ENVI下利用ETM+數(shù)據(jù)反演地表溫度

ENVI下利用ETM+數(shù)據(jù)反演地表溫度地表溫度作為地球環(huán)境分析的重要指標(biāo)，而遙感技術(shù)作為現(xiàn)代重要的對地觀測手段，使得基于遙感圖像的地表溫度反演的研究越來越多。主要的地表溫度反演方法有：大氣校正法，單窗算法，單通道法等等。本文介紹用輻射傳輸方程法對地表溫度進(jìn)行反演。技術(shù)流程：例子數(shù)據(jù)為2002年9月2日的襄樊市LandsatETM+數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)的特點以及地表溫度反演研究的技術(shù)要求，采用的技術(shù)路線為：先對LandsatETM+數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理：數(shù)據(jù)讀取、輻射定標(biāo)、大氣校正、襄樊區(qū)域裁剪，利用大氣校正，即：輻射傳輸方程法對其影像熱紅外波段數(shù)據(jù)進(jìn)行操作反演，實現(xiàn)襄樊市地區(qū)的地表真實溫度的反演研究。具體的處理流程如下：具體的實現(xiàn)步驟如下：第一步：準(zhǔn)備數(shù)據(jù)熱紅外數(shù)據(jù)使用的是Landsat的第六波段，已經(jīng)做了傳感器定標(biāo)、幾何校正、工程區(qū)裁剪，詳細(xì)流程參考上面的流程圖。文件為TM6-rad-subset-jz-xiangfan.img。由TM影像（已經(jīng)過大氣校正）生成的NDVI數(shù)據(jù)，已經(jīng)利用主菜單->BasicTools->ResizeData（SFatial/SFectral）重采樣為60米分辨率，與TMi6數(shù)據(jù)保持一致，文件名為：TM-NDVI-60m.img。第二步：地表比輻射率計算物體的比輻射率是物體向外輻射電磁波的能力表征。它不僅依賴于地表物體的組成，而且與物體的表面狀態(tài)(表面粗糙度等)及物理性質(zhì)(介電常數(shù)、含水量等)有關(guān)，并隨著所測定的波長和觀測角度等因素有關(guān)。在大尺度上對比輻射率精確測量的難度很大，目前只是基于某些假設(shè)獲得比輻射率的相對值，本文主要根據(jù)可見光和近紅外光譜信息來估計比輻射率。(一)

植被覆蓋度計算計算植被覆蓋度Fv采用的是混合像元分解法，將整景影像的地類大致分為水體、植被和建筑，具體的計算公式如下：FV

=(NDVI-NDVIS)／(NDVIV

-NDVIS)

（2）其中，NDVI為歸一化差異植被指數(shù)，取NDVIV

=0.70和NDVIS

=0.00，且有，當(dāng)某個像元的NDVI大于0.70時，F(xiàn)V取值為1；當(dāng)NDVI小于0.00，F(xiàn)V取值為0。利用ENVI主菜單->BasicTools->BandMath，在公式輸入欄中輸入：（b1gt0.7）*1+（b1lt0.）*0+（b1ge0andb1le0.7）*（(b1-0.0)/(0.7-0.0)）b1:選擇NDVI圖像得到植被蓋度圖像。(二)

地表比輻射率計算根據(jù)前人的研究，將遙感影像分為水體、城鎮(zhèn)和自然表面3種類型。本專題采取以下方法計算研究區(qū)地表比輻射率：水體像元的比輻射率賦值為0.995，自然表面和城鎮(zhèn)像元的比輻射率估算則分別根據(jù)下式（3）（4）進(jìn)行計算：εsurface

=0.9625+0.0614FV

-0.0461FV2

（3）εbuilding

=0.9589+0.086FV

-0.0671FV2

（4）式中，εsurface和εbuilding分別代表自然表面像元和城鎮(zhèn)像元的比輻射率。利用ENVI主菜單->BasicTools->BandMath，在公式輸入欄中輸入：（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：NDVI值；b2：植被覆蓋度值。得到地表比輻射率數(shù)據(jù)。第三步：計算相同溫度下黑體的輻射亮度值輻射傳輸方程法，又稱大氣校正法，其基本思路為：首先利用與衛(wèi)星過空時間同步的大氣數(shù)據(jù)來估計大氣對地表熱輻射的影響。然后把這部分大氣影響從衛(wèi)星高度上傳感器所觀測到的熱輻射總量中減去。從而得到地表熱輻射強(qiáng)度．再把這一熱輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的地表溫度.衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ由三部分組成：大氣向上輻射亮度L↑，地面的真實輻射亮度經(jīng)過大氣層之后到達(dá)衛(wèi)星傳感器的能量；大氣向下輻射到達(dá)地面后反射的能量。衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值的表達(dá)式可寫為（輻射傳輸方程）：Lλ=[ε·B(TS)+(1-ε)L↓]·τ+L↑

（4）這里，ε為地表輻射率，TS為地表真實溫度，B(TS)為普朗克定律推到得到的黑體在TS的熱輻射亮度，τ為大氣在熱紅外波段的透過率。則溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度B(TS)為：

B(TS)=[Lλ-L↑-τ·(1-ε)L↓]/τ·ε

（5）

在NASA官網(wǎng)(/)中輸入成影時間以及中心經(jīng)緯度，則會提供上式中所需要的參數(shù)。本專題輸入的數(shù)據(jù)是襄樊市地區(qū)2002年9月2日北京時間10：30成像的Landsat7ETM+影像，影像中心的經(jīng)緯度為：32.51N,111.81E。得到下圖參數(shù)圖:

大氣在熱紅外波段的透過率τ為0.6，大氣向上輻射亮度L↑為3.39W/(m2·sr·μm)，大氣向下輻射亮輻射亮度L↓為5.12W/(m2·sr·μm)。圖4.

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2002年9月2日LandsatETM+數(shù)據(jù)的大氣輔助參數(shù)利用ENVI主菜單->BasicTools->BandMath，在公式輸入欄中輸入：（b2-3.39-0.6*（1-b1）*5.12）/（0.6*b1）b1：60m分辨率的地表比輻射率值；b2：表示熱紅外波段大氣校正后的輻射定標(biāo)值。得到了溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度值。第四步：反演地表溫度在獲取溫度為TS的黑體在熱紅外波段的輻射亮度后，根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)，求得地表真實溫度TS：

TS

=K2/ln(K1/B(TS)+1)

對于ETM+，K1=666.09W/(m2·sr·μm)，K2=1282.71K。利用ENVI主菜單->BasicTools->BandMath，在公式輸入欄中輸入：（1282.71）/alog（666.09/b1+1）-273b1：溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度值。得到真實的地表溫度值，單位是攝氏度。第五步：結(jié)果瀏覽與輸出

在DisFlay中顯示溫度值，是一個灰度的單波段圖像。(1)

選擇Tools->ColorMaFFing->DensitySlice，單擊ClearRange按鈕清除默認(rèn)區(qū)間。(2)

選擇OFions->AddNewRanges，增加以下四個區(qū)間：

39℃以上，紅色

35℃至39℃，黃色

30℃至35℃，綠色