到各类地物热红外通道的发射率和各类地物热红外通道的发射率；

42、s306、将当前热红外通道的入瞳亮温作为通用单通道遥感反演模型中热红外通道的入瞳亮温、将各类地物热红外通道的发射率作为通用单通道遥感反演模型中热红外通道的发射率，以及将各类地物热红外通道的发射率作为通用单通道遥感反演模型中热红外通道的发射率，代入通用单通道遥感反演模型，计算得到地表温度初始值。

43、上述进一步方案的有益效果为：基于通用单通道遥感反演模型系数，求解得到地表温度初始值，为后续求解不同反演状况下的地表温度做准备，规避了大气效应的校正过程，并提高了地表温度反演精度。

44、进一步地，所述步骤s4具体为：

45、s401、获取卫星过境时刻大气的总水汽含量、当前各热红外通道的发射率和当前观测角度；

46、s402、根据卫星过境时刻大气的总水汽含量、当前各热红外通道的发射率、当前观测角度和地表温度初始值，确定反演状况区间，得到区间结果；

47、s403、根据区间结果和各反演状况区间的单通道遥感反演模型，得到当前反演状况区间的单通道遥感反演模型；

48、s404、根据当前热红外通道的入瞳亮温和当前各热红外通道的发射率，利用当前反演状况区间的单通道遥感反演模型，得到当前反演状况下的地表温度，实现单通道地表温度遥感反演。

49、上述进一步方案的有益效果为：使用一个热红外通道的入瞳亮温和两个热红外通道的发射率来反演地表温度，求解不同反演状况下的地表温度，规避了大气效应的校正过程，直接从单个热红外通道的入瞳观测数据中反演得到地表温度，并提高了地表温度反演精度。

50、本发明提供了一种单通道地表温度遥感系统，包括模型构建模块、系数率定模块、初值估算模块和地表温度反演模块；

51、所述模型构建模块，用于构建单通道遥感反演基础模型；

52、所述系数率定模块，用于获取模拟数据，进行反演状况分区，并根据模拟数据和单通道遥感反演基础模型，利用最小二乘法，得到通道辐亮度到亮度温度的查找表、各反演状况区间的单通道遥感反演模型和通用单通道遥感反演模型；

53、所述初值估算模块，用于获取待反演单通道传感器热红外通道的定标系数，并根据待反演单通道传感器热红外通道的定标系数、通道辐亮度到亮度温度的查找表和通用单通道遥感反演模型，得到当前热红外通道的入瞳亮温和地表温度初始值；

54、所述地表温度反演模块，用于根据当前热红外通道的入瞳亮温、各反演状况区间的单通道遥感反演模型和地表温度初始值，更新不同反演状况下的地表温度，实现单通道地表温度遥感反演。

55、本发明的有益效果为：本系统利用单通道遥感反演基础模型，通过一个热红外通道的入瞳亮温和两个通道的发射率来反演地表温度，可以规避大气效应的校正过程，并提高了地表温度反演精度。