[发明专利]基于成对HJ-1B影像时空信息的地表温度反演方法

说明书

技术领域

本发明涉及热红外遥感技术领域，更具体的是在地表比辐射率和大气参数均未知的情况下，利用两个成对时相HJ-1B影像的时空信息，从单一热红外波段的辐射亮度直接定量反演地表温度的方法。

背景技术

地表温度是影响生态系统的关键因子之一，它与许多地表过程有关。热红外卫星遥感技术被认为是现阶段获取区域和全球尺度地表温度信息的一个可行且有效的手段。为了实现从热红外卫星遥感影像准确提取地表温度信息，国内外研究人员提出了一系列的反演方法，如单窗（或单通道）算法、劈窗算法、温度/比辐射率分离算法、白天/昼夜法。与其它方法相比，单窗（或单通道）算法的优势在于它能从单一热红外波段影像反演地表温度。因此，在实际应用中，对于Landsat TM/ETM+, CBERS, HJ-1B等仅具有单一热红外波段的传感器，单窗（或单通道）算法是唯一的选择。由辐射传输方程可知，为了从单一热红外波段影像准确地反演地表温度，需要同时对大气影响和地表比辐射率进行校正。已有的研究通过大量的模拟实验和简化假设提出了相应的经验算法模型及其改进形式（Qin 和Karnieli，2001；Jimenez-Munoz 和Sobrino，2003；张勇 等，2006；段四波 等，2008；Jimenez-Munoz 等，2009；Cristobal 等，2009）。

然而，这些经验的算法均以地表比辐射率和大气参数（如大气平均温度、大气水分含量）已知为前提。目前，对地表比辐射率的估算主要采用地表覆盖分类赋值法（Synder 等，1998）和植被指数法（Valor和Caselles，1996；覃志豪 等，2004；Sobrino 等，2008）。基于地表覆盖分类的方法需要预先知道不同地类的比辐射率，并认为每个类别的比辐射率是固定不变的，这显然是不合理的；尽管基于植被指数的方法考虑了像元的组分差异，但依然需要预先确定代表性组分的比辐射率，如土壤，植被等。另外，受准确大气参数获取条件的限制，很多研究多假定整个研究区域的大气状态是均一分布的，在地表温度反演过程中不考虑大气的影响，如Artis和Carnahan（1982）在早期所提出的一个单窗算法就没有考虑大气的影响，因此利用该算法不能得到真实的地表温度。由于大气状态往往存在一定程度的空间异质性，假定大气状况均质，不进行大气校正，或以某一点代替整个区域必将给遥感地表温度反演带来误差（陈峰 等，2010）。理论上，可以从MODIS的大气产品（如MOD 05）提取现有经验算法所需的大气参数，但是该产品自身的不确定性可能会在有些情况下给最终的地表温度结果带来不利影响。可见，由于在准确获取相关参数方面存在的困难，将在一定程度上限制现有的单窗（或单通道）算法实施，从而也将影响HJ-1B单一热红外波段数据的定量应用。

本发明针对HJ-1B星的高回访频率的特点，利用两个成对时相HJ-1B影像的时空信息，基于两个合理的假设，提出一种直接从单一热红外波段影像反演地表温度的方法，而无需过度依赖准确的地表比辐射率和大气参数信息。因此，该新方法可以视为对现有的单窗（或单通道）算法的有益补充。

发明内容

要解决的技术问题  本发明主要解决的技术问题是：在无法准确获取研究区地表比辐射率和大气参数（如大气水分含量，大气平均作用温度）的情况下，即无法有效实施现有的单窗（或单通道）算法时，实现从HJ-1B影像准确反演地表温度。

技术方案 为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于成对HJ-1B 影像时空信息的地表温度反演方法，包括以下步骤：

    S1 获取研究区两个时相的HJ-1B影像（含CCD多光谱和IRS热红外影像），结合官方公布资料和影像头文件信息，相应地，计算CCD影像的各波段的星上反射率值和IRS热红外影像辐射亮度值；并对HJ-1B CCD反射率影像和热红外波段辐射影像进行地理校正等预处理；

    S2 对预处理后的影像以对称的方式进行边界延拓处理；

    S3 依据每个目标像元所在的滑动窗口范围内各像元的光谱相似度指数，识别相似像元及其数目，确定相应的反演方法；

    S4 依据S3的结果，相应地提取相似或准相似像元的辐射值，构建一个简化的辐射传输方程组，通过一个带约束的非线性优化模型实现对该方程组的求解，得到目标像元在两个成对时相的地表辐射值；