地表溫度熱紅外遙感反演理論及實(shí)踐研究

張琪曼

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，甘肅 蘭州 730021）

0 引言

地表溫度實(shí)則指的是地面溫度。在測定地表溫度時，太陽熱能常通過輻射照到地面上，其間既包含放射反應(yīng)，又涵蓋著吸熱反應(yīng)，故而在測定地表溫度時，為了增加數(shù)值的準(zhǔn)確性，還應(yīng)當(dāng)充分運(yùn)用實(shí)踐理論，依據(jù)大氣輻射校正等手段，進(jìn)一步降低測定難度。最終構(gòu)建完善的熱紅外遙感反演體系，用于深度挖掘遙感數(shù)據(jù)，為地表溫度應(yīng)用效果的優(yōu)化給予保障。

1 熱紅外遙感特征及其機(jī)理

1.1 特征

熱紅外遙感技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)則是運(yùn)用熱紅外探測器針對熱紅外輻射能量實(shí)施有效采集，繼而將其轉(zhuǎn)換為可視化影響。一般情況下，自然系統(tǒng)中只要溫度高于0℃（或-273℃），均會釋放電磁波，借此運(yùn)用熱力學(xué)理論獲取溫度測量數(shù)值[1]。而此項(xiàng)技術(shù)在其實(shí)踐應(yīng)用中，其特征可歸納為下述幾點(diǎn)：第一，熱紅外遙感在測量地表溫度時，并無時間限制。但凡不存在人造干擾光源，均可實(shí)施全天候遙感測量；第二，復(fù)雜性，熱紅外遙感技術(shù)同近紅外遙感技術(shù)等多項(xiàng)遙感技術(shù)比較更為復(fù)雜。究其根本，熱紅外遙感測定地表溫度會受環(huán)境因素及其輻射熱性質(zhì)影響，而且在實(shí)操中，關(guān)于此項(xiàng)技術(shù)形成的分辨率也是提升測量精準(zhǔn)度較為迫切需要解決的問題；第三，可用性，此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍廣泛，除了可應(yīng)用在地表溫度測量項(xiàng)目上，還可用于指示植物長勢、地球氣候變化以及水分蒸發(fā)量等多項(xiàng)地物信息測量中。對此，熱紅外遙感技術(shù)的應(yīng)用研究，是決定其實(shí)踐效果的重要途徑。

1.2 機(jī)理

地表溫度熱紅外遙感技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用，可借助此項(xiàng)技術(shù)獲取大氣窗口與熱紅外波段，繼而結(jié)合熱紅外遙感圖像，將太陽能傳遞中形成的地表溫度進(jìn)行預(yù)判，這樣一來，可判定地表溫度是否符合植物生長要求，是否具備氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等，由此進(jìn)一步保障地球安全。在應(yīng)用熱紅外遙感技術(shù)時，一般還會反饋出地球表面熱量分布規(guī)律，包括海表溫度以及地表溫度等，而后可結(jié)合知曉物體在其發(fā)送輻射能時，與輻射出射度（Fλ，T）、吸收率（Aλ，T）有著密切關(guān)聯(lián)。

2 地表溫度熱紅外遙感反演理論的內(nèi)容

在太陽能照射到地面上時，因大氣層針對熱紅外輻射具備散射以及吸收、發(fā)射功能，故而在測量地表溫度階段，需先行針對大氣輻射能予以校正，以便結(jié)合地表能量之間的關(guān)聯(lián)，判定地表溫度實(shí)際數(shù)值。然而，在采用熱紅外遙感反演理論建立研究模型時，所設(shè)定的函數(shù)方程始終都存在“n+1”個未知數(shù)，這就導(dǎo)致在測量地表溫度中，若一味按照傳統(tǒng)測量法，很難獲取真實(shí)數(shù)值。基于此，在解決地表溫度測量工作難題階段，需充分借助熱紅外遙感技術(shù)，提出反演理論，借此保證地表溫度能在熱紅外遙感反演理論輔助下，提升其測定結(jié)果的準(zhǔn)確度與真實(shí)性。

2.1 局部分裂窗理論

在構(gòu)建地表溫度熱紅外遙感反演理論體系時，其中較為主要的是局部分裂窗理論。本套理論體系中首次提出運(yùn)用假設(shè)法反推地表溫度。首先，需依靠比輻射率等參數(shù)的變化規(guī)律，聯(lián)合通道傳輸中大氣光譜吸收率的不同結(jié)果，杜絕在測定地表溫度時，大氣輻射效應(yīng)產(chǎn)生的不利干擾；其次，相關(guān)人員采用此種方法測定地表溫度階段，運(yùn)用大氣地表參數(shù)兩者相離關(guān)系進(jìn)行反演。在此理論背景下，無須借助大氣廓線即可實(shí)施反演。與以往依靠大氣廓線遙感反演地表溫度的理論內(nèi)容比較，此種遙感反演理論能夠從根本上降低誤差；最后，促使獲取的地表溫度與真實(shí)數(shù)值誤差范圍縮小為1℃。

2.2 日夜法理論

熱紅外遙感反演理論中，關(guān)于地表溫度的測定還可運(yùn)用日夜法理論。由于白晝存在一定溫度差異，致使太陽輻射能也不同，故而此時可利用比輻射率以及地表溫度參數(shù)，匯總白晝輻射能數(shù)據(jù)，既能實(shí)現(xiàn)雙參數(shù)的同步反演，又能杜絕太陽輻射能干擾，此種理論下測定地表溫度，可脫離地表比輻射率實(shí)施反演，遙感反演誤差值可下調(diào)為0.7℃，借此提高了地表溫度測量精準(zhǔn)度。

2.3 輻射能驗(yàn)證理論

熱紅外遙感反演理論的推行引起了深遠(yuǎn)影響。其中還涵蓋著輻射能驗(yàn)證理論。以往在測定地表溫度時，多以溫度參數(shù)測量依據(jù)，但傳統(tǒng)驗(yàn)證理論限制條件較多，既要選定夜間測定，又要確保測定對象為地表物體。據(jù)此，為了切實(shí)開展地表溫度精準(zhǔn)化測定工作，還提出了輻射能驗(yàn)證理論。按照此種理論能夠運(yùn)用大氣廓線數(shù)據(jù)，聯(lián)合衛(wèi)星數(shù)據(jù)的虛實(shí)數(shù)據(jù)，對測定結(jié)果的準(zhǔn)確度進(jìn)行驗(yàn)證[2]。結(jié)合實(shí)踐應(yīng)用成果，此種遙感反演理論的推廣，隨著廣泛運(yùn)用，其驗(yàn)證時間也開始實(shí)現(xiàn)全天候，而且針對非均勻介質(zhì)的地表溫度，也能夠給出可靠的測定數(shù)據(jù)?；诖?，依托熱紅外遙感技術(shù)測定地表溫度，無論選擇上述哪一種遙感反演理論，都能在傳統(tǒng)測定結(jié)果基礎(chǔ)上降低誤差，并且能夠獲得更加真實(shí)可靠的測定數(shù)據(jù)，便于通過地表溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)一步展現(xiàn)出地表溫度的導(dǎo)向指示價(jià)值。

3 地表溫度熱紅外遙感反演實(shí)踐路徑

3.1 明確熱紅外遙感反演算法

根據(jù)相關(guān)調(diào)查：熱紅外遙感技術(shù)應(yīng)用在地表溫度測定項(xiàng)目中，其空間分辨率已經(jīng)達(dá)到100 m，時間分辨率已然控制在30 min之內(nèi)。由此表明熱紅外遙感技術(shù)的深入運(yùn)用，能夠進(jìn)一步滿足地表溫度測定精度的具體要求。在實(shí)踐應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)明確遙感反演算法。此理論下形成的算法類型繁多。本文列舉三項(xiàng)遙感反演算法：

第一，單通道算法，此種算法的運(yùn)用，需先行建模，以大氣比輻射等參數(shù)為依托，促使建模后，能夠結(jié)合地表熱輻射能的傳輸方向，不斷校正熱輻射能數(shù)據(jù)，而后將此算法作用在衛(wèi)星傳感器上，繼而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化計(jì)算。在建立單通道算法模型時，Ts=r*，其中t=T-273.15，Ts、L6、e6、r、y1、y2、y3分別代表的是地表溫度（陸地）、衛(wèi)星傳感器幅度強(qiáng)度測定值、地表反射率以及各種變量。而后從此模型中分別預(yù)測大氣透射率、地表比輻射率。之后在多組參數(shù)的預(yù)測中，可推算出地表溫度。

第二，雙通道劈窗算法。此算法也是測定地表溫度的常用算法?；跓峒t外遙感反演理論，可反復(fù)校對比輻射率，繼而依據(jù)衛(wèi)星傳感器提供的相關(guān)海表溫度以及地表溫度，對比輻射率的誤差予以反演。其中雙通道劈窗算法的操作公式如下：

其中A、B、C均屬于相關(guān)系數(shù)。W（大氣水汽含量）的具體范圍需在1g/c㎡以內(nèi)。ε、Δε分別代表的是比輻射率平均值及其差值。T1、T2屬于衛(wèi)星亮溫。在代入具體數(shù)值后，能夠準(zhǔn)確地從中知曉高分辨率條件下，熱紅外遙感反演理論形成的地表溫度反演結(jié)果，最終運(yùn)用在實(shí)踐領(lǐng)域中。

第三，四通道劈窗算法，在此算法實(shí)踐中，它所依托的熱紅外通道數(shù)量為4個，經(jīng)過組合通道，可避免在研究地表溫度時，受大氣因素干擾，致使測定結(jié)果失真。與上述算法比較，顯然增加熱紅外通道數(shù)量后建立的算法模型，其精準(zhǔn)度更高，能夠切實(shí)提升遙感反演結(jié)果的可靠性[3]。

3.2 提取熱紅外遙感反演參數(shù)

3.2.1 地表比輻射率

地表溫度因其在多個領(lǐng)域中都具備顯著效用，故而它的精度直接影響著各領(lǐng)域的發(fā)展質(zhì)量。好比在預(yù)測自然災(zāi)害時，若地表溫度較高，將警示相關(guān)部門及時啟動防暑降溫預(yù)案。我國曾在2020年出現(xiàn)過高溫災(zāi)害天氣。其中室外溫度為40℃，但地表溫度高達(dá)60℃，由此表明，為了避免民眾遭受高溫侵害，還需采用先進(jìn)的測定方法，獲取可信度更高的地表溫度測定值，便于各領(lǐng)域能夠獲得明確的工作指向。在本次研究活動中，利用熱紅外遙感技術(shù)反演方法測定地表溫度，還需要科學(xué)提取遙感反演參數(shù)，繼而增加遙感反演數(shù)據(jù)真實(shí)度。其中關(guān)于地表比輻射量的提取，相關(guān)人員需先行借助衛(wèi)星傳感器出具的影像信息，并從中篩選有用數(shù)據(jù)。此參數(shù)多源于光譜庫中記錄的信息，因其覆蓋范圍廣泛，能夠包含數(shù)千種光譜信息，故而在數(shù)據(jù)篩選中，能夠結(jié)合地表比輻射率參數(shù)計(jì)算平均值以及不同波段下的差值，而后才能實(shí)現(xiàn)地表溫度的遙感反演。在地表比輻射率參數(shù)計(jì)算中，多與植被、土壤有關(guān)。按照上述算法計(jì)算對應(yīng)的差值、平均值后，將直接掌握地表溫度。與往日頻繁計(jì)算大氣層輻射量等數(shù)值，此種理論背景下僅利用比輻射率平均值、差值兩個參數(shù)即可。

3.2.2 衛(wèi)星亮度

在應(yīng)用熱紅外遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)地表溫度的反演研究時，還需要獲取衛(wèi)星亮度參數(shù)。通常在計(jì)算衛(wèi)星亮度時，常按照下述公式予以計(jì)算，即，其中L、D、C、K具體指代的是衛(wèi)星幅亮度、灰度值以及相關(guān)系數(shù)等。在獲取對應(yīng)的L值后，還可將其代入下列指定函數(shù)中，繼而成功獲取衛(wèi)星亮溫，繼而反推出地表溫度，即，在此公式里，屬于波長，C1與C2均為輻射能相關(guān)系數(shù)。最終代入數(shù)值求取衛(wèi)星亮度溫度后，匯總數(shù)據(jù)反演地表溫度。

3.2.3 大氣水汽含量

在遙感反演研究中，還可以利用大氣水汽含量參數(shù)，合理增加地表溫度測定結(jié)果精度。由于衛(wèi)星傳感器能夠真實(shí)地測定大氣水汽含量、海洋表面溫度等多個領(lǐng)域的參數(shù)范圍，故而還可以大氣水汽數(shù)據(jù)作為遙感反演依據(jù)，借此代入對應(yīng)的數(shù)值后，能夠借助幾何空間信息，獲取地表溫度。與往日研究流程相比，更加簡便且精度更高。

3.3 反復(fù)校對反演算法數(shù)據(jù)

由于在不同領(lǐng)域中對于地表溫度的應(yīng)用，往往有著不同的精度要求，這就需要在采用熱紅外遙感反演理論推算地表溫度時，反復(fù)校對遙感反演理論下形成的各種數(shù)據(jù)。一般情況下，用于農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測中的地表溫度精準(zhǔn)度指標(biāo)，溫度精度常在0.3K左右，要求空間分辨率0.1 km、時間分辨率60 min。而在數(shù)值預(yù)報(bào)領(lǐng)域中，需要達(dá)到5 km空間分辨率、30 min時間分辨率的標(biāo)準(zhǔn)，其地表溫度測量精準(zhǔn)度需在0.5K以內(nèi)。如若測定的地表溫度無法滿足各個領(lǐng)域?qū)嶋H需求，則顯然不能發(fā)揮出地表溫度指向性。

基于熱紅外遙感反演理論測定地表溫度時，所采用的校對方法多以溫度、比輻射率為校對依據(jù)。前者是直接針對衛(wèi)星傳感器獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)施反演。其中需聯(lián)合熱量值，針對地表測定儀布設(shè)的測定點(diǎn)，對其測量溫度數(shù)值求取平均值，而后可同此理論下形成的地表溫度反演結(jié)果進(jìn)行比對，借此知曉地表溫度反演算法是否值得推廣[4]。后者則以輻射能的變化趨勢，判定經(jīng)過大氣層反射后，太陽能真正作用在地表上的輻射能具體變化范圍，之后再利用衛(wèi)星傳感器分析遙感反演理論下地表溫度結(jié)果的真實(shí)性。本次研究活動具體以溫度作為校對憑證，借此確保經(jīng)過校對后，能夠增加遙感反演結(jié)果可信度。同時，還可運(yùn)用繪圖法比對測定數(shù)值，增加校對數(shù)據(jù)直觀性。

4 結(jié)語

綜上所述，在應(yīng)用熱紅外遙感反演理論測定地表溫度時，隨著熱紅外遙感技術(shù)的改進(jìn)，地表溫度測定工作也將迎來新的突破。本次研究中，為了改善熱紅外遙感反演方法實(shí)際操作中存在的問題，未來還應(yīng)當(dāng)積極聯(lián)合微波遙感技術(shù)，借此為地表溫度精準(zhǔn)化測定提供重要依據(jù)，為今后科研事業(yè)指明方向。