第6期
矿山刚量
2015年12月
MINE SURVEYING
doi:10.3969/j.1iss.1001-358X.2015.06.019
基于 ASIER/MODIS数据福州地区
水热指数的反演研究
肖斌',张学东2
(1.江西核工业测绘院,江西南昌330038;
2.北京建筑大学测绘与城市空间信息学院,北京100044)
摘要;以福州部分地区为例,利用同时相 MODIS数据,通过2波段比值法,利用第2波段和第9波段
的比值估计出大气水汽含量,进而根据 ASTER13、14波段与大气水汽含量之间的缄性关系,获得大
气透射率,然后对照不同土地利用类型比輻射率,反演IST;针对该地区地形条件特点,利用VSWI
进行各种土地利用类型土壤水分指数的反演;通过实际样本点数据比对,反演的LST与实际地表温
度之间的具有很强的相关性;反演的各个土地利用类型土壤湿度面积与实际地形及土地利用多年平
均统计値及其空间分布基本一致,达到了预期研究的目的,为下一步水热指数遥感动态监测研究积
累了有益经验。
关键词: ASTER; MODIS;地表温度;VSWI;发射率
中图分类号:P237
文献标识码:B
文章编号:1001-358X(2015)06-0062-04
土壤水分和地表温度是区域和全球地表物理过工作积累经验
程中的重要因子,亦是研究地表和大气之间物质交
1研究区及数据预处理
换和能量交换的不可或缺的参数,是区域和全球环
境的重要组成因素,因此,水热指数已成为气候、生
研究以福州部分地区为实验区,范围为:北纬
态和生地化学等许多研究领域中的重要参数。199925949"34.02"~2628'11.86,东经118°50'18.61
年搭载 ASTER和 MODIS遥感器的对地观测卫星
119°35'16.82”。地势由西向东依次下降,地貌类
(tera)发射成功,为全球和区域资源环境动态监测型主要包括中山、低山高丘陵、低丘陵,其间台地平
开辟了新的途径。
原作有规则地分布。闽江自西北向东南横切山脉,
随着新一代对地观测传感器 MODIS的发射,造成幽深峡谷,东流至福州盆地,福州地区地跨中亚
MODIS数据以其特有的优势逐渐成为地温反演研究热带和南亚热带,属热带海洋性气候,暖熱湿润。境
的新宠。郭广猛等人(1(2004)基于MODS数据,采内多山地,山地气候垂直变化明显,从而引起环境诸
用统计方法和神经网络法得出了计算IST的公式。多要素的垂直分布差异。
杨青生等人2(2004)基于推广的分裂窗算法,对传
研究数据为2001年5月23日上午过境的AS-
感器高度角的范围进行了细分,提出了一种改进的TERL1B数据。L1B数据是在L1A基础上使用自
推广分裂窗算法。并根据水的吸收率曲线提出使用带的参数完成辐射校正和几何校正后生成的。在默
中红外波段来监测土壤湿度,采用MODS数据并结认的情况下,其采用的投影为UTM投影,根据研究
合实地调査资料,建立了 MODS第7通道的反射率需要把其重投影为 Geographic Lat/Lon, Datum:WGS
与地面湿度的线性关系,并在内蒙古地区得到了很
84。同样,研究所用的 MODIS数据也采用经纬度
好的验证。
投影。由于 MODIS数据为 MODIS L1B数据,因而
本文针对南方山地丘陵纵横交错的地形条件,需要在使用之前对其进行必要的预处理,如定标处
以及高植被覆盖的特点,采用劈窗算法反演陆地地理、蝴蝶结处理、几何纠正和太阳高度角订正等。
表温度(LST),以及利用植被供水指数反演土壤湿
辐射度校正是指将卫星观测到的计数值转换为
度,开展水热指数反演模型的适应性研究,为下一步
用的物理值,即
辐射定标。对于反射通道,定标的
第6期
滅等:碁于 ASTER/MODIS数据福州地区水热指数的反演研究
2015年12月
结果就是像素点的反射值
水汽含量图像重采样为90m,以匹配 ASTSR熱红外
R= reflectan_ scale(DN- reflectance_ offsets)(1)波段数据,如图1所示。
式中:R为定标后的反射率;DN为卫星的观测值;re-
flectance_ scale为绵放比或增益值; reflectance_ offsets
为缩放截距或偏移值。增益值及偏移值可从1B数
据头文件里査找。
对于辐射通道,定标的结果即为像素点的辐射
亮度值。
L =radiance_scales (dn-radiance_offsets) (2)
式中:L为定标后的辐射率; radiance_ scales为辐射通道
的缩放比或增益系数; radiance_ offsets为辐射通道的缩
放截距或偏移系数,可从1B数据头文件里査找
图1水汽含量
2地表温度的反演
毛克彪等人?(2006)利用 MODTRAN对AS-
TER热红外波段的大气透射率和大气水汽含量的关
本次研究将采用毛克彪等人(2006)提出的劈系进行了模拟,并建立了大气水汽貪量和热红外波
窗算法来反演实验区的地表温度,而此算法所需参段大气透射率之间的关系表达式。 ASTER第13、14
数以大气透射率和地表比辐射率最为关键。
波段的大气透射率与大气水汽含量之间的线性关系
2.1大气透射率
表示如下
大气透射率是地表温度反演的关键参数。通常
对13波段;13=1.02-0.104W
是用大气模拟软件(6S, MODTRAN, LOWTRAN等)
R2=0.985
模拟透射率与大气水汽含量之间的关系,通过估计
对14波段:r=1.04-0.133W
大气中的水汽含量,进而估算出大气透射率。本研
R2=0.9915
究根据MODS近红外波段针对不同大气水汽含量式中:ヶ是波段大气透过率;o是对应的大气水汽含量。
而表现出来的特性,采用2波段比值法来估计大气
借助此表达式,利用上面估计的大气水汽含量,
水汽含量,进而求得热红外波段的大气透射率。2波求得实验区的大气透射率。
段比值法表示如下
2.2地表比辐射率
Ta,(0.940m)
地表比辐射率亦是地表温度反演的关键参数,
=p(0.940um)/p(0.865m)
它主要由地表结构和波长决定。在劈窗算法中,地
Kaufman和Cao对比值与大气水汽含量的关系表比辐射率通常假定已知。在对 ASTER波谐库所
给出了如下表达式
提供的发射率分析中,发现绝大多数地物在8~14
T、(940/865)
Lm波长范围内的比辐射率变化非常小,而且都在
exp(a-bu) R=0.999
(4)0.9以上。本研究采用由 ASTER可见光/近红外计
对于复杂地表,=0.02,B=0.651。则
算所得的归一化差异植被指数NDVI,并根据各种地
W=[(a-aT)/B]2
(5)物在可见光/近红外波段的反射特性,对实验区进行
利用MODS第2波段和第19波段的比值来估了简要地分类,然后根据 ASTER波谱库对各地物类
计大气水气含量。由于分辨率不匹配,所以将大气型靈予相应的比辐射率,如表1所示。
表1地表分类及发射率设定
设定
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