定量遙感：地表溫度反演

遙感數(shù)字影像處理作品名稱：黃河三角洲地表溫度反演姓名+學(xué)號(hào)：小組成績(jī)：一、概述作業(yè)背景：地表溫度是很多環(huán)境模型的一個(gè)重要參數(shù)，在大氣與地表的能量與物質(zhì)交換，天氣預(yù)報(bào)，全球洋流循環(huán)，氣候變化等研究領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。利用熱紅外遙感可以得到大范圍的地表溫度面狀信息，與傳統(tǒng)的地表溫度測(cè)量方式相比，具有快速、便捷、測(cè)量范圍大、信息連續(xù)等特點(diǎn)，因此利用熱紅外遙感數(shù)據(jù)反演地面溫度得到了廣泛的應(yīng)用作業(yè)意義：黃河三角洲是黃河攜帶大量泥沙在渤海凹陷處沉積形成的沖積平原，位處黃河入海口處的黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)正是以保護(hù)河口濕地生態(tài)系統(tǒng)和珍稀、瀕危鳥類為主的濕地類型保護(hù)區(qū)。以利津?yàn)轫旤c(diǎn)，北到徒駭河口，南到小清河口，呈扇狀三角形，面積5,450平方公里。地面平坦，在海拔10公尺以下。向東撒開的扇狀地形，海拔高程低于15米，面積達(dá)5450平方公里。三角洲屬，溫帶季風(fēng)性氣候。四季清楚，光照充足，區(qū)內(nèi)自然資源豐富。黃河口濕地生態(tài)旅游區(qū)占地23萬畝，都處在黃河三角洲之內(nèi)，地貌以蘆葦沼澤，濕地為主，其次為河口灘地，帶翅堿蓬鹽灘濕地，灌叢疏林濕地以及人工槐林濕地等。集自然景觀與人文景觀為一體，既有滄海桑田的神奇與壯闊，又有黃龍入海的壯觀和長河落日的靜美，是人們休閑、度假、觀光科普的最正確場(chǎng)所。二、數(shù)據(jù)介紹數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云，Landsat4-5TM〔陸地衛(wèi)星4、5號(hào)，1982年發(fā)射后運(yùn)行至今，攜帶有TM傳感器〕的相關(guān)遙感影像作為研究數(shù)據(jù)，研究黃河三角洲溫度分布狀況。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：2023年9月11號(hào)黃河三角洲圖像〔中心經(jīng)度：118.8878w，中心緯度：37.4815n〕三、根本概念及技術(shù)流程圖3.1、根本概念：①、輻射定標(biāo)：指建立遙感傳感器的數(shù)字量化輸出值DN與其所對(duì)應(yīng)視場(chǎng)中輻射亮度值之間的定量關(guān)系。②、大氣校正：消除遙感圖像中由大氣散射引起的輻射誤差的處理過程。③、NDVI：植被覆蓋指數(shù)。應(yīng)用于檢測(cè)植被生長狀態(tài)、植被覆蓋度和消除局部輻射誤差等。④、密度分割：密度分割是一種用于影像密度分層顯示的彩色增強(qiáng)技術(shù)。原理是將具有連續(xù)色調(diào)的單色影像按一定密度范圍分割成假設(shè)干等級(jí)，經(jīng)分層設(shè)色顯示出一種新彩色影像。常用于航空像片、多光譜掃描影像和熱紅外掃描影像等單色影像的彩色增強(qiáng)。3.2、技術(shù)流程：實(shí)驗(yàn)流程：完整流程涉及LandsatTM的數(shù)據(jù)讀取、輻射定標(biāo)、反演模型、遙感反演過程、反演結(jié)果驗(yàn)證等軟件功能：主要采用ENVI主模塊中的LandsatTM數(shù)據(jù)讀取、輻射定標(biāo)、波段運(yùn)算、結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析等。該方法需要進(jìn)行大氣校正，消除大氣層對(duì)地表輻射能量的影響，這就需要從衛(wèi)星觀測(cè)得到的熱輻射能量中扣除大氣層的輻射分量，并利用熱紅外波段〔Band6〕范圍內(nèi)的地表發(fā)射率作為參數(shù)，反演出地表的真實(shí)溫度。3.3、技術(shù)路線〔1〕LandsatTM數(shù)據(jù)預(yù)處理：數(shù)據(jù)讀取、輻射定標(biāo)?！?〕相關(guān)輔助數(shù)據(jù)確實(shí)定與查找：大氣上行輻射以及下行輻射，采用數(shù)據(jù)當(dāng)天的大氣透過率信息等?！?〕采用大氣校正法利用LandsatTMBand6進(jìn)行地表溫度反演；首先獲取地表比輻射率值；其次，計(jì)算黑體在熱紅外波段的輻射亮度；最后，利用普朗克公式的反函數(shù)反演出整個(gè)研究區(qū)域的地表溫度分布情況。3.4、技術(shù)流程圖四、具體步驟4.1、翻開數(shù)據(jù)選擇后綴為MTL的文件導(dǎo)入后截圖：加載后數(shù)據(jù)截圖4.2、數(shù)據(jù)輻射定標(biāo)：處理后結(jié)果：4.3、裁剪數(shù)據(jù)：定標(biāo)后的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行影像裁剪處理，選擇需要分析的區(qū)域。在谷歌地圖上確定研究范圍的經(jīng)緯度信息，在其他軟件上將平面的經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)至相同投影面上的數(shù)據(jù)，作為裁剪的標(biāo)準(zhǔn)。準(zhǔn)備好shipfile格式數(shù)據(jù)：選擇輻射定標(biāo)好的影像Shipfile格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ROI格式：裁剪：裁剪完畢后比照：對(duì)于紅外波段數(shù)據(jù)的裁剪方法與上述方法相同。4.4、可見光和近紅外波段大氣校正采用大氣校正來消除遙感圖像中由大氣散射引起的輻射誤差的處理過程。4.5、地表比輻射率值計(jì)算NDVI指數(shù)計(jì)算：利用TM3、4波段的象元DN值利用公式：NDVI=〔NIR-R〕/〔NIR+R〕處理后結(jié)果：由上統(tǒng)計(jì)可以看出，NDVI計(jì)算結(jié)果最小值為-2.2，最大值為1.4.〔2〕植被覆蓋度計(jì)算植被覆蓋度采用的是混合像元分解法，將整幅影像的地類大致分為水體、植被和建筑。利用BandMath計(jì)，根據(jù)上步操作中計(jì)算出來的NDVI指數(shù)輸入公式：(b1lt0.0)*0+(b1ge0andb1le1.4)*((b1-0.0)/(1.4-0.0))。b1：表示獲取的NDVI值。計(jì)算結(jié)果如下列圖所示：處理結(jié)果如下：〔2〕地表比輻射率：根據(jù)前人研究，將遙感影像分為水體、城鎮(zhèn)和自然外表3種類型。本次實(shí)習(xí)采用：水體像元的比輻射率賦值為0.995，自然外表和城鎮(zhèn)像元的比輻射呂估算那么根據(jù)下公式中計(jì)算利用BandMath計(jì)算輸入公式：(b1le0)*0.995+(b1gt0andb1lt0.7)*(0.9589+0.086*b2-0.0671*b2^2)+(b1ge0.7)*(0.9625+0.0614*b2-0.0461*b2^2)。b1：表示獲取的NDVI值，b2：植被覆蓋度值。處理后結(jié)果：4.6、大氣參數(shù)獲取衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值由三局部：大氣向上輻射亮度，以及地面的真實(shí)輻射亮度經(jīng)過大氣層之后到達(dá)衛(wèi)星傳感器的能量。地面的真實(shí)輻射亮度為同溫度黑體的輻射亮度值與地物發(fā)射率的乘積。NASA官網(wǎng)〔://〕中獲取大氣參數(shù)獲取，在上網(wǎng)址中輸入成像時(shí)間以及中心經(jīng)緯度，查找下式中需要的參數(shù)。根據(jù)上圖看出，大氣在熱紅外波段的透過率為0.68，大氣向上輻射亮度為2.55W/(m2·sr·μm)，大氣向下輻射亮度為3.97W/(m2·sr·μm)利用BandMath計(jì)算輸入公式：(b2-2.55-0.68*(1-b1)*3.97)/(0.68*b1)。b1：地表比輻射率值，b2：熱紅外波段輻射定標(biāo)志。獲取的黑體在熱紅外波段的輻射亮度結(jié)果如下：在獲取熱紅外波段輻射亮度值以后根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)，求得地表真實(shí)溫度T。對(duì)于TM，K1=607.76W/(m2·sr·μm)，K2=1260.56K。利用ENVI中的BandMath，在公式欄中輸入：(1260.56)/alog(607.76/b1+1)4.8反演結(jié)果分析利用ENVI軟件，采用單波段彩色變換的方法對(duì)地表真實(shí)溫度的灰度圖進(jìn)行密度分割得到地表真實(shí)溫度的分布情況。其中：綠色代表的溫度范圍是：35℃-40℃紅色代表的溫度范圍是：30℃-35℃黃色代表的溫度范圍是：25℃-30℃藍(lán)色代表的溫度范圍是：25℃以下結(jié)果輸出將ENVI軟件中最后的密度分割保存，輸出結(jié)果ArcView格式，再將其導(dǎo)入軟件ArcGis，進(jìn)行布局，添加圖名、圖例，將最終結(jié)果輸出，如下列圖：總結(jié)通過對(duì)Landsat4-5TM黃河三角洲遙感影像的處理，得出黃河三角洲地區(qū)的溫度分布情況，總體可以看出水體占其中的大局部面積，紅色區(qū)域?yàn)槭袇^(qū)，溫度普遍高于其它地方，其中包含一些高溫點(diǎn)，圖上顯示為綠色，易于明顯區(qū)分；黃色區(qū)域?yàn)樯?、裸地。通過最終的溫度反演結(jié)果我們可以直觀地看出黃河三角洲區(qū)域的溫度分布情況，可以根據(jù)圖像顯示，獲得我們所需要的信息。通過完本錢次作業(yè)的完成，收獲很多：在中國知網(wǎng)中下載地表溫度反演的論文，使作品有所理論依據(jù)，擴(kuò)充知識(shí)面。本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在地理空間數(shù)據(jù)云中獲取，篩選大量數(shù)據(jù)，明白了精良數(shù)據(jù)的意義，精準(zhǔn)數(shù)據(jù)是最終成果的保證。完成實(shí)驗(yàn)過程中，遇到多方面