基于單窗算法反演地表溫度的ENVI操作教程文檔良心出品

1、單窗算法反演地表溫度教程1.1算法原理 1.1.1單窗算法C6D6Tsensor口6丁2忙6單窗算法MW算法是覃志豪于2001年提出的針對TM數(shù)據(jù) 只有一個熱紅外波段的地面溫度反演算法. 經(jīng)過眾多學(xué)者驗證,單窗 算法具有很高的反演精度,且同樣適用于ETM+和landsat 8數(shù)據(jù).公 式如下：Tsa61 C6 D6b61 C6D6式中,LST為地表溫度K, Tsensor是傳感器上白亮度溫度K , Ta 是大氣平均溫度K; a、b為參考系數(shù),當(dāng)?shù)乇頊囟葹?-70C日a =- 67.355351, b = 0.458606 C、D為中間變量,計算公式為：D-l- rl-F 1- fr式中,為地表

2、比輻射率,雷為地面到傳感器的大氣總透射率.因此單窗算法反演地表溫度的關(guān)鍵是計算得到亮度溫度Tsenso、地表 比輻射率£、大氣透射率匯和大氣平均作用溫度Ta.1.1.2參數(shù)計算 輻射亮溫計算利用Planck公式將圖像像元對應(yīng)傳感器輻射強度值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的亮度溫度值.公式如下儂1十3) At式中,Tsenso為亮度溫度值；L影像預(yù)處理后得到的光譜輻射值,2單位為w/(m sr m), K1、K2為常量,可由數(shù)據(jù)頭文件獲取.計算圖像輻射亮溫之前,需采用輻射定標(biāo)參數(shù)將像元灰度值DN 轉(zhuǎn)換為熱輻射強度值,公式如下：Z, -M.xDNrA.-niJ-a式中,Ml為增益參數(shù),Al為偏

3、移參數(shù),該參數(shù)可直接在影像通 文件數(shù)據(jù)中獲取,且ENVI軟件中已經(jīng)集成,不需要自己在查找. 地表比輻射率計算根據(jù)覃志豪針對TM影像提出的混合像元分解法來確定區(qū)域地表福輻射率.對于城市區(qū)域,我們簡單的將其分為水體、自然外表和 建筑外表三種,因此針對混合像元尺度上的地表比輻射率通過下式來 估算：£：= P R £ +(1 +dr r v .r 7 mm ir式中,右為混合像元的地表比輻射率；Pv為植被覆蓋率；Rv為植 被的溫度比率；Rm為建筑外表的溫度比率；V表示植被法地表比輻 射率,.表示建筑外表的地表比輻射率； d表示輻射校正項.根據(jù)覃志豪經(jīng)驗公式,Sv=0.

4、986; 5m=0.972根據(jù)Aster提供的常用地物比輻射率光譜庫 Landsat 8數(shù)據(jù)特點,對于 B10 波段,5v=0.98672;&m=0.96767.對于 B11 波段,£v=0.98990;5m=0.977515.在地表相對較平整的區(qū)域,一般可取d £ =麻地表起伏較大的區(qū) 域,d e可根據(jù)植被的構(gòu)成比例估計.研究說明熱輻射相互作用在植被 與裸土分別占一半時到達(dá)最大,所以可以根據(jù)如下經(jīng)驗公式來估計d £：當(dāng) Pvw 0.5日Id & =0.003 8Pv當(dāng) Pv>0.5 時,d & =0.003 8 (1-Pv)當(dāng) Pv

5、=0.5 時,d £ =0.0019RV和Rm確實定采用覃志豪等提出的經(jīng)驗公式計算：RV=0.9332+0.0585*PVRm=0.9886+0.1287*PVPV為植被覆蓋率可用下式計算：PV=(NDVI-NDVI s)/(NDVI v-NDVI s)其中NDVI是歸一化植被指數(shù),NDVIV、NDVIS分別是植被和 裸土的NDVI值,由于沒有詳細(xì)的區(qū)域植被和土壤光譜資料,采用覃志 豪經(jīng)驗值以NDVIV=0.70和NDVIS=0.05來進(jìn)行植被覆蓋度的近似估 計. 大氣平均作用溫度的計算對于大氣平均溫度,覃志豪等也提供了 一個經(jīng)驗公式,該公式是 根據(jù)Modtran所提供

6、的標(biāo)準(zhǔn)大氣推導(dǎo)出來的,如下表所示,其中To為 近地表溫度(K).表3-4大氣平均作用溫度與處面附近氣溫的關(guān)系網(wǎng)】人氣的剖面類型7；與口的美系美國76年平均大氣T. =25.9*64 0.8835 I.熱帶平均大氣T. =17,9765+0.51715 r0中緯度員李平均人氣74=16,011<1+0,92621 70中緯度冬季平均火氣I；-19.2704+0.91118 rD般研究區(qū)在重慶的,選擇中緯度夏季平均大氣 大氣透射率的計算由于單窗算法對輸入的參數(shù)較敏感,因此需要較精確的大氣透射 率參數(shù)來反演地表溫度.影響大氣透射率的因素較多,如氣壓、氣溫、 氣溶膠含量、大氣水分含

7、量、03、CO2、CO、NH4等對熱輻射傳導(dǎo) 均有不同程度的作用,從而使地表的熱輻射在大氣中的傳導(dǎo)產(chǎn)生衰減. 因此,準(zhǔn)確的大氣透射率求算比較復(fù)雜,需要較詳細(xì)的大氣剖面數(shù)據(jù), 但在實際應(yīng)用中很難獲取詳細(xì)的大氣剖面數(shù)據(jù).研究說明大氣水分含量對大氣透射率的變化影響較大,而其它因素由于很難在短時間內(nèi)發(fā) 生較大變化而對大氣透射率的影響較小.因此,水分含量就成為大氣透射率估計的主要考慮因素.覃志豪等根據(jù)大氣中的水汽含量動態(tài)變化對大氣透射率的影響程度進(jìn)行了研究,并對大氣透射率進(jìn)行了估計,如表 3.1.其中:w是大氣水汽含量.以重慶為研究區(qū)的研究一般選用是氣溫較高時的估算 公式.大氣透射率估計方程大氣剖面水分

8、含量大氣透射率估計方w/(g cm-2)程高氣溫0.4-1.61.6-3.0r 6=0.974290-0.08007wr 6=1.031412-0.11536w相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)誤 平方(R2) 差(SEE) 0.99611|0.0023680.99827 b.002539低氣溫0.4-1.6r 6=0.982007-0.09611w1.6-3.0r 6=1.053710-0.14142w0.994630.0033400.998990.002375接下來只需要計算出大氣水分含量便可計算得到大氣透射率.學(xué) 者楊景梅根據(jù)地面、高空氣象要輸資料,提出利用地面濕度計算整層 大氣可降水量,由此計算得出整層大氣

9、水汽含量的方法 楊景梅 邱 金恒,用地面濕度參量計算我國整層大氣可降水量及有效水汽含量的 方法的研究,大氣科學(xué),2002.01公式如下：式中,為大氣水汽含量g/cm2, W為整層大氣可降水量cm；C0 C1為經(jīng)驗系數(shù),以重慶為研究對象,一般可選取成都的經(jīng)驗值來計算.C0= 0.1274; C1=0.6878計算大氣可降水量公式如下：W - 竽式中,W為整層大氣可降水量cm, e為地面水汽壓hPa, a0 al為經(jīng)驗系數(shù),可從以下公式計算得出.r0.03 exp-1397/- + 2.74J7 + 0.15 p > 33°10.4Mp0.6H-出+小*v33 047 + />

10、;33°0.20Q口<33.0.05% ；伊-25.0- +0.25f0 "20.d、- <-0.92rd f 0.066" 9-33了十4.41式中,.為地理緯度°, H為海拔高度.重慶市主城區(qū)緯度取29.5, 平均高程取0.35 km,那么有.=0.19604e+0.04691其中：e是絕對水汽壓hPa.采用WMO在1996年公布的?氣象儀器和觀測方法指南?中公布的飽和水汽壓E公式.對于純水面用公式計算,適用于溫度 -4560C.E=6.112exp17.627o/243.12+ToRH=e/E*100 推算出：e=6.112exp17.

11、62*T0/(243.12+T0)*RH式中,RH為相對濕度,可以通過氣象觀測數(shù)據(jù)獲得,To為氣溫(C).1.2地表溫度反演步驟/ Land-QWTIR5 救樵 /T軸時定標(biāo)1 一 * OU大氣控止, INDVliin/ BmndloU藕圖像 /他表匕輻射率il.算J*/ I 麗數(shù) /if福溫度下黑體軸射凝計審I地表溫度計望 1.2.1 影像預(yù)處理(1)輻射定標(biāo)選擇 Radiometric Correction/Radiometric Calibration.在 File Selection 對話框中,選擇數(shù)據(jù) LC81230322021132LGN02_MTL_Thermal,單擊 Spec

12、tral Subset 選擇 Thermal Infrared1 ( 10.9),翻開 Radiometric Calibration 面板.Select InoLzt Tile:3U1 S2raLPStO_KTlwlUl 11即ECT1FI &J16 3帕二J第二O_rtIL_Pain.chr “at lu JjlbiMLCluO ftTL Cirrtiff> PUe ini斗i.HM SutK：e-|r P ,Stotrlrsl5山打iRE>r, n r ftd" "Ifl-tFi |" -TF*£tS tfl ftiplK &a

13、mp;iiu mi OtTgeiAV q $phE± Lc Cam cti ch. ?1口如1亡 ；UUS3I.皿曲?4變 Crrec-tt tn- - Z QTlet 占tMEnkr:： CGrrEiztl«ii. ioffic)* Cal lira'e iTtfFJl ulCalltaraTe 口匕,鵬 CTbH-InS DllMtMtlMi C«T«tlOTi 噂 TmrJc Guk l ract Ion<1 EPUf.l loHtMngjFnlpsivi 1y WotwziI lz>1icaY EndmiK b fceiefT

14、Erkze C|-ltiil=-1事打口仇/11】Lim Ciilbritc ZiBdoc.,：下施苗1匚】line Cupule Factsrs Fdt field Cilltrsli :n.#E 箍 RcfiEctarF：e OoJiUraUon.二 L. c E 工!山ml 4 3hU bf 口 t L -72 TliertnL ArscisLlierh： r-irrectlonR nJ R.et- Mann£E>ent 看匚C,pljfcT E>it« 噌 r：Knvert mterldtCre a.t e Coordlra.te Syjt ei fft

15、rLnc «Cre#fE Mey a Rie 用 Mtu VLtot1 Tata_5pecLFic UtH 5t 5es 蝙 Lsiripe¥ EEI Qurue H«u&erale factor不能改變,否那么后續(xù)計算會 昔.保持默認(rèn)1即可.(2)大氣校正本教程選擇 Flaash 校正法.FLAASH Atmospheric Correction ,雙擊此工具,翻開輻射定標(biāo)的數(shù)據(jù),進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行大氣校正.注意：如果在多光譜數(shù)據(jù)輻射定標(biāo)時 Scale factor值忘記設(shè)置,可在本步驟中打開輻射定標(biāo)數(shù)時設(shè)置single scale faceor 值

16、為0.1 ,假設(shè)已設(shè)置,那么默認(rèn)值為1即1 Input Radiance Image翻開輻射定標(biāo)結(jié)果數(shù)據(jù)；2設(shè)置輸出反射率的路徑,由于定標(biāo)時候；3設(shè)置輸出FLAASH校正文件的路徑,最優(yōu)狀態(tài)：路徑所在磁盤空 間足夠大；4中央點經(jīng)緯度 Scene Center Location自動獲??；5選擇傳感器類型：Landsat-8 OLI ;其對應(yīng)的傳感器高度以及影像 數(shù)據(jù)的分辨率自動讀??；6設(shè)置研究區(qū)域的地面高程數(shù)據(jù)；7影像生成時的飛行過境時間：在layer manager中的Lc8數(shù)據(jù)圖層右鍵選擇View Metadata,瀏覽time字段獲取成像時間；注：也可以從元文件 “LC8123032202

17、1132LGN02_MTL.tXt中找到,具 體名稱：DATE_ACQUIRED = 2021-05-12; SCENE_CENTER_TIME = 02:55:26.6336980Z;8大氣模型參數(shù)選擇：Sub-Arctic Summer根據(jù)成像時間和緯度信息 選擇；9氣溶膠模型 Aerosol Model: Urban,氣溶膠反演方法AerosolRetrieval: 2-band (K-T);10)其他參數(shù)根據(jù)默認(rèn)設(shè)置即可.11)多光譜參數(shù)設(shè)置中,K-T 反演選擇默認(rèn)模式：Defaults->Over-Land Retrieval standard(600:2100)波譜響應(yīng)函數(shù)：

18、默認(rèn)指向 Program FilesExelisENVI51classicfilt_funclandsat8_oli.sli把 它 重 新 指 向 ： .ProgramFilesExelisENVI51resourcefilterfuncslandsat8_oli.sli注：這是由于ENVI5.1版本的一個小bug,即Classic中的L8的波 譜響應(yīng)函數(shù)不正確,另外一個一勞永逸的方法是：將“ExelisENVI51resourcefilterfuncs 中的“Landsat8_oli.sli 和Landsat8_oli.hdr 兩個文件拷貝覆蓋："ENVI51classicfilt

19、_func 中的兩個文件.否那么SWIR1波段大氣校正后的結(jié)果全為0.見以下列圖.Multi spectra Settings12)高級參數(shù)設(shè)置：根據(jù)內(nèi)存大小設(shè)置 Tile Size (Mb): 100(8g物理內(nèi)存),其他參數(shù)默認(rèn)即可,詳細(xì)見以下列圖經(jīng)過FLAASH校正的影像根本去除了空氣中水汽顆粒等因子的影響, 植被的波譜曲線趨于正常.1.2,1,1地表比輻射率計算(1)植被覆蓋度計算第一步,利用多光譜遙感影像,計算研究區(qū)域歸一化植被指數(shù)NDVI , ENVI軟件中有工具集成,使用即可.第二步,利用波段運算工具,根據(jù)覃志豪經(jīng)驗公式,計算研究區(qū)植被覆蓋度.(b1 gt 0.7)*1+(b1 lt 0.05)*0+(b1 ge 0.05 and b1 le 0.7)*(b1-0.05)/(0.7-0.05)b1: NDVI(2)地表比輻射