基于單窗算法反演地表溫度的ENVI操作教程

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上單窗算法反演地表溫度教程1.1 算法原理1.1.1 單窗算法單窗算法（MW算法）是覃志豪于2001年提出的針對(duì)TM數(shù)據(jù)只有一個(gè)熱紅外波段的地面溫度反演算法。經(jīng)過眾多學(xué)者驗(yàn)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：式中，LST為地表溫度（K），Tsensor是傳感器上的亮度溫度（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?-70時(shí)，a = -67.，b = 0.；C 、D為中間變量，計(jì)算公式為：式中，為地表比輻射率，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(jì)算得到亮度溫度Tsenso

2、、地表比輻射率、大氣透射率和大氣平均作用溫度Ta。1.1.2 參數(shù)計(jì)算 輻射亮溫計(jì)算 利用Planck公式將圖像像元對(duì)應(yīng)傳感器輻射強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的亮度溫度值。公式如下式中，Tsenso為亮度溫度值；影像預(yù)處理后得到的光譜輻射值，單位為，K1 、K2為常量，可由數(shù)據(jù)頭文件獲取。計(jì)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(qiáng)度值，公式如下：式中，ML為增益參數(shù)，AL為偏移參數(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(jì)算 根據(jù)覃志豪針對(duì)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(duì)于

3、城市區(qū)域，我們簡(jiǎn)單的將其分為水體、自然表面和建筑表面三種，因此針對(duì)混合像元尺度上的地表比輻射率通過下式來估算： 式中，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為建筑表面的溫度比率；V表示植被法地表比輻射率，m表示建筑表面的地表比輻射率；d表示輻射校正項(xiàng)。 根據(jù)覃志豪經(jīng)驗(yàn)公式，V=0.986；m=0.972。 根據(jù)Aster提供的常用地物比輻射率光譜庫(kù)Landsat 8數(shù)據(jù)特點(diǎn)，對(duì)于B10波段，V=0.98672；m=0.96767。對(duì)于B11波段，V=0.98990；m=0.。 在地表相對(duì)較平整的區(qū)域,一般可取d=0;在地表起伏較大的區(qū)域,d可根據(jù)植被的構(gòu)成比例估

4、計(jì)。研究表明熱輻射相互作用在植被與裸土分別占一半時(shí)達(dá)到最大,所以可以根據(jù)如下經(jīng)驗(yàn)公式來估計(jì)d：當(dāng)Pv0.5時(shí),d=0.003 8Pv當(dāng)Pv>0.5時(shí),d=0.003 8 (1-Pv)當(dāng)Pv=0.5時(shí), d=0.0019RV和Rm的確定采用覃志豪等提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:RV=0.9332+0.0585*PVRm=0.9886+0.1287*PVPV為植被覆蓋率可用下式計(jì)算:PV=(NDVI-NDVIS)/(NDVIV-NDVIS) 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(yàn)值以NDVIV=0.70和N

5、DVIS=0.05來進(jìn)行植被覆蓋度的近似估計(jì)。 大氣平均作用溫度的計(jì)算對(duì)于大氣平均溫度，覃志豪等也提供了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，該公式是根據(jù)Modtran所提供的標(biāo)準(zhǔn)大氣推導(dǎo)出來的，如下表所示，其中T0為近地表溫度(K)。一般研究區(qū)在重慶的，選擇中緯度夏季平均大氣。 大氣透射率的計(jì)算由于單窗算法對(duì)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、大氣水分含量、O3、CO2、CO、NH4等對(duì)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

6、剖面數(shù)據(jù)，但在實(shí)際應(yīng)用中很難獲取詳細(xì)的大氣剖面數(shù)據(jù)。研究表明大氣水分含量對(duì)大氣透射率的變化影響較大,而其它因素由于很難在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大變化而對(duì)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(jì)的主要考慮因素。覃志豪等根據(jù)大氣中的水汽含量動(dòng)態(tài)變化對(duì)大氣透射率的影響程度進(jìn)行了研究，并對(duì)大氣透射率進(jìn)行了估計(jì)，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(shí)的估算公式。大氣透射率估計(jì)方程大氣剖面水分含量w/(g·cm-2)大氣透射率估計(jì)方程相關(guān)系數(shù)平方(R2)標(biāo)準(zhǔn)誤差(SEE)高氣溫0.4-1.66=0.-0.08007w0.996110.1.6-3.06

7、=1.-0.11536w0.998270.低氣溫0.4-1.66=0.-0.09611w0.994630.1.6-3.06=1.-0.14142w0.998990.接下來只需要計(jì)算出大氣水分含量便可計(jì)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(jì)算整層大氣可降水量，由此計(jì)算得出整層大氣水汽含量的方法（楊景梅 邱金恒，用地面濕度參量計(jì)算我國(guó)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(yàn)系數(shù)，以重慶為研究對(duì)象，一般可選取成都的經(jīng)驗(yàn)值來計(jì)算。C0= 0.12

8、74；C1=0.6878.計(jì)算大氣可降水量公式如下：式中，W為整層大氣可降水量（cm），e為地面水汽壓（hPa），a0 a1為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可從以下公式計(jì)算得出。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，則有。=0.19604e+0.04691其中：e是絕對(duì)水汽壓（hPa）。采用WMO在1996年公布的氣象儀器和觀測(cè)方法指南中公布的飽和水汽壓E公式。對(duì)于純水面用公式計(jì)算，適用于溫度-4560。 E=6.112exp17.62*T0/(243.12+T0) RH=e/E*100推算出： e=6.112exp17.62*T0/(243.12+

9、T0)*RH式中，RH為相對(duì)濕度，可以通過氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)獲得，T0為氣溫()。1.2 地表溫度反演步驟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(duì)話框中，選擇數(shù)據(jù)LC132LGN02_MTL_Thermal，單擊Spectral Subset選擇Thermal Infrared1（10.9），打開Radiometric Calibration面板。Scale factor 不能改變，否則后續(xù)計(jì)算會(huì)報(bào)錯(cuò)。保持默認(rèn)1即可。（2）大氣校正本教程選擇Flaash 校正法。FLAASH

10、 Atmospheric Correction，雙擊此工具，打開輻射定標(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(shí)Scale factor值忘記設(shè)置，可在本步驟中打開輻射定標(biāo)數(shù)時(shí)設(shè)置single scale faceor 值為0.1，若已設(shè)置，則默認(rèn)值為1即可。1)   Input Radiance Image：打開輻射定標(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(shí)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)  中心點(diǎn)經(jīng)緯度S

11、cene Center Location：自動(dòng)獲??；5)   選擇傳感器類型：Landsat-8 OLI；其對(duì)應(yīng)的傳感器高度以及影像數(shù)據(jù)的分辨率自動(dòng)讀取；6)  設(shè)置研究區(qū)域的地面高程數(shù)據(jù)；7)   影像生成時(shí)的飛行過境時(shí)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(shí)間；注：也可以從元文件“LC132LGN02_MTL.txt”中找到，具體名稱：DATE_ACQUIRED = 2013-05-12；SCENE_CENTER_TIME = 02:55:

12、26.Z；8)  大氣模型參數(shù)選擇：Sub-Arctic Summer（根據(jù)成像時(shí)間和緯度信息選擇）；9)   氣溶膠模型Aerosol Model：Urban，氣溶膠反演方法Aerosol Retrieval：2-band（K-T）；10)  其他參數(shù)按照默認(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)：默認(rèn)指向.Program FilesExelisENVI51classicfilt_func

13、landsat8_oli.sli把它重新指向：.Program FilesExelisENVI51resourcefilterfuncslandsat8_oli.sli 注：這是因?yàn)镋NVI5.1版本的一個(gè)小bug，即Classic中的L8的波譜響應(yīng)函數(shù)不正確，另外一個(gè)一勞永逸的方法是：將“ExelisENVI51resourcefilterfuncs”中的Landsat8_oli.sli 和 Landsat8_oli.hdr兩個(gè)文件拷貝覆蓋：“.ENVI51classicfilt_func” 中的兩個(gè)文件。否則SWIR1波段大氣校正后的結(jié)果全為0。見下圖12) 高級(jí)參數(shù)設(shè)置：根據(jù)內(nèi)存大小設(shè)置

14、Tile Size（Mb）：100(8g物理內(nèi)存)，其他參數(shù)默認(rèn)即可，詳細(xì)見下圖經(jīng)過FLAASH校正的影像基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。 地表比輻射率計(jì)算（1）植被覆蓋度計(jì)算第一步，利用多光譜遙感影像，計(jì)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(yùn)算工具，根據(jù)覃志豪經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)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）地表比輻射率計(jì)算 第一步，計(jì)算d(b1

15、 le 0.5)*0.0038*b1+(b1 eq 0.5)*0.0038*(1-b1)+(b1 gt 0.5)*0.0019b1：植被覆蓋度Pv 第二步，計(jì)算RV與Rm，在波段運(yùn)算器中分別輸入下列式中：RV : 0.9332+0.0585*b1Rm : 0.9886+0.1287*b1b1: 植被覆蓋度Pv 第三步，計(jì)算地表比輻射率利用B10波段計(jì)算地表比輻射率: b1*b2*0.98672+(1-b1)*b3*0.96767+b4利用B11波段計(jì)算地表比輻射率: b1*b2*0.9899+(1-b1)*b3*0.97515b1: 植被覆蓋度Pv; b2:植被表面溫度比率RV; b3:建筑表面溫度比率Rm;b4：指的是d1.2.2 輻射亮溫計(jì)算K1 K2需要根據(jù)不同影像查表得到：（1321.0789）/alog（774.8853/