本发明专利技术涉及一种从ＭＯＤＩＳ数据反演地表温度的方法，能够应用在气象、环境监测、土地管理、农情监测、以及灾害监测等遥感应用部门。该方法，包含四个步骤：第一步骤是通过大气水汽含量，计算ＭＯＤＩＳ第３１和３２波段的透过率。第二个步骤是通过植被指数ＮＤＶＩ计算ＭＯＤＩＳ传感器第３１和３２波段的发射率。第三步骤是简化辐射传输方程。第四步是对ＭＯＤＩＳ数据进行反演计算，得到地表目标对象温度和发射率分布情况，可以用于气象预报、环境监测、农情监测和灾情监测等部门。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种利用对地观测卫星上MODIS传感器获得的地面热辐射信息 反演地表温度的方法，该方法克服了以往反演方法中参数获取不同步和复杂难 以实用的缺点。能够应用在气象、农业、环境监测和旱情监测等遥感部门。
技术介绍
地表温度是指地表表层的温度，英文是skin temperature。地表温度在区域 资源环境研究中的重要性已经使热红外遥感成为遥感研究的一个重要领域，目 前已经开发了很多实用的地表温度遥感反演方法，如热辐射传输方程法、劈窗 算法、单窗算法和多通道算法。许反演算法是针对具体的传感器开发的，例如 Qin et al 针对NOAA-AVHRR开发了一个劈窗算法，由于AVHRR传感器上 没有近红外波段反演大气水汽含量，只能通过气象站点或者其他传感器获得大 气参数。1999、 2002年搭载MODIS遥感器的对地观测卫星发射成功，为全球 和区域资源环境动态监测开辟了又一新的途径。MODIS是一个拥有36个波段 的中分辨率遥感系统(如图1)，每1 2天可获得一次全球观测数据，其飞行 与太阳同步，每天同一区域至少可获得昼夜两景图像，并且是免费接收，因此 非常适合于中大尺度的区域资源环境动态监测。在MODIS的36个波段中有8 个是热红外波段(如表O，因而非常合适于区域尺度的地表热量空间差异分析。 但是，目前针对MODIS遥感数据的地表温度反演方法不是很多，万正明等在 1996和1997年在MODIS传感器还没有搭载卫星上天之前，针对这个传感器提 出了两种反演算法[Wan Z. and Dozier J.， A generalized split-window algorithm for retrieving land surface temperature measurement from space, rra肌Gmsc/,/ emoM Se打s. ， 1996, 34: 892-905.; Wan Z. M., Li Z.. L., A Physics-Based Algorithm for Retrieving land-surface emissivity and temperature from EOS/MODIS data,Gmyc/.及e附We&肌，1997,35:980-996.]。其中一个是劈窗算法，只反演 地表温度；另外一个算法是能同时反演地表温度和发射率，该算法同时需要白 天和晚上的数据，由于数据匹配原因和该算法需要的一些参数需要其它同时搭 载的传感器或者其它反演产品获得，这两个算法被美国宇航局(NASA)采用作 为产品算法。但算法比较复杂， 一般科研人员难以实现，比较复杂。国内许多研究者针对MODIS传感器的地表温度反演做过一些研究，比如毛 克彪和覃志豪等。虽然MODIS卫星传感器搭载在美国卫星上，但我国 MODIS数据地面接收站比较多，比如农业部资源遥感与数字农业重点室，中国 气象局卫星气象中心，中国科学院地理所等都有接收站点。虽然美国宇航局向 全球发布MODIS温度产品，其精度在美国本土比较准确，但在世界其它地区有 些地方精度还是不够，需要进一步提高。需要我们根据世界各地本地的实际情况，进 一步研究新算法或者做进一步的校正，以提高精度。表1 MODIS遥感器技术参数<table>table see original document page 5</column></row><table><table>table see original document page 6</column></row><table><table>table see original document page 7</column></row><table>
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种从遥感数据MODIS反演地表温度的方法，以克 服现有地表温度反演方法复杂，且难以满足科研人员个人幵发使用的需要，以 及更加充实国内研究人员针对热红外遥感器开发的产品算法，为我国2020之前 计划发射100颗卫星上热红外传感器提供地表温度反演方法参考，而且还能进一 步提高目前农业部业务运行中地表温度反演精度，提高旱情监测和农作物估产 精度。为实现上述目的，本专利技术提供的从遥感数据MODIS反演地表温度方法步骤为第一步，通过大气水汽含量，计算MODIS第31和32波段的透过率1-1)利用MODIS第19波段和第2波段计算比值T，然后利用这个比值计 算大气水汽含量W[Kaufman Y. J., Gao Bo-Cai.， Remote Sensing of Water Vapor in the Near IR from EOS/MODIS,压五五Traw. Geosc/. Wewo化Se朋.，1992, 30:871掘.〗<formula>formula see original document page 8</formula>1-2)利用大气辐射传输模型MODTRAN4模拟计算得到大气水汽含量与 MODIS第31和32波段透过率的关系，将l-l)中计算得到的大气水汽含量代 入下面公式，计算得到第31波段和32波段的透过率(r31，)。<formula>formula see original document page 8</formula>第二步、通过植被指数NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)计 算MODIS传感器第31和32波段的发射率。2-1)读入MODIS第l波段(近红外波段)和第2波段(红光波段)，计算<formula>formula see original document page 8</formula>其中A表示第1波段，A表示第二波段。 2-2)利用NDVI来判断1平方公里分辨率像元的地物类型，然后根据美国 喷汽推进实验室(JPL)测试的ASTER波谱库计算MODIS传感器第31波段和 32波段的发射率(f31， ￡32分别表示第31和32波段发射率)。计算如下 当NDVK0时，是水体和雪，f31=0.992， ￡32 =0.988 当0<NDVI<0.05,是裸土， s31=0.986, s32=0.991当0.05<NDVI<0.65,为植被和裸土的混合像元。 利用PV指数混合像元中植被的覆盖的比率。计算公式PV=(NDVI-0.05)/0.6 (式5) s31=0.986*(l-PV)+0.972*PV, s32 =0.991 * (1 -P V)+0.976*P V; 当NDVI〉0.65，为植被 f31=0.972， f32=0.976第三步简化辐射传输方程3-1)简化普朗克(Planck)函数。在能量平衡方程中，每一项都包含普 朗克(Planck)函数，A,r=，(e^-1)-1 (式6)5"是分谱辐射通量密度，单位是『.m—2.，、 A是波长，单位辉；A是普 朗克常本文档来自技高网...
【技术保护点】
从ＭＯＤＩＳ数据反演地表温度方法，其步骤为： 第一步，通过大气水汽含量，计算ＭＯＤＩＳ第３１和３２波段的透过率 １－１）利用ＭＯＤＩＳ第１９波段和第２波段计算比值Ｔ，然后利用这个比值计算大气水汽含量Ｗ。利用大气辐射传输模型ＭＯＤ ＴＲＡＮ４模拟计算得到大气水汽含量与ＭＯＤＩＳ第３１和３２波段透过率的关系，计算得到的大气水汽含量代入下面公式，计算得到第３１波段和３２波段的透过率。 τ↓［３１］＝２．８９７９８－１．８８３６６ｅ↑［ｗ／２１．２２７０４］ τ ↓［３２＝－３．５９２８９＋４．６０４１４ｅ↑［－ｗ／３２．７０６３９］ 第二步、通过植被指数ＮＤＶＩ计算ＭＯＤＩＳ传感器第３１和３２波段的发射率。 ２－１）读入ＭＯＤＩＳ第１波段（近红外波段）和第２波段（红光波段），计算ＮＤＶＩ。利 用ＮＤＶＩ来判断１平方公里分辨率像元的地物类型，然后根据美国喷汽推进实验室（ＪＰＬ）测试的ＡＳＴＥＲ波谱库计算ＭＯＤＩＳ传感器第３１波段和３２波段的发射率（ε↓［３１］，ε↓［３２］分别表示第３１和３２波段发射率）。计算如下： 当ＮＤ ＶＩ＜０时，是水体和雪，ε↓［３１］＝０．９９２，ε↓［３２］＝０．９８８ 当０＜ＮＤＶＩ＜０．０５，是裸土，ε↓［３１］＝０．９８６，ε↓［３２］＝０．９９１ 当０．０５＜ＮＤＶＩ＜０．６５，为植被和裸土的混合像元。 利 用ＰＶ指数混合像元中植被的覆盖的比率。计算公式： ＰＶ＝（ＮＤＶＩ－０．０５）／０．６ （式５） ε↓［３１］＝０．９８６＊（１－ＰＶ）＋０．９７２＊ＰＶ， ε↓［３２］＝０．９９１＊（１－ＰＶ）＋０．９７６＊ＰＶ； 当ＮＤＶＩ＞０．６５，为植被：ε↓［３１］＝０．９７２，ε↓［３２］＝０．９７６ 第三步简化辐射传输方程 ３－１）简化普朗克（Ｐｌａｎｃｋ）普朗克（Ｐｌａｎｃｋ）函数是一个非线性函数，为了简化方程组，需要对普朗克（Ｐｌａｎｃｋ）函 数进行线性简化。分别对ＭＯＤＩＳ的第３１波段（１０．７８０～１１．２８０μｍ）和３２波段（１１．７７－１２．２７μｍ））的热辐射与温度在２７３Ｋ－３２２Ｋ区间内的变化关系进行计算，得到如图所示的计算结果。从图中可以看出，热辐射强度随温度的变化接近于线性关系。因此，对散点图建立线性回归方程，得到： 对第３１波段：Ｂ↓［３１］（Ｔ）＝０．１３７８７Ｔ↓［３１］－３１．...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：毛克彪，李三妹，张立新，覃志豪，周清波，王道龙，
申请(专利权)人：中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，国家卫星气象中心，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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