基于单窗算法反演地表温度的ENVI操作教程文档良心出品

1、单窗算法反演地表温度教程1.1算法原理 1.1.1单窗算法C6D6Tsensor口6丁2忙6单窗算法MW算法是覃志豪于2001年提出的针对TM数据 只有一个热红外波段的地面温度反演算法. 经过众多学者验证,单窗 算法具有很高的反演精度,且同样适用于ETM+和landsat 8数据.公 式如下：Tsa61 C6 D6b61 C6D6式中,LST为地表温度K, Tsensor是传感器上白亮度温度K , Ta 是大气平均温度K; a、b为参考系数,当地表温度为0-70C日a =- 67.355351, b = 0.458606 C、D为中间变量,计算公式为：D-l- rl-F 1- fr式中,为地表

2、比辐射率,雷为地面到传感器的大气总透射率.因此单窗算法反演地表温度的关键是计算得到亮度温度Tsenso、地表 比辐射率£、大气透射率汇和大气平均作用温度Ta.1.1.2参数计算 辐射亮温计算利用Planck公式将图像像元对应传感器辐射强度值转换为对应的亮度温度值.公式如下侬1十3) At式中,Tsenso为亮度温度值；L影像预处理后得到的光谱辐射值,2单位为w/(m sr m), K1、K2为常量,可由数据头文件获取.计算图像辐射亮温之前,需采用辐射定标参数将像元灰度值DN 转换为热辐射强度值,公式如下：Z, -M.xDNrA.-niJ-a式中,Ml为增益参数,Al为偏

3、移参数,该参数可直接在影像通 文件数据中获取,且ENVI软件中已经集成,不需要自己在查找. 地表比辐射率计算根据覃志豪针对TM影像提出的混合像元分解法来确定区域地表福辐射率.对于城市区域,我们简单的将其分为水体、自然外表和 建筑外表三种,因此针对混合像元尺度上的地表比辐射率通过下式来 估算：£：= P R £ +(1 +dr r v .r 7 mm ir式中,右为混合像元的地表比辐射率；Pv为植被覆盖率；Rv为植 被的温度比率；Rm为建筑外表的温度比率；V表示植被法地表比辐 射率,.表示建筑外表的地表比辐射率； d表示辐射校正项.根据覃志豪经验公式,Sv=0.

4、986; 5m=0.972根据Aster提供的常用地物比辐射率光谱库 Landsat 8数据特点,对于 B10 波段,5v=0.98672;&m=0.96767.对于 B11 波段,£v=0.98990;5m=0.977515.在地表相对较平整的区域,一般可取d £ =麻地表起伏较大的区 域,d e可根据植被的构成比例估计.研究说明热辐射相互作用在植被 与裸土分别占一半时到达最大,所以可以根据如下经验公式来估计d £：当 Pvw 0.5日Id & =0.003 8Pv当 Pv>0.5 时,d & =0.003 8 (1-Pv)当 Pv

5、=0.5 时,d £ =0.0019RV和Rm确实定采用覃志豪等提出的经验公式计算：RV=0.9332+0.0585*PVRm=0.9886+0.1287*PVPV为植被覆盖率可用下式计算：PV=(NDVI-NDVI s)/(NDVI v-NDVI s)其中NDVI是归一化植被指数,NDVIV、NDVIS分别是植被和 裸土的NDVI值,由于没有详细的区域植被和土壤光谱资料,采用覃志 豪经验值以NDVIV=0.70和NDVIS=0.05来进行植被覆盖度的近似估 计. 大气平均作用温度的计算对于大气平均温度,覃志豪等也提供了 一个经验公式,该公式是 根据Modtran所提供

6、的标准大气推导出来的,如下表所示,其中To为 近地表温度(K).表3-4大气平均作用温度与处面附近气温的关系网】人气的剖面类型7；与口的美系美国76年平均大气T. =25.9*64 0.8835 I.热带平均大气T. =17,9765+0.51715 r0中纬度员李平均人气74=16,011<1+0,92621 70中纬度冬季平均火气I；-19.2704+0.91118 rD般研究区在重庆的,选择中纬度夏季平均大气 大气透射率的计算由于单窗算法对输入的参数较敏感,因此需要较精确的大气透射 率参数来反演地表温度.影响大气透射率的因素较多,如气压、气温、 气溶胶含量、大气水分含

7、量、03、CO2、CO、NH4等对热辐射传导 均有不同程度的作用,从而使地表的热辐射在大气中的传导产生衰减. 因此,准确的大气透射率求算比较复杂,需要较详细的大气剖面数据, 但在实际应用中很难获取详细的大气剖面数据.研究说明大气水分含量对大气透射率的变化影响较大,而其它因素由于很难在短时间内发 生较大变化而对大气透射率的影响较小.因此,水分含量就成为大气透射率估计的主要考虑因素.覃志豪等根据大气中的水汽含量动态变化对大气透射率的影响程度进行了研究,并对大气透射率进行了估计,如表 3.1.其中:w是大气水汽含量.以重庆为研究区的研究一般选用是气温较高时的估算 公式.大气透射率估计方程大气剖面水分

8、含量大气透射率估计方w/(g cm-2)程高气温0.4-1.61.6-3.0r 6=0.974290-0.08007wr 6=1.031412-0.11536w相关系数标准误 平方(R2) 差(SEE) 0.99611|0.0023680.99827 b.002539低气温0.4-1.6r 6=0.982007-0.09611w1.6-3.0r 6=1.053710-0.14142w0.994630.0033400.998990.002375接下来只需要计算出大气水分含量便可计算得到大气透射率.学 者杨景梅根据地面、高空气象要输资料,提出利用地面湿度计算整层 大气可降水量,由此计算得出整层大气

9、水汽含量的方法 杨景梅 邱 金恒,用地面湿度参量计算我国整层大气可降水量及有效水汽含量的 方法的研究,大气科学,2002.01公式如下：式中,为大气水汽含量g/cm2, W为整层大气可降水量cm；C0 C1为经验系数,以重庆为研究对象,一般可选取成都的经验值来计算.C0= 0.1274; C1=0.6878计算大气可降水量公式如下：W - 竽式中,W为整层大气可降水量cm, e为地面水汽压hPa, a0 al为经验系数,可从以下公式计算得出.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,.为地理纬度°, H为海拔高度.重庆市主城区纬度取29.5, 平均高程取0.35 km,那么有.=0.19604e+0.04691其中：e是绝对水汽压hPa.采用WMO在1996年公布的?气象仪器和观测方法指南?中公布的饱和水汽压E公式.对于纯水面用公式计算,适用于温度 -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为相对湿度,可以通过气象观测数据获得,To为气温(C).1.2地表温度反演步骤/ Land-QWTIR5 救樵 /T轴时定标1 一 * OU大气控止, INDVliin/ BmndloU藕图像 /他表匕辐射率il.算J*/ I 丽数 /if福温度下黑体轴射凝计审I地表温度计望 1.2.1 影像预处理(1)辐射定标选择 Radiometric Correction/Radiometric Calibration.在 File Selection 对话框中,选择数据 LC81230322021132LGN02_MTL_Thermal,单击 Spec

12、tral Subset 选择 Thermal Infrared1 ( 10.9),翻开 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变 Crrec-tt tn- - Z QTlet 占tMEnkr:： CGrrEiztl«ii. ioffic)* Cal lira'e iTtfFJl ulCalltaraTe 口匕,鹏 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不能改变,否那么后续计算会 昔.保持默认1即可.(2)大气校正本教程选择 Flaash 校正法.FLAASH Atmospheric Correction ,双击此工具,翻开辐射定标的数据,进行相关的参数设置进行大气校正.注意：如果在多光谱数据辐射定标时 Scale factor值忘记设置,可在本步骤中打开辐射定标数时设置single scale faceor 值

16、为0.1 ,假设已设置,那么默认值为1即1 Input Radiance Image翻开辐射定标结果数据；2设置输出反射率的路径,由于定标时候；3设置输出FLAASH校正文件的路径,最优状态：路径所在磁盘空 间足够大；4中央点经纬度 Scene Center Location自动获取；5选择传感器类型：Landsat-8 OLI ;其对应的传感器高度以及影像 数据的分辨率自动读取；6设置研究区域的地面高程数据；7影像生成时的飞行过境时间：在layer manager中的Lc8数据图层右键选择View Metadata,浏览time字段获取成像时间；注：也可以从元文件 “LC8123032202

17、1132LGN02_MTL.tXt中找到,具 体名称：DATE_ACQUIRED = 2021-05-12; SCENE_CENTER_TIME = 02:55:26.6336980Z;8大气模型参数选择：Sub-Arctic Summer根据成像时间和纬度信息 选择；9气溶胶模型 Aerosol Model: Urban,气溶胶反演方法AerosolRetrieval: 2-band (K-T);10)其他参数根据默认设置即可.11)多光谱参数设置中,K-T 反演选择默认模式：Defaults->Over-Land Retrieval standard(600:2100)波谱响应函数：

18、默认指向 Program FilesExelisENVI51classicfilt_funclandsat8_oli.sli把 它 重 新 指 向 ： .ProgramFilesExelisENVI51resourcefilterfuncslandsat8_oli.sli注：这是由于ENVI5.1版本的一个小bug,即Classic中的L8的波 谱响应函数不正确,另外一个一劳永逸的方法是：将“ExelisENVI51resourcefilterfuncs 中的“Landsat8_oli.sli 和Landsat8_oli.hdr 两个文件拷贝覆盖："ENVI51classicfilt

19、_func 中的两个文件.否那么SWIR1波段大气校正后的结果全为0.见以下列图.Multi spectra Settings12)高级参数设置：根据内存大小设置 Tile Size (Mb): 100(8g物理内存),其他参数默认即可,详细见以下列图经过FLAASH校正的影像根本去除了空气中水汽颗粒等因子的影响, 植被的波谱曲线趋于正常.1.2,1,1地表比辐射率计算(1)植被覆盖度计算第一步,利用多光谱遥感影像,计算研究区域归一化植被指数NDVI , ENVI软件中有工具集成,使用即可.第二步,利用波段运算工具,根据覃志豪经验公式,计算研究区植被覆盖度.(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)地表比辐射