發(fā)布時(shí)間：2018-12-23 19:50

【摘要】：地表溫度和近地表氣溫是地球系統(tǒng)、大氣系統(tǒng)以及地球與大氣相互作用的物理過程的重要參量,廣泛地應(yīng)用于水文、氣象、全球碳平衡和全球變化等研究中。較高時(shí)空分辨率的溫度信息是旱災(zāi)預(yù)報(bào)、作物水壓估算、植物生理監(jiān)測(cè)、農(nóng)作物估產(chǎn)、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)等遙感應(yīng)用的關(guān)鍵。國際地圈生物圈計(jì)劃將地表溫度列為優(yōu)先測(cè)定的參數(shù)之一。熱紅外遙感是獲取區(qū)域、全球尺度上地表和大氣熱狀態(tài)信息的一種重要手段。近幾十年,熱紅外遙感得到長足的發(fā)展,目前在軌的熱紅外傳感器有十多個(gè),最高空間分辨率已優(yōu)于100米,最高時(shí)間分辨率可達(dá)到半小時(shí)以內(nèi)。隨著熱紅外遙感應(yīng)用的深入,對(duì)溫度信息的精度和空間分辨率提出了更高的要求。本文以60-120米分辨率的Landsat系列衛(wèi)星熱紅外數(shù)據(jù)和1000米分辨率的MODIS熱紅外數(shù)據(jù)等為數(shù)據(jù)源,重點(diǎn)研究單通道地表溫度反演、劈窗地表溫度反演和氣溫空間化等關(guān)鍵科學(xué)問題,主要的研究內(nèi)容和結(jié)論如下:1)單通道算法利用大氣參數(shù)來修正大氣對(duì)地表熱輻射傳輸?shù)挠绊?如何建立精確的大氣參數(shù)模型是單通道地表溫度反演算法的關(guān)鍵。本文提出了一個(gè)增強(qiáng)單通道地表溫度反演算法(SCen),并將算法應(yīng)用于Landsat系列衛(wèi)星(Landsat4到Landsat 8)地表溫度反演。增強(qiáng)單通道算法包含3個(gè)關(guān)鍵大氣參數(shù),在分析大氣剖面對(duì)大氣參數(shù)影響的基礎(chǔ)上,將影像緯度和獲取月份引入到大氣參數(shù)模型中,提高了大氣參數(shù)的計(jì)算精度,從而改善了單通道地表溫度反演算法的精度。利用模擬數(shù)據(jù)集、SURFRAD數(shù)據(jù)和野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)算法做精度驗(yàn)證,并與兩個(gè)應(yīng)用較廣的單通道算法(Qin等提出的單窗算法,SCQin,Jiménez-Mu?oz和Sobrino提出的通用單通道算法,SC JS)做比較�；谀M數(shù)據(jù)的驗(yàn)證結(jié)果表明,SCen、SC JS和SCQin的均方根誤差(RMSE)分別為1.36、1.86和2.21K�；赟URFRAD數(shù)據(jù)的驗(yàn)證結(jié)果表明,SCen和SC JS算法的精度分別為1.04K和1.49K;另外,基于野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證結(jié)果表明,SCen和SC JS算法的精度分別為1.02K和1.47K。2)大氣水蒸汽含量是單通道地表溫度反演算法中的一個(gè)關(guān)鍵輸入?yún)?shù),對(duì)于Landsat 5等只有一個(gè)熱紅外通道的衛(wèi)星數(shù)據(jù),無法從Landsat數(shù)據(jù)本身來獲取大氣水蒸汽含量。針對(duì)Landsat 8新型衛(wèi)星傳感器的特點(diǎn),提出了基于NDVI的劈窗協(xié)方差-方差比法從Landsat 8熱紅外數(shù)據(jù)反演大氣水汽含量,比傳統(tǒng)的劈窗協(xié)方差-方差比法精度提高0.18 g·cm-2。3)簡化普朗克函數(shù)是劈窗地表溫度反演算法中一個(gè)非常重要的步驟,通常我們通過建立普朗克輻射亮度和溫度之間的關(guān)系,用于輻射傳輸方程組的求解。本論文中,通過直接建立兩個(gè)熱紅外通道輻射亮度之間的關(guān)系,代替簡化普朗克函數(shù),用于輻射傳輸方程組的求解;同時(shí)引入一個(gè)大氣參數(shù)(大氣下行輻射和大氣上行輻射的比值)來提高簡化輻射傳輸方程的精度,推導(dǎo)出基于輻射亮度的劈窗算法(RBSWA),并將算法應(yīng)用于MODIS數(shù)據(jù)地表溫度反演�；谀M數(shù)據(jù)的驗(yàn)證結(jié)果表明,在整個(gè)大氣水汽含量范圍內(nèi)(0~8g cm-2),RBSWA算法的整體精度為0.5K,相比兩個(gè)經(jīng)典的劈窗算法(Qin等提出的劈窗算法,SWAQ,Sobrino等提出的劈窗算法,SWA S),精度提高約0.5 K。當(dāng)MODIS 31波段的星上輻射亮度誤差為0.02 Wm-2sr-1μm-1、31波段的比輻射率誤差為0.006、大氣水汽含量誤差為0.6 g cm-2、視向天頂角誤差為6°、RBSWA模型誤差為0.5K時(shí),綜合地表溫度反演誤差小于1.05K。利用MODIS地表溫度產(chǎn)品(MOD11_L2)做交叉驗(yàn)證,基于108景MODIS數(shù)據(jù)的驗(yàn)證結(jié)果表明,RBSWA算法反演的地表溫度和MODIS地表溫度產(chǎn)品之間的平均RMSE為1.33K。4)近地表氣溫在空間上具有較好的自相關(guān)性,同時(shí)與地表溫度、植被指數(shù)等遙感變量和高程等地理信息變量有著較強(qiáng)的相關(guān)性。地理加權(quán)回歸模型同時(shí)利用了氣溫自相關(guān)性以及氣溫與遙感和地理信息系統(tǒng)變量的相關(guān)性。本文將地理加權(quán)回歸模型引入到氣溫制圖中,并開展地理加權(quán)回歸模型與標(biāo)準(zhǔn)多元線性回歸模型、克里格法等方法的比較研究。與標(biāo)準(zhǔn)多元線性回歸模型相比,地理加權(quán)回歸模型在全國尺度上的氣溫制圖總體精度有很大的改善,提高約4℃。對(duì)于氣溫比較低的月份,克里格法的精度優(yōu)于地理加權(quán)回歸模型的精度;對(duì)于氣溫偏高的月份,地理加權(quán)回歸模型優(yōu)于克里格法。在高氣溫月份,如北半球的6、7、8、9月,地理加權(quán)回歸模型月最低氣溫、月平均氣溫和月最高氣溫制圖精度優(yōu)于克里格法分別約0.3℃、0.4℃和0.5℃�？偟膩碚f,地理加權(quán)回歸模型的整體精度比克里格法略有改進(jìn),但是在高氣溫月份則改進(jìn)明顯。為了獲得更高的氣溫制圖精度,需要根據(jù)不同的氣溫條件選擇最優(yōu)氣溫空間化模型。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：P407

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本文編號(hào)：2390178