基于熱紅外遙感的近地層氣溫反演研究

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1、‘●_?。-一Estimationolnear-surfaceairtemoeraturebythermalremotesensingDissertationSubmittedtoNanjingUniversityInPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofScienceByXUYongmingSUPERVISOR：Prof．QINZhihaoSchoolofGeogpraphicandOceanographicSciencesNanjingUniversity

2、Nanjing，Jiangsu，ChinaMay2010本研究得到以下課題資助973項(xiàng)目《氣候變化對(duì)我國糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的影響機(jī)理及適應(yīng)機(jī)制研究》(NO：2010CB951500)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《我國農(nóng)業(yè)旱災(zāi)機(jī)理與監(jiān)測方法研究》(NO：30571078)J㈣壹童叁壘墼墼絲墜絲塑』竺查匡童遜一壹遺塹超量盛專業(yè)2QQ2級(jí)博士生姓名：盆壅明指導(dǎo)教師(姓名、職稱)：里!量塞鏊撞摘要近地層氣溫是地表與大氣之間水分和能量交換的關(guān)鍵影響因素，是地球系統(tǒng)模型研究中的重要變量。掌握近地層地氣溫的詳細(xì)時(shí)空分布對(duì)于有效的理解生態(tài)、水文、氣候、農(nóng)業(yè)以及陸地

3、生物活動(dòng)具有重要意義。與常規(guī)的氣象站點(diǎn)觀測相比，遙感提供了一種有效獲取大范圍氣溫時(shí)空信息的新途徑。與地表溫度反演研究相比，目前近地層氣溫遙感反演研究開展得相對(duì)較少?，F(xiàn)有的TVX方法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和能量平衡方法等氣溫反演方法主要是通過地表溫度來推算近地層氣溫，缺乏輻射傳輸過程方面的機(jī)理研究。本文以探索近地層氣溫遙感定量反演的有效方法為主要研究目標(biāo)，選擇了地貌類型豐富的長江三角洲地區(qū)為研究區(qū)，利用2005年全年的EOS／AQUAMODIS數(shù)據(jù)和同期氣象觀測數(shù)據(jù)開展了氣溫反演研究。論文從熱紅外波段輻射傳輸方程出發(fā)推導(dǎo)近地層氣溫

4、的反演模型，與現(xiàn)有的TVX方法及經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法的氣溫反演精度進(jìn)行比較分析，并在此基礎(chǔ)上利用遙感反演結(jié)果對(duì)研究區(qū)氣溫的時(shí)空變化特征及其與太陽輻射的關(guān)系進(jìn)行分析討論。本文首先采用現(xiàn)有的TVX方法和經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法反演了研究區(qū)的近地層氣溫，利用氣象觀測資料對(duì)這兩種方法的反演精度進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。然后基于MODIS熱紅外波段的輻射傳輸方程推導(dǎo)氣溫的理論反演模型，通過引入大氣有效平均作用溫度來表征大氣上行和下行熱輻射、對(duì)熱輻射亮度的Planck方程進(jìn)行Taylor多項(xiàng)式展開、兩個(gè)波段聯(lián)立等一系列變換，建立具有物理意義的近地層氣溫理論劈窗算法，并基于推導(dǎo)

5、出的劈窗算法形式通過回歸統(tǒng)計(jì)手段建立了半經(jīng)驗(yàn)的劈窗算法。對(duì)幾種氣溫反演方法進(jìn)行對(duì)比后，選用精度最高的分段半經(jīng)驗(yàn)劈窗算法反演了長江三角洲地區(qū)2005年全年的近地層氣溫。考慮到研究區(qū)云量較多導(dǎo)致了反演結(jié)果中的大量缺失值，通過多時(shí)相合成和HANTS方法進(jìn)行了氣溫序列的去云重建處理。最后基于重建的氣溫?cái)?shù)據(jù)和HANTS變換的諧波組分對(duì)長江三角洲地區(qū)氣溫的時(shí)間變化特征和空間分布差異進(jìn)行了研究，運(yùn)用時(shí)滯互相關(guān)I方法定量分析了氣溫年周期變化變化對(duì)于太陽輻射變化的響應(yīng)關(guān)系與滯后效應(yīng)。本論文得到的結(jié)論如下：1)在本研究中常規(guī)TVX方法的氣溫反演精度與前人

6、的研究結(jié)果相近，均方根誤差RMSE為3．04。C，但是只有72．23％的樣本能適用該方法。在對(duì)TVX方法的適用范圍進(jìn)行改進(jìn)之后，適用樣本比重提高到了80．15％，不過整體精度略有下降，RMSE為3．13"(7。按照窗口內(nèi)不同植被類型的面積比重對(duì)飽和NDVI值進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算，反演RMSE提高到了3．10。C，精度有改善，但是效果不夠顯著。2)本研究采用了5種不同形式、不同自變量組合的經(jīng)驗(yàn)回歸方程，其驗(yàn)證精度在3．29～3．56。C之問。針對(duì)城鎮(zhèn)、水體、林地和農(nóng)田這4種不同土地覆蓋類型分別建立的氣溫經(jīng)驗(yàn)方程精度有明顯提高，方程d和e的RMS

7、E達(dá)到了3．0l℃左右。氣溫經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叨确治霰砻鞣囱菥染S空間尺寸的增加而升高，5*5窗口是最合適氣溫經(jīng)驗(yàn)方程的空間尺寸。3)基于MODIS兩個(gè)熱紅外波段的輻射傳輸方程推導(dǎo)建立了近地層氣溫理論劈窗算法，利用長三角地區(qū)2005年觀測氣溫驗(yàn)證得到的RMSE為5．66℃，還達(dá)不到實(shí)用化要求。根據(jù)理論劈窗算法的形式建立的氣溫反演的半經(jīng)驗(yàn)劈窗算法精度令人滿意，RMSE達(dá)到2．92℃。針對(duì)不同水汽含量區(qū)間建立的分段半經(jīng)驗(yàn)劈窗算法精度進(jìn)一步提高，RMSE達(dá)到了2．6l℃。與現(xiàn)有的TVX方法和經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法相比，分段半經(jīng)驗(yàn)劈窗算法精度更高，而且形式

8、簡單，計(jì)算量小，易于實(shí)現(xiàn)，是一種比較理想的氣溫反演方法。4)HANTS算法可以有效填補(bǔ)數(shù)據(jù)中的缺值部分，重建氣溫?zé)o云時(shí)間序列數(shù)據(jù)。HANTS變換不僅僅適用于NDVI、EVI等植被指數(shù)數(shù)據(jù)，也同樣適用于氣溫這樣的具有周期性