一種Landsat 8衛星數據地表溫度反演方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種從Landsat 8衛星數據反演地表溫度的方法，能夠應用在林業、 農業、氣象、生態環境等行業部門。
【背景技術】
[0002] 地表溫度是研宄區域能量交換和水分循環的關鍵參數，也是生態、水文和氣候等 過程模型的一個重要的輸入參量。獲取區域地表溫度是區域資源環境動態監測的重要內 容。熱紅外衛星遙感技術是獲取區域地表溫度的一個很重要途徑。Landsat8數據是一種 新型的衛星數據源，與傳統的Landsat系列衛星（Landsat5、7)相比，Landsat8在波段的 數量、波段的光譜范圍和影像的輻射分辨率上進行了改進。LandsatS攜帶了兩個傳感器： 1)OperationalLandImager(0LI)和ThermalInfraredSensor(TIRS)。0LI傳感器在 可見光、近紅外和短波紅外區域接收九個光譜波段的數據；TIRS傳感器將原來Landsat5、 7的熱紅外波段一分為二，設置成兩個熱紅外通道（Band10 :10. 6-11. 19ym;Bandll: 11. 5-12. 51ym)。對于Landsat5、7地表溫度反演，通常利用單通道地表溫度反演算法，該 算法至少需要兩個輸入參數：大氣水蒸汽含量和比輻射率，比輻射率可以利用NDVI閾值法 從Landsat數據本身來獲取，而大氣水蒸汽含量則必須依賴外部數據源，通常通過氣象數 據或者M0DIS數據來間接獲取，然而不管是利用氣象數據還是M0DIS數據都具有明顯的局 限性：氣象數據是一種點數據，而遙感數據是一種面數據，氣象數據以點代面的方式會導 致較大的誤差，而且對于偏遠地區或者歷史存檔衛星數據，獲取對應的氣象數據就非常困 難；M0DIS數據和Landsat數據在成像時間和空間分辨率上存在較大差異，兩種數據之間的 幾何配準和投影轉換也會帶來誤差。更重要的是，對于中國大部分地區，Landsat數據和 M0DIS數據之間的地理重疊區域往往非常小（小于三分之一），甚至找不到與Landsat數據 對應的M0DIS數據。以上這些缺陷給傳統的Landsat地表溫度反演造成了非常大的困難。 幸運的是，LandsatS的波段設置給基于LandsatS數據本身、無需利用外部數據源來反演地 表溫度帶來了可能。對于Landsat8數據，比福射率同樣可以利用NDVI閾值法從Landsat8 數據本身來獲取，而大氣水蒸汽含量可以利用LandsatS的兩個熱紅外通道基于劈窗協方 差-方差比算法來反演，這樣就可以實現完全基于LandsatS數據本身不需要任何外源數據 來反演地表溫度。該發明對于實現利用LandsatS數據業務化地生產地表溫度產品具有重 要的現實意義。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于提供一種Landsat 8衛星數據地表溫度反演方法，該方法完全 基于LandsatS數據本身不需要任何外部數據，實用性非常強。
[0004] 為實現上述目的，本發明提出的方法包括以下步驟：
[0005] 第一步、計算Landsat 8第10波段和第11波段的星上輻射亮度和星上亮度溫度
[0006] Lsen=MLQcal+AL
[0007] Tse^KVlnd+VLsJ
[0008] 其中，Lsen是星上輻射亮度，Tsen是星上亮度溫度，M 波段的增益，A 波段的偏 置，QMl為影像DN值，K1和K2為常數，M^At及K1和K2從Landsat8頭文件獲得；
[0009] 第二步、利用NDVI(NormalizedDifferenceVegetationIndex)閾值法來獲取比 輻射率e:
[0011] 其中DNbandjPDNband4*別表示Landsat8第5波段和第4波段影像的DN值；
[0012] 當NDVI<NDVIS時，e=es，其中冊￥13是純裸土區域的NDVI，es是土壤的比 輻射率；
[0013] 當NDVI>NDVIv時，e=ev，其中冊乂^是純植被區域的NDVI，ev是植被的比 輻射率；
[0014] 當NDVIS彡NDVI彡NDVIv時，e=es(l-FVC)+evFVC
[0015] FVC是植被覆蓋度：
[0017] NDVIJPNDVIv可以從圖像上選取均質的裸土區域和植被區域來獲取；e3和e7通 過MODISUCSB比輻射率庫和Landsat8TIRS波譜響應函數計算得到；
[0018] 第三步：計算大氣水蒸汽含量w
[0019] w=a(tj/tj)+b
[0021] 其中，TiSi波段的大氣透過率，Tj波段的大氣透過率，eiSi波段的比 輻射率，^為j波段的比輻射率，k表示第k個像元，Ti,k為第k個像元i波段的星上亮度 溫度，Tj,k為第k個像元j波段的星上亮度溫度，^為N個像元i波段的平均星上亮度溫度， ^為N個像元j波段的平均星上亮度溫度，對于LandsatS數據，i，j分別為10,11，N表示 窗口大小，取20像元*20像元；
[0022] 系數a和b利用M0DTRAN4. 0大氣輻射傳輸模型和TIGR數據庫來模擬大氣水蒸汽 含量w與LandsatS熱紅外波段大氣透過率比值tn/t1(|之間的關系得到：
[0023] w= -18. 973 (tJt10)+19. 13 R2= 0. 9663,tJt1〇>〇. 9
[0024] w= -13. 412 (tJt10)+14. 158 R2= 0. 9366,tJt1〇<〇. 9
[0025] 第四步：計算地表溫度
[0027] 其中Ts是地表溫度，e是比輻射率，Lsen是Landsat8第10波段的星上輻射亮度， (y，s)可以表達為：
[0029] 其中Tsen是Landsat8第10波段的星上亮度溫度，b Y等于1324K，步丨，七，和步3 是大氣函數，可以利用以下公式從大氣水蒸汽含量（w)來近似得到：
[0030] it^O. 04019w2+0. 02916w+l. 01523
[0031] it2= -0. 38333w2-1. 50294w+0. 20324
[0032] it3= 0. 00918w2+l. 36072w-〇. 27514
【附圖說明】
[0033] 圖1Landsat8熱紅外波段大氣透過率比值和大氣水蒸汽含量的關系
【具體實施方式】
[0034] 本發明利用單通道地表溫度反演方法從Landsat8第10波段來反演地表溫度，單 通道方法基于熱波段輻射傳輸方程簡化得到，可以表達為：
[0036] 其中Ts是地表溫度，e是比輻射率，L 是星上輻射亮度，（y，S )可以表達為：
[0038] 其中Tsen是星上亮度溫度，bY等于1324K，$ :，七，和是大氣函數，可以利 用以下公式從大氣水蒸汽含量（w)來近似得到（Jim6nez-_Mufioz，J. C.，Sobrino, J. A.， SkokovicD,MattarC,andCristobal,J. (2014).LandSurfaceTemperatureRetrieval MethodsFromLandsat-8ThermalInfraredSensorData.IEEEGeoscienceandRemote SensingLetters，11(10)，1840-1843.):
[0039] it^O. 04019w2+0. 02916w+l. 01523
[0040] it2= -0. 38333w2-1. 50294w+0. 20324
[0041] it3= 0. 00918w2+l. 36072w-0. 27514
[0042] Lsen=MLQcai+AL
[0043] 為波段的增益，A^為波段的偏置，]VI^和AJ人Landsat8頭文件獲得，Qeal為影像 DN值。
[0044] Tsen =K2/1n(1 +1 /Lsen)
[0045] K1和K2為