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1、中国科学D辑地球科学2006,36(7):663~671663*改进的基于订正ALPHA差值谱的TES算法①②**②②②②唐世浩李小文王锦地朱启疆张丽华(①国家气象局卫星气象中心,中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室,北京100081;②北京师范大学遥感与GIS研究中心,遥感科学国家重点实验室,北京100875;)摘要与可见光遥感不同,热红外传感器测得的辐射亮度值是温度和发射率的函数,因此,对于热红外遥感,温度和发射率的分离是一个关键问题.热红外地表温度反演需要考虑的另一个问题是地表反射的大气下行辐射订正,由于该项与地表
2、发射率紧密联系在一起,在地表发射率未知的情况下,该项很难消去.研究从普朗克方程的维恩近似出发,引入Li和Becker等提出的大气下行辐射修正项,以此为基础,推导出与温度无关的改进ALPHA差值谱,并进一步提出消除维恩近似影响的修正项.在上述工作基础上,借鉴ALPHA导出发射率法和ASTERTES算法的优点,提出改进的基于订正ALPHA差值谱的TES算法(ICADSTES).由于算法采用多光谱反演技术,并且算法中包含波段差值、比值操作,因而可以部分消除大气、仪器噪声等的影响,具有良好的抗干扰能力.采用不同大气条件、下垫面类型、地表温度组
3、合的数值模拟实验表明,算法具有很宽的适用范围和稳定性,反演的温度精度一般在0~1.5K之间,平均发射率精度在0~0.015之间.算法反演温度产品与ASTER数据下载中心(EarthObservingSystemDataGateway,EDG)提供的地表温度产品相比,相关性非常好,相关系数接近1.0,产品直方图分布基本一致.与现有发射率温度分离算法相比,ICADSTES算法的优点是适用的温度和下垫面范围宽,不需要诸如地表分类、发射率方向性等先验信息支持,计算结果不受参数设置影响,更为客观.由于该算法不需要下垫面类型先验信息支持,可以避免
4、其他算法中出现的因地表误分类、混合像元等问题引起的反演误差.与作者此前提出的基于订正ALPHA差值谱的TES算法(CADSTES)相比,算法考虑了大气下行辐射的影响,在大气辐射特性已知的条件下,可以获得更好的反演结果.关键词热红外遥感TES算法发射率温度收稿日期:2005-06-12;接受日期:2005-10-18*国家自然科学基金项目(批准号:40301034)、国家“九七三”计划项目(批准号:G2000077900)、长江学者和创新团队发展计划、中国气象局气候变化专项资助**E-mail:tangshh@nsmc.cma.gov.
5、cnSCIENCEINCHINASer.DEarthSciences664中国科学D辑地球科学第36卷在热红外波段,辐射亮度是物体温度和发射率1Nαjj=−λεlnj∑λjlnεj,j=1,N,(1)的函数,热红外与可见光/近红外遥感的最主要区别Nj=1在于:均匀朗伯体地表假设下,可见光/近红外波段与其中λ为波长,ε为发射率,N为波段数.遥感有关的地表参数只是反射光谱一方面,但热红在热红外8~14µm范围内,发射率0.7~1.0之间外波段需要发射率和温度两方面参数才能描述地表时,αj与发射率谱形基本一致.通过引入ALPHA谱均的状态,
6、这样对于N个观测值始终存在N+1个未知量,值与方差的经验关系,可以确定发射率.ALPHA导出属于数学上的欠定问题.对于热红外遥感,温度和发发射率法适用的发射率范围较宽,但维恩近似会带射率的分离是一个关键问题.目前有很多关于发射来很大的发射率误差,在精度要求较高的场合也不[1]率与温度分离的文章,所有这些相关的研究从原理适用,同时该算法并没有考虑大气下行辐射的影上分析,可以概括为在某种假设的前提下,组成第响.N+1个方程,从而可以解方程获得温度和发射率.这本研究在维恩近似的基础上,引入Li和Becker等[5]些假设随测量条件和应用领域
7、的不同其合理性和适提出的大气下行辐射修正项,借鉴ALPHA导出发应性也不尽相同.射率法和ASTERTES算法优点,提出并推导出修正除参考通道法(referencechannelmethod)﹑发射的ALPHA差值谱及消除维恩近似影响的订正项.以率归一化法(Normalizedemissivitymethod)等基本方上述工作为基础,提出改进的CADSTES(ICADS法外[1],目前比较实用的温度/发射率分离算法主要TES)算法.ICADSTES算法在大气下行辐射已知的条件下,可以获得更好的反演结果.由于采用温度/发有基于维恩近似的A
8、LPHA导出发射率法(ALPHA[1,2][3,4]射率同步反演技术,ICADSTES算法不受发射率的方derivedemissivitymethod)、ASTERTES算法、向特性制约.基于温度无关的热红外光谱指数(T
