一种利用中红外遥感数据确定地表温度的方法及装置技术领域
本发明属于遥感定量反演的技术领域，特别涉及一种利用中红外遥感数据确定地表温度
的方法及装置。
背景技术
地表温度在地-气相互作用过程中扮演着十分重要的角色，是全球变化研究的关键参数
之一，对水文、生态、环境和生物地球化学等研究有非常重要的意义，并且在农业气象、热
惯量计算等方面也有重要的应用价值。地表温度的定量遥感反演对推动旱灾预报和作物缺水
研究、农作物产量估算、数值天气预报、全球气候变化和全球碳平衡等领域的研究起着非常
重要的作用。
迄今为此，卫星传感器已获取了几十年(1978年以来)的中红外(光谱区为3-5μm)遥
感数据，可遗憾的是，这些数据还没有被很好地应用于陆地环境研究中，以至于中红外通道
被称作“忽视了的通道”。其主要原因是这一光谱区光谱信号的组成非常复杂。在白天卫星测
量的中红外遥感数据中，不仅包含反射的太阳光谱，而且还包含地表和大气的发射光谱。与
别的大气窗口相比，中红外光谱具有很多与其它大气窗口不一样的特点：①对比可见光和近
红外，中红外受气溶胶影响小；②对比热红外，中红外受水汽吸收的影响很小，几乎可以忽
略；③对比热红外波段，不同物体在中红外波段的比辐射率和反射率变化都很大；④在地表
温度反演方面，中红外波段对比辐射率的精度要求热红外波段要低得多；⑤中红外波段对能
量变化敏感性强；⑥中红外波段的比辐射率对植被和土壤中水分的变化灵敏性高。可见，在
陆地环境研究中，中红外辐射光谱具有很大的优势。可是，遗憾的是，由于目前还没有一种
真正的基于物理机制上精确的方法来分离中红外的反射辐射和发射辐射，所以还不能很好地
利用白天卫星获取的中红外辐射数据。
由于中红外数据受大气水汽的干扰小，亦能穿透部分雾霾和烟雾，并且受比辐射率误差
的影响小，故利用中红外遥感数据反演地表温度比热红外更有优势。然而，目前还没有一种
有效地分离白天中红外遥感数据反射辐射和发射辐射的方法，导致利用中红外遥感数据确定
地表温度非常困难。因此，为了解决白天中红外遥感数据反射辐射和发射辐射的有效分离，
发展一种利用中红外遥感数据确定地表温度的方法和装置，实现中红外遥感数据地表温度的
反演，是本发明的初衷所在。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种利用中红外遥感数据确定
地表温度的方法和装置。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种利用中红外遥感数据确定地表温度的
方法，实现步骤如下：
步骤(A)、利用中分辨率成像光谱仪MODIS数据的中红外波谱区第22
(3.929μm–3.989μm)和23(4.020μm–4.080μm)通道辐射亮度数据和大气参数数据，结合
发展的中红外地表双向反射率遥感反演方法，确定第22和23通道的地表双向反射率；
步骤(B)、利用步骤(A)中获取的中红外通道地表双向反射率，结合发展的地表方向
比辐射率遥感反演方法，确定第22和23通道的地表方向比辐射率；
步骤(C)、利用步骤(A)和步骤(B)分别得到的中红外地表双向反射率和方向比辐
射率，结合发展的地表温度遥感反演方法，确定地表温度。
其中，所述步骤(A)中确定MODIS第22和23通道地表双向反射率的过程是：
A1.根据中红外波谱区大气辐射传输理论，在局地热力学平衡条件下，中红外辐射传输
方程可近似表示为：
B i ( T i ) = ϵ i B i ( T s ) τ i + ( 1 - ϵ i ) ( R a t m _ i ↓ + R a t m _ i s ↓ ) τ i + R a t m _ i ↑ + R a t m _ i s ↑ + ρ b i R i s τ i - - - ( 1 ) ]]>
式中，Bi(Ti)是卫星传感器在i通道测量的辐射亮度值，τi是i通道总的大气透过率，Ratm_i↑
和Ratm_i↓分别是i通道测量的大气的上行和下行辐射，和分别是i通道测量的
大气散射的太阳上行和下行辐射，是到达地面的太阳直射辐射，这些参数可通过大气辐射
传输模型MODTRAN，结合大气廓线数据计算得到。确定地表温度Ts，需要先反演出地表
双向反射率ρbi和地表方向比辐射率εi；
A2.MODIS数据的中红外地表双向反射率ρbi可由下式得到：
ρ b i = B i ( T g _ i ) - B i ( T g 0 ) R i s - - - ( 2 ) ]]>
其中，
( T g 0 - T g _ 22 ) = a 1 + a 2 ( T g _ 22 - T g _ 23 ) + a 3 ( T g _ 22 - T g _ 23 ) 2 - - - ( 3 ) ]]>
Tg_i表示i通道的地表亮温，表示在没有太阳直射辐射条件下i通道的地表亮温。
a1-a3是回归系数，它们仅是太阳天顶角的函数，与地表参数和大气条件无关。
其中，所述步骤(B)中确定MODIS第22和23通道地表方向比辐射率的过程是：
B1.根据RossThick-LiSparse-R核驱动模型，地表双向反射率可表示为：
式中，kiso是各向同性散射系数，kvol是Roujean体散射核fvol的系数，kgeo是LiSparse-R几
何面散射核fgeo的系数。fvol和fgeo是都是观测天顶角θv、太阳天顶角θi和相对方位角的函
数。利用步骤(A)中得到的至少三组地表双向反射率，便能拟合出系数kiso、kvol和kgeo；
B2.根据基尔霍夫定律，对于局地热力学平衡的非透明地物，其方向比辐射率可以表示
为：
ε(θv)＝1-πkiso-kvolIfvol(θv)-kgeoIfgeo(θv)(5)
式中，f的下标x表示vol和geo。利用
拟合得到的核系数kiso、kvol和kgeo，便能计算得到MODIS第22和23通道的地表方向比辐
射率。
其中，所述步骤(C)中确定地表温度的过程是：根据中红外大气辐射传输方程，利用
大气参数数据和卫星传感器观测的辐射亮度数据，并结合步骤(A)和(B)中分别获取的
中红外通道地表双向反射率和地表方向比辐射率，反演得到地表温度。
本发明提供实现上述方法的装置，其包括：地表双向反射率反演模块、地表方向比辐射
率反演模块和地表温度反演模块，其中：
地表双向反射率反演模块，该模块功能为：利用经过数据预处理的MODIS中红外通道
遥感数据以及大气参数数据，结合第22和23通道的光谱响应函数，根据反演算法，获取中
红外通道的地表双向反射率。具体为：假设第22和23通道的地表双向反射率相等，以及无
太阳直射辐射情况下两通道的地表亮温相等的条件下，根据回归系数a1-a3，获取在无太阳
直射辐射情况下第22和23通道的地表亮温进而计算得到第22和23通道的地表双向
反射率；
地表方向比辐射率反演模块，该模块功能为：利用获取的至少三组的中红外地表双向反
射率，根据核驱动模型，拟合出各向同性散射系数kiso、体散射系数kvol和几何散射系数kgeo，
再根据基尔霍夫定律，利用发展的核驱动系数半球积分参数化模型，计算得到第22和23通
道的地表方向比辐射率；
地表温度反演模块，该模块功能为：根据中红外大气辐射传输方程，利用大气参数数据
和卫星传感器观测的辐射亮度数据，结合反演的中红外通道地表双向反射率和地表方向比辐
射率，确定地表温度。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、通过本发明的步骤实现了传感器白天测量的中红外遥感数据中反射辐射和发射辐
射的有效分离，为中红外遥感数据的利用提供了技术支持。
(2)、通过本发明的步骤实现了中红外遥感数据中地表温度的反演，为地表温度的遥感
反演开辟了新的途径。
(3)、本发明提出的利用中红外遥感数据确定地表温度的方法中，仅使用白天测量的中
红外数据，有效地减少了遥感定量化研究中的误差来源，突破了以往使用白天/晚上数据、中
红外和热红外相结合的地表温度遥感反演方法，提高了反演精度，实现新技术与创新研究的
结合。
(4)、本发明建立的利用中红外遥感数据确定地表温度的装置是通过地表双向反射率反
演模块、地表方向比辐射率反演模块和地表温度反演模块来实现的，模块具有操作简单、实
用性强、可扩展性强的特点。
附图说明
图1是本发明确定地表温度的总体流程示意图；
图2是本发明确定中红外数据地表双向反射率的流程示意图；
图3是本发明确定中红外数据地表方向比辐射率的流程示意图；
图4是本发明确定中红外数据地表温度的流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明具体实施例如下：
一种利用中红外遥感数据确定地表温度的方法，实现步骤如下：
步骤(A)、利用中分辨率成像光谱仪MODIS数据的中红外波谱区第22
(3.929μm–3.989μm)和23(4.020μm–4.080μm)通道辐射亮度数据和大气参数数据，结合
中红外地表双向反射率反演方法，确定第22和23通道的地表双向反射率。该步骤主要通过
地表双向反射率反演模块来实现，实施方式为：
A.1无太阳直射辐射贡献时地表亮温的确定
在假设MODIS第22和23通道的地表双向反射率相等，以及无太阳直射辐射情况下两
通道的地表亮温相等的条件下，发展了如下公式来计算无太阳直射辐射贡献情况下地表亮温
值：
( T g 0 - T g _ 22 ) = a 1 + a 2 ( T g _ 22 - T g _ 23 ) + a 3 ( T g _ 22 - T g _ 23 ) 2 - - - ( 6 ) ]]>
式中，Tg_22和Tg_23分别是第22和23通道在地面上测量的亮温值。a1-a3是回归系数，它们
仅是太阳天顶角的函数，与地表参数和大气条件无关，计算公式如下：
ai＝b1i+b2icos(SZA)+b3icos2(SZA)(7)
式中，SZA表示太阳天顶角，b1i-b3i是转换系数(详见表1)。
表1.方程式(7)中的转换系数
b1
b2
b3
|
a1
-0.07866
0.37944
-0.88887
a2
-1.32434
-3.36204
1.99923
a3
0.07913
-0.32188
-0.09891
A.2中红外地表双向反射率的确定
利用经过数据预处理的MODIS中红外通道遥感数据以及大气参数数据(包括透过率、
大气上行辐射、大气散射的太阳上行辐射、大气下行辐射以及地面处太阳直射辐射)，结合
第22和23通道的光谱响应函数，根据如下公式：
B i ( T i ) = B i ( T g _ i ) τ i + R a t m _ i ↑ + R a t m _ i s ↑ - - - ( 8 ) ]]>
计算出第22和23通道的地表亮温Tg_i，结合公式(6)计算得到的无太阳直射辐射情况下的
地表亮温即可根据公式(2)计算得到中红外地表双向反射率ρbi。
步骤(B)、利用步骤(A)中获取的中红外地表双向反射率，结合发展的地表方向比辐
射率反演方法，得到第22和23通道的地表方向比辐射率。该步骤主要通过地表方向比辐射
率反演模块来实现，实施方式为：
B.1核驱动模型系数的确定
根据RossThick-LiSparse-R核驱动模型，地表双向反射率可表示为；
式中，θi和θv分别是太阳天顶角和传感器观测天顶角，是太阳和传感器的相对方位角，kiso
是各向同性散射系数，kvol是Roujean体散射核fvol的系数，kgeo是LiSparse-R几何面散射核
fgeo的系数。其中，fvol和kgeo分别表示为：
其中，ξ是相位角，
θi'和θv'分别表示为太阳入射的天顶角和传感器观测天
顶角方向的反方向，是视角阴影和太阳入射角阴影的重叠区域，可由如下公式计
算：
式中， θ v ′ = tan - 1 ( b r tanθ v ) , θ i , = tan - 1 ( b r tanθ i ) , , ]]>其中，
h/b和b/r分别是无量纲的冠层高度和形状参数。
利用步骤(A)中获取的至少三组的地表双向反射率，根据公式(9)，采用最小二乘法
拟合得到系数kiso、kvol和kgeo。
B.2中红外地表方向比辐射率的确定
假定中红外区域的核驱动模型形状与可见光和近红外波段的形状相似，根据基尔霍夫定
律，中红外地表方向比辐射率可表示为：
ε(θv)＝1-πkiso-kvolIfvol(θv)-kgeoIfgeo(θv)(13)
式中，Ifvol(θv)和Ifgeo(θv)分别表示体积内核fvol和几何内核fgeo在太阳入射方向的半球积分，
用参数化的方式可近似表示为：
Ifvol(θv)＝-0.0299+0.0128exp(θv/21.4382)(14)
If g e o ( θ v ) = - 2.0112 - 0.3410 exp [ - 2 ( θ v - 90.95545 68.8171 ) 2 ] - - - ( 15 ) ]]>
于是，利用拟合出的系数kiso、kvol和kgeo，结合传感器观测天顶角θv，即可计算出中红外地
表方向比辐射率。
步骤(C)、利用步骤(A)和步骤(B)中分别得到的第22和23通道的中红外地表双
向反射率和方向比辐射率，根据中红外大气辐射传输方程，反演得到地表温度。该步骤主要
通过地表温度反演模块来实现，实施方式为：
在获取中红外地表双向反射率和方向比辐射率的基础上，根据中红外通道的大气辐射传
输方程，结合普朗克函数的逆函数，即可求得中红外通道的地表温度Ts：
T s = B i - 1 [ B i ( T i ) - R a t m _ i ↑ - R a t m _ i s ↑ τ i ϵ i - ( 1 - ϵ i ) ( R a t m _ i ↓ + R a t m _ i s ↓ ) + ρ b i R i s ϵ i ] - - - ( 16 ) ]]>
式中，B-1表示为普朗克函数的逆函数。大气总透过率τi、大气下行程辐射Ratm_i↓、大气散
射太阳的下行辐射地面上太阳直射辐射能和大气上行辐射Ratm_i↑等均为大气参
数，它们可通过大气辐射传输模型MODTRAN，结合大气廓线数据计算得到。地表双向反
射率ρbi和地表方向比辐射率εi可通过地表双向反射率反演模块和地表方向比辐射率反演模
块得到。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟
悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明
的保护范围之内。