范聞捷_2004_利用amtis數據反演植被和土壤溫度

1、 收稿日期 : 2002210216 ;修訂日期 : 2003202211基金項目 : 國家自然科學基金(批準編號 :40171073) 、 國家高技術發(fā)展計劃(批準編號 :2001AA135110) 、 科技部國家重點基礎發(fā)展規(guī)劃項目(批準編號 : G 2000077900) 、 教育部博士點基金資助。作者簡介 : 范聞捷(1972 — ) ,女 ,講師 ,2000 年 7 月獲得北京大學城市與環(huán)境學系自然地理專業(yè)博士學位 ,2

2、002 年 7 月北京大學遙感與地理信息系統研究所博士后出站 ,現為北京大學遙感與地理信息系統研究所講師 ,主要研究方向為 :定量遙感、 熱紅外遙感 ,已發(fā)表多篇學術論文。文章編號 : 100724619 (2004) 0420295205利用 AMTIS 數據反演植被和土壤溫度范聞捷1 ,徐希孺1 ,2 ,王奮勤1 ,劉 強3(1 北京大學遙感與地理信息系統研究所 ,北京 100871 ;2 北京師范大學遙感與地理信息系統研究

3、中心 ,北京 100875 ;3 中國科學院遙感應用研究所 遙感信息科學開放研究實驗室 ,北京 100101)摘 要 : 遙感陸面溫度(LST) 是目前遙感界面臨的重要課題 ,組分溫度反演則為 LST反演的主攻目標。如果混合像元組分間的溫度及發(fā)射率存在明顯差別 ,就可以從多角度熱輻射亮度變化中分離出組分溫度的信息。在熱輻射矩陣模型的基礎上 ,討論了確定可反演參數和反演組分溫度的方法 ,并以 AMTIS 多角度熱紅外圖像為

4、數據源 ,在進行幾何和大氣糾正后 ,嘗試利用矩陣反演方法分解混合像元中的植被和土壤溫度。誤差分析表明土壤溫度反演結果較好 ,但植被溫度的反演精度不高。關鍵詞 : AMTIS;熱紅外 ;多角度 ;組分溫度反演中圖分類號 : TP701 文獻標識碼 : A1 引 言遙感陸面溫度 (LST) 是目前遙感界面臨的一個重要課題 ,它對深入了解地球表層系統各尺度水、熱、 碳循環(huán)過程 ,推進旱情預報、 作物估產、 中長期天

5、氣預報等研究課題都有重要意義。陸地表面上混合像元普遍存在 ,精確反演陸面溫度十分困難。像元平均溫度及平均比輻射率的概念本身用于陸地表面存在不確定性[1] ,因此反演像元的組分溫度一直是熱紅外研究的重要課題。只要組分間的溫度及發(fā)射率存在明顯差別 ,就可以從多角度熱輻射亮度變化中分離出組分溫度的信息[2 ,3] 。根據熱輻射的矩陣表達 ,多角度輻射亮度與組分溫度的黑體輻射亮度之間的關系可以用矩陣形式來表達[4] :L (θ k) K

6、5; 1 = W K × JL b ( T) J × 1 (1)其中 L (θ k) K× 1為傳感器測得的多角度熱輻射亮度值所構成的矢量 ,角標 k 代表傳感器不同視角的編號 ,其取值范圍為 〔 1 , K〕 ; L b ( T) J × 1為組分溫度的黑體輻射亮度構成的矢量 , j 代表組分編號 ,其取值范圍為 〔 1 , J〕 。矩陣 W K× J為有效比輻射率矩陣 ,是可視組分在

7、視場中的面積比例矢量和組分發(fā)射率矩陣的乘積。每一觀測角度的矩陣 W1 × J = A TI × 1· ε I × J ,其中 A TI × 1 = [ a1 , a2 , ?ai ?aI ] , ai 為某一觀測角度時傳感器視場內某組分的面積比例 , i 代表傳感器視場組分編碼 ,它的取值區(qū)間為 〔 1 , I〕 。A TI × 1完全由像元內部結構和視角與目標之間的幾何關系決

8、定 ,ε I × J為在考慮了熱輻射的多次散射情況下建立的比輻射率矩陣 ,在已知像元內部結構和物理性質的條件下 ,ε I × J可以通過蒙特卡羅方法模擬獲得[4 ,5] 。矩陣 W K × J的性質決定于以下兩個方面 : (1) 體系內各組分的物理性質和幾何結構; (2) 傳感器視角(包括視角的天頂角θ和方位角 Ψ) 與目標之間復雜的幾何關系。對行播作物而言 ,描述組分的物理性質的因素包括 :土壤的發(fā)射率

9、(ε s) 、 植被的發(fā)射率分別 (ε v) 、 葉面積指數 ( LAI) 、 葉傾角 ( LAD) 等。描述幾何結構的因素包括 :作物的壟寬 ( W) 、 壟高 ( H)和壟間距 ( D) ,以及傳感器掃描平面與行向間的夾角(即相對方位角 Ψ) 等。顯然這些參數的取值不同 ,矩陣 W K× J 的性質會有顯著變化。這些參數都可以通過多年地面觀測獲得 ,本文將其作為先驗知識 ,取固定值 ,矩陣 W K × J也就可以

10、計算出來。只要W K× J的逆矩陣存在 ,則便可利用多角度熱輻射亮度第 8 卷 第 4 期 遙 感 學 報 Vol. 8 , No. 42004 年 7 月 JOURNAL OF REMOTE SENSING July , 20043 肖青等 ,利用紅外高光譜輻射計數據反演比輻射率 ,2002 ,待發(fā)表。土壤和植被比輻射率、 輻射亮度溫度 ,農田小氣候(包括天空輻射、 太陽輻射強度、 地表凈輻射、 氣溫、水汽壓、

11、風向、 風速、 能見度) 和農田基本參數 (包括冠層結構、 葉面積指數、 冠層孔隙率、 土壤含水量和粗糙程度等項目) 進行了同步觀測。313 AMTIS 多角度熱紅外數據的校正AMTIS 數據用于遙感反演前需要進行一系列的校正和處理 ,其中幾何校正和大氣糾正是最基本的預處理工作。機載 AMTIS 多角度數據量大 ,分辨率高 ,幾何校正工作量大。本文采用文獻[12 ]中介紹的幾何校正方法 ,基本能滿足地表模型的需要。傳感器所接收到的熱

12、紅外輻射包括 3 部分 :地表熱紅外輻射經大氣傳輸衰減到達傳感器部分、 半球空間的大氣下行輻射經過地表反射后再通過衰減到達傳感器的部分和地表與傳感器之間的大氣上行輻射項。根據飛行試驗中同步的大氣無線探空觀測數據 ,我們利用大氣輻射傳輸模式 MODTRAN 程序來計算大氣透過濾和大氣上行和下行輻射。由于飛行時天氣條件很好 ,本試驗在假定大氣水平均一 ,大氣參量只與觀測天頂角有關而與方位角無關的條件下 ,得到校正后的地表亮度溫度。4 用

13、 AMTIS 熱紅外多角度數據反演組分溫度根據順義飛行試驗場地的實際條件 ,選擇有代表性的行播冬小麥為例 ,反演組分溫度。首先在考慮土壤光照面與陰影面之間存在溫度差異以及與作物的孔隙率和組分間的多次散射等條件下 ,建立行播冬小麥矩陣模型。411 冬小麥矩陣模型的構建陸面組分溫度反演采用為 2001 年 4 月 11 日上午 10 :45 — 11 :00 間飛行于順義實驗區(qū)趙全營鄉(xiāng)三號地采集的熱紅外圖像 ,同時在地面利用面源式點溫計

14、和 AG A80 型輻射計測量冬小麥冠層和土壤的組分溫度。并利用 Bomen 傅里葉紅外高光譜輻射計獲得了觀測樣地土壤和冬小麥葉面連續(xù)光譜帶的輻射值與天頂角的大氣下行輻射值 , 反演得到在1016 — 1410 μ m 波段間的平均組分比輻射率值 ,ε v =0198 , ε s = 0197 3 。飛行實驗場其他農田結構參數為W = 5cm , H = 1317cm , D = 10cm ,LAI = 115 ,LAD 為喜直型(結構

15、圖示見圖 1) 。計算飛行時的瞬時太陽高度角(θ i) 和方位角 (Ψi) 以及傳感器的觀測高度角(θ ) 和方位角 (Ψ) ,根據實測參數利用蒙特卡羅方法模擬計算土壤光照面和陰影面以及植被的面積比例和發(fā)射率矩陣 ,進而獲得有效發(fā)射率矩陣 W K× J 。圖 1 行播作物熱輻射矩陣模型剖面圖Fig. 1 The vertical sectional drawing of rowwinter wheat field412

16、 組分溫度反演取 AMTIS 的 9 個觀測角度建立有效比輻射率矩陣 W K× J ,如果要求反演值的相對精度為 1 % ,而已知模型相對誤差與測量相對誤差分別為 011 % ,則因條件數 = 13178 ,所以可反演的獨立成份數為 2 ,如果要求反演值的相對精度降到 2 % ,因條件數 =22173 ,則 可 反 演 的 獨 立 成 份 數 為 3。因 此 利 用AMTIS提供的多角度熱紅外信息可以反演 2 — 3 個參

17、數 ,根據 W K× J組分權重分布特征可知 ,可反演的參數依次為土壤光照面溫度( TSL) 、 土壤陰影面溫度( TSS) 和植被溫度( TV) 。反演組分溫度之前 ,我們首先對 AMTIS 熱紅外圖像進行分類 ,并選擇行播冬小麥像元為反演目標。實際飛行中由于飛機的偏向和俯仰 ,AMTIS 成像的9 個角度并不能準確地等于其設計角度 ,且每一景圖像的中心和邊緣的觀測角度也有差別 ,因此每個像元的視角天頂角和方位角都不同 ,需