地表温度测量反演

地表温度

在自然界中，一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。

红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内疗的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。除此之外，还应考虑目标和测温仪所在的环境条件，如温度、气氛、污染和干扰等因素对性能指标的影响及修正方法。

测温仪原理

福禄克F62 Max，福禄克F62 Max 是全球第一款3米抗跌落红外线测温仪，测温仪体积小巧，坚固耐用，广泛应用于设备维护、过程检测、电气巡查、研发设计、质量检验、食品加工、人体测温等领域。

操作流程：

• 拆掉F62Max下部螺丝，打开电池盒盖子，装入5号电池，并盖好电池盒盖。注意，电池正极朝下，负极朝上。
• 用食指按压测温仪开关，测温仪被打开，显示屏上出现温度数据，松开食指，测温仪显示测量的最大温度值。
• 测温仪设置：

打开F62Max后，通过循环按测温仪左侧的SEL键，找到要设置的参数，并按测温仪右侧的SET键进行设置确认。

(1) 按SEL键，显示屏上会依次出现Max（最大值）、Min（最小值）、Avg（平均值）、Diff（差值）、LIBE（屏幕背光）、LAS（激光瞄准）、Alarm HI（高温报警值）、Alarm LO（低温报警值）、EMS（发射率设置）、℃/℉（单位转换）。
(2) 显示屏上分别出现Max（最大值）、Min（最小值）、Avg（平均值）、Diff（差值）时，按SET键可设置最大、最小、平均和差值显示。
(3) 显示屏上出现LIBE时，按SET键可打开屏幕背光。
(4) 显示屏上出现LAS时，按SET键可打开激光瞄准功能。
(5) 显示屏分别出现Alarm HI、Alarm LO时，按SET键可打开高低温报警功能，并按向上、向下键进行报警上、下限参数设置。
(6) 按SEL键，当显示屏上出现EMS时，可通过向上、向下键来调整发射率数值。

为了测量水体以及草地的温度，然后来验证landsat8影像单通道算法反演地表温度的精度

(1) 在水库选择几个测量点，红色标出，到达水库寻找选定好的测测量点。一共13个测水的点，3个草坪的测量点。
(2) 选择GPS工具，进行地理坐标矫正。
(3) 待坐标稳定后，在测量点附近测6-8个值，并记录坐标、温度值及测量时间。

名称 纬度 经度 高度 测量对象 开始时间 实际温度
1 40.31241 116.616 49.5 水 10:20 24.76075
2 40.31169 116.6155 50.5 水 10:24 24.68161
3 40.31033 116.6142 50.9 水 10:31 22.85151
4 40.30986 116.6127 50.3 水 10:36 23.27689
5 40.30968 116.6112 49.4 水 10:43 23.37581
6 40.30911 116.6091 51.3 水 10:47 24.11774
7 40.3091 116.6082 48.5 水 10:50 24.44419
8 40.30931 116.6072 47.6 水 10:52 24.19688
9 40.30966 116.6063 48.2 水 10:55 24.66183
10 40.31013 116.6053 51 水 10:57 24.40462
11 40.31061 116.6039 48.5 水 11:01 24.10785
12 40.31135 116.6004 44.3 水 11:07 24.35516
13 40.31228 116.5977 48.1 水 11:12 24.83
14 40.37817 116.6477 97.6 草地 10:50
15 40.3783 116.6477 96.3 草地 10:53
16 40.37863 116.6479 93.1 草地 10:56

****地表温度反演****

（1） 登陆NASA网站下载水蒸气含量MOD05文件。网站https://ladsweb.nascom.nasa.gov/search/，选择search for data product，在satellite一栏选择Terra MODIS，在group下拉菜单中选择Terra Atmosphere Level 2 Product,在Product下拉菜单中选择MOD05_L2,在Temporal Type 中选择Date and Time Range ,然后输入包括影像获取时间的时间范围，在spatial Selection中的Coordinate System 中选择经纬度，影像获取的时间以及经纬度范围可以从影像的头文件中找到，在Collection Selection中选择6-MODIS Collection 6-L1,Atmos and Land，最后点击Search,获取下载页面，选择与影像获取时间最接近的MOD05_L2产品。

（2） 打开envi5.3，打开从空间数据云下载的landsat8北京市的遥感影像，打开波段4、波段5、波段10、波段11以及MODIS水蒸气产品，按照单通道算法流程，用bandmath一步一步进行计算。单通道算法流程如下：

计算Landsat 8第10波段和第11波段的星上辐射亮度和星上亮度温度，公式如下：

其中，Lsen 是星上辐射亮度，Tsen是星上亮度温度，ML 为波段的增益， AL为波段的偏置，DNband10为影像DN值，K1和K2为常数，ML，AL及K1和K2从Landsat 8头文件获得；本景影像的ML=3.3420E-04，AL=0.10000，K1=774.8853；K2=1321.0789。

利用NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）阈值法来获取比辐射率ε

其中，DNband5和DNband4分别表示Landsat8第5波段和第4波段影像的DN值；
当NDVI＜NDVIs（0.2）时，ε=εs（0.9668），其中NDVIs是纯裸土区域的NDVI，εs是土壤的比辐射率；

当NDVI＞NDVIv（0.5）时，ε=εv（0.9863），其中NDVIv是纯植被区域的NDVI，εv是植被的比辐射率；
当NDVIs≤NDVI≤NDVIv时，ε=εs(1－FVC)+εvFVC
其中，FVC是植被覆盖度：

NDVIs和NDVIv可以从图像上选取均质的裸土区域和植被区域来获取；εs和εv通过MODIS UCSB比辐射率库和Landsat 8 TIRS波谱响应函数计算得到。

计算地表温度：

其中Ts 是地表温度,ε是比辐射率, Lsen是Landsat8第10波段的星上辐射亮度, (γ, δ) 可以表达为：

其中Tsen是Landsat8第10波段的星上亮度温度，bγ等于1324K, ψ1, ψ2,和ψ3是大气函数，可以利用以下公式从大气水蒸汽含量（w）来近似得到：

用envi中的bandmath将公式计算出来，最后得到该天的地表温度，结果如图所示：

右击影像，选择Pixel Locator，然后输入经纬度就可以查看测量点的地表温度。

在Pixel Locator对话框中输入所测点3的经纬度为（116.6142E，40.31033N），点击Export，最后点击Apply，显示测量点3反演出的地表温度为297.251716K，转换为摄氏度为23.101716，与实测数据22.85151比较接近，其余点按照此方法进行比较，如图。经比较该算法反演出的地变温度精度较高。

地表温度反演精度验证

选择反演后的影像，选择Pixel Locator，然后输入经纬度就可以查看测量点的地表温度。在Pixel Locator对话框中输入所测点的经纬度，点击Export，最后点击Apply，显示测量点反演出的地表温度，转换为摄氏度，最后与实测数据进行比较
表为地表温度反演精度对比：

名称 纬度 经度 实际温度 反演温度 误差
1 40.31241 116.616 24.76075 23.855281 -0.905469
2 40.31169 116.6155 24.68161 23.971625 -0.709985
3 40.31033 116.6142 22.85151 23.101716 +0.250206
4 40.30986 116.6127 23.27689 24.351224 +1.074334
5 40.30968 116.6112 23.37581 22.441062 -0.934748
6 40.30911 116.6091 24.11774 23.105832 -1.011908
7 40.3091 116.6082 24.44419 22.967322 -1.476868
8 40.30931 116.6072 24.19688 23.107421 -1.089459
9 40.30966 116.6063 24.66183 23.471823 -1.190007
10 40.31013 116.6053 24.40462 25.604240 +1.19962
11 40.31061 116.6039 24.10785 23.392723 -0.715127
12 40.31135 116.6004 24.35516 25.469372 +1.114212
13 40.31228 116.5977 24.83 23.472893 -1.357107

经过对比研究分析，应用单通道算法进行地表温度的反演结果与实测数据相比较低，误差范围较小，因此该算法精度较高。至于在地表温度反演过程中，大气参数的估算误差以及地表比辐射率的估算误差等因素对这两种算法反演结果的影响有多大，仍有待今后今后的研究与探讨。