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基于NOAA-AVHRR数据的中国陆地长时间序列地表温度遥感反演

作　者: 孙志伟
导　师: 程耀东
学　校: 兰州交通大学
专　业: 地图学与地理信息系统
关键词: 地表温度长时间序列中国陆地区域通用劈窗算法真实性验证
分类号: P407
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

地表温度是研究地表能量平衡的重要参数，在地球表面与大气相互作用过程中发挥着极为重要的作用。随着人们对全球变化和可持续发展研究的深入，地表温度因其关键性作用而受到了广泛地关注。本文以NOAA-AVHRR无云数据为主要数据源，以大气辐射传输模型MODTRAN4为主要研究手段，围绕着生成中国陆地区长时间序列地表温度遥感反演产品这一目的，开展了如下几方面的工作：1）分析比较常见的地表温度遥感反演算法，包括单通道算法和多通道算法。典型的单通道算法：单窗算法、普适性单通道算法、单通道参数化模型算法，代表性的多通道算法：通用劈窗算法、基于中红外/热红外通道的白天/晚上算法以及地表温度与比辐射率分离算法。2）基于辐射传输理论、针对NOAA-AVHRR无云数据，建立适用于NOAA系列气象卫星的地表温度反演算法、地表比辐射率估算模型和大气水汽含量反演模型，包括NOAA-AVHRR/2和AVHRR/3两代传感器的参数反演模型：a)利用MODTRAN4模拟不同地表和大气状况下热红外通道（Ch4，10.3-11.3μm和Ch5，11.5-12.5μm）的星上亮温，综合多种地表条件建立模拟数据库；b)利用地表温度、大气水汽含量、地表比辐射率和观测天顶角将模拟数据库分组，获取各分组情况的通用劈窗算法系数；c)利用ASTER波谱库，结合IGBP的16种地表覆盖分类，建立基于NDVI阈值法的适用于NOAA系列气象卫星的地表比辐射率估算模型；d)利用Li等（2003）提出的一种基于劈窗的协方差与方差比的方法实现大气水汽含量的估算；3）NOAA系列气象卫星遥感数据的预处理主要包括数据的辐射校正和重投影。根据NOAA数据处理文档提供的辐射定标方式，完成遥感数据的定标。将建立好的适用于NOAA-AVHRR数据的地表温度反演算法、地表比辐射率估算模型和大气水汽含量反演方法应用到遥感影像数据，实现了地表温度的遥感反演。4）结合斯特藩-波尔兹曼定律，利用2010年全年美国通量站30分钟时间尺度的实测通量数据和MODIS地表比辐射率数据验证地表温度反演的精度。5）将建立的地表温度反演算法、地表比辐射率估算模型和大气水汽含量反演算法应用于遥感影像数据，利用IDL编程实现地表温度的遥感反演、多波段图像的镶嵌和裁剪，生成20年时间序列中国陆地区地表温度数据。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 引言  11-17
  1.1 选题背景及依据  11-12
    1.1.1 地表温度、地表比辐射率和大气水汽含量的研究意义  11
    1.1.2 长时间序列中国区地表温度产品集的研究意义  11-12
    1.1.3 遥感技术的优势  12
  1.2 国内外研究现状  12-14
    1.2.1 遥感反演地表温度、地表比辐射率研究现状  12-13
    1.2.2 长时间序列地表温度产品研究进展  13-14
  1.3 研究目的、内容和结构  14-17
    1.3.1 研究目的和内容  14-15
    1.3.2 论文的组织结构  15-17
2 基本物理概念、定理和模型  17-21
  2.1 基本物理概念  17-18
    2.1.1 电磁辐射概念  17
    2.1.2 热红外遥感中温度的概念  17-18
  2.2 电磁辐射定理  18-19
  2.3 热红外辐射传输方程  19
  2.4 MODTRAN  19-20
  2.5 本章小结  20-21
3 典型地表温度反演算法介绍及分析比较  21-28
  3.1 单通道算法  21-23
    3.1.1 单窗算法  21-22
    3.1.2 普适性单通道算法  22-23
    3.1.3 单通道参数化模型算法  23
  3.2 多通道算法  23-26
    3.2.1 通用劈窗算法  23-24
    3.2.2 基于中红外和热红外通道的白天/晚上算法  24-25
    3.2.3 地表温度与地表比辐射率分离算法  25-26
  3.3 算法比较分析  26-27
  3.4 本章小结  27-28
4 基于 NOAA-AVHRR 数据地表温度反演模型的建立  28-41
  4.1 数据介绍  28-32
    4.1.1 AVHRR 卫星数据  28-30
    4.1.2 TIGR 2000 大气廓线数据库和 ASTER 2.0 波谱库  30-32
  4.2 通用劈窗算法模型的建立  32-36
    4.2.1 模拟数据库的建立  32-34
    4.2.2 通用劈窗算法系数的确定  34-36
    4.2.3 模型精度验证  36
  4.3 地表比辐射率的估算模型建立  36-39
    4.3.1 水体和冰/雪的地表比辐射率  37-38
    4.3.2 裸土、植被和混合区地表比辐射率  38-39
  4.4 大气水汽含量的反演  39-40
  4.5 本章小结  40-41
5 遥感反演地表温度的结果验证及产品集生成  41-49
  5.1 数据介绍  41-43
    5.1.1 卫星数据预处理  41-43
    5.1.2 AmeriFlux 实测数据  43
  5.2 遥感反演地表温度的结果  43-46
  5.3 地表温度反演结果的真实性验证  46-47
  5.4 长时间序列中国区地表温度产品集的生成  47-48
    5.4.1 数据的镶嵌和裁剪  47
    5.4.2 地表温度产品生成  47-48
  5.5 本章小结  48-49
6 结论与展望  49-51
  6.1 总结  49
  6.2 创新点  49-50
  6.3 问题与展望  50-51
致谢  51-53
参考文献  53-57
附录程序源码  57-59
研究成果情况  59

基于NOAA-AVHRR数据的中国陆地长时间序列地表温度遥感反演

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