极轨卫星遥感监测地表温度DB52／T 1373-2018.pdf

ICS 07.040 M 50 DB52 贵州省地方标准 DB52/T 13732018 极轨卫星遥感监测地表温度 The remote sensing monitoring of polar-orbiting satellite land surface temperature 2018-11-28发布 2019-05-28实施贵州省市场监督管理局 发布 DB52/T 13732018 I 目 次 前 言.II 1 范围.1 2 术语和定义.1 3 监测方法.3 附录 A（资料性附录）气象卫星/多光谱通道的扫描辐射仪(NOAA/AVHRR)地表温度监测通道相关参数表.8 附录 B（资料性附录）地球观测系统/中分辨率成像光谱仪（EOS/MODIS）地表温度监测通道相关参数表.9 附录 C（资料性附录）风云三号气象卫星/中分辨率成像光谱仪（FY3A/MERSI）地表温度监测通道相关参数表.10 DB52/T 13732018 II 前 言 本标准按照GB/T 1.1-2009标准化工作导则 第1部分：标准的结构和编写给出的规则起草。请注意：本标准的某些内容可能涉及专利内容，本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本标准由贵州省机械电子产品质量监督检验院提出。本标准由贵州省质量技术监督局归口。本标准起草单位：贵州省机械电子产品质量监督检验院、遵义市产品质量检验检测院。本标准主要起草人：王海、叶鑫、郜愿愿、潘积文、彭菲菲、王玉琴、禹忠、付悦、戚婉君、谭克刚、高元淑、郑殿民。DB52/T 13732018 1 极轨卫星遥感监测地表温度 1 范围 本标准规定地表温度遥感监测的术语和定义、监测方法等。本标准适用于贵州省气象卫星/多光谱通道的扫描辐射仪(NOAA/AVHRR)、地球观测系统/中分辨率成像光谱仪（EOS/MODIS）、风云三号气象卫星/中分辨率成像光谱仪（FY3A/MERSI）卫星星载光学仪器的地表温度遥感监测。2 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。2.1 极轨卫星 离地面约840公里的轨道上运行，运行轨道通过地球的南北极，与太阳同步的卫星。2.2 遥感监测 通过航空或卫星等收集环境的电磁波信息对远离的环境目标进行监测识别环境质量状况的技术。2.3 气象卫星（NOAA）是近极地、与太阳同步的卫星，高度为833 km870 km，轨道倾角98.7，成像周期12小时。2.4 多光谱通道的扫描辐射仪（AVHRR）一种多光谱通道的扫描辐射仪，两条轨道可以覆盖我国大部分国土，三条轨道可完全覆盖我国全部国土。2.5 地球观测系统（EOS）由多颗卫星组成和为实行多学科（大气、海洋、陆面、生物、化学等）综合研究而建立的全球卫星观测体系。DB52/T 13732018 2 2.6 中等分辨率成像分光仪（MODIS）一台使用可见光和红外线对地球（陆地、海洋和大气）进行一系列综合性观测的成像分光仪。2.7 FY-3A卫星 我国第二代极轨气象卫星“风云三号气象卫星”的第一颗卫星。2.8 中分辨率成像光谱仪（MERSI）探测来自大气系统的电磁辐射，通过成像，可以实现植被、地表覆盖分类以及积雪覆盖等陆表特性全球遥感监测。2.9 地表温度 land surface temperature 地球表面的温度,包括陆地表面和海洋表面，是地表各种地物的综合温度。2.10 单通道算法 single-channel algorithm 针对卫星传感器上单独一个热红外波段而提出来的单波段温度反演算法。该算法以辐射传导方程为基础，结合大气和比辐射率的修正，从而得出地表温度。2.11 分裂窗算法 split-window algorithm 两个不同的通道在同一个大气窗口上吸收的差异来消除大气的影响，由两通道的亮温线性运算而得。2.12 归一化植被指数 normalized difference vegetation Index 反映土地覆盖植被状况的一种遥感指标，定义为近红外通道与可见光通道反射率之差与之和的商。2.13 植被覆盖度 vegetation cover 单位面积内植被的垂直投影面积所占百分比。2.14 大气透过率 atmospheric transmissibility 遥感传感器接收到的热辐射能与地表真实辐射能的比值。DB52/T 13732018 3 2.15 地表比辐射率 surface emissivity 物体与黑体之间辐射能量对比的一种度量，其定义为物体辐射与同温度下黑体辐射的比值，与物体的温度、波长、水分含量，表面粗糙度，植被的结构以及观测角度等有关。3 监测方法 3.1 分裂窗算法和单通道算法 3.1.1 气象卫星/多光谱通道的扫描辐射仪(NOAA/AVHRR)、地球观测系统/中分辨率成像光谱（EOS/MODIS）卫星监测地表温度采用分裂窗算法。3.1.2 风云三号气象卫星/中分辨率成像光谱仪（FY3A/MERSI）卫星监测地表温度采用单通道算法。3.2 基本要求 提供卫星监测的数据源。3.3 分裂窗算法 3.3.1 分裂窗地表温度算法按（1）式计算。2 2 1 1 0 热红外 热红 外 T A-T A A TS.(1)式中：S T 地表温度；2 1 热红 外 热红外、T T 热红外通道的亮度温度（AVHRR的4、5通道数据源；MODIS的31、32通道数据源）；2 1 0 A A A、算法的参数变量（分别由AVHRR、MODIS提供的通道数据源计算确定）。3.3.2 AVHRR A0、A1、A2的参数确定 基础计算数据来源：1、2 为卫星可见光、近红外通道反射率，AVHRR的1、2通道。计算过程：1 21 2 NDVI.(2)式中：NDVI 归一化植被指数。09.02.02 NDVIP v.(3)式中：v P 像元的植被构成比例。地表比辐射率计算如下：DB52/T 13732018 4 0.5 NDVI 0.9890.5 NDVI 0.2 PNDVI-v，018.0 971.02.0 042.0 981.0 1.(4)5.0 05.0 2.0 1 006.02.0 029.0 003.0 1NDVINDVI PNDVIv，.(5)式中：地表比辐射率；通道4、通道5的地表比辐射率差。中间参数计算如下：2482.0 1 15616.0 1 P.(6)233.38 1 98.3 26.6 M.(7)A0、A1、A2的参数:1 274.1 4 0 P T A.(8)2 1 1 P M A.(9)2 2 P M A.(10)式中：4 T 通道4的温度。3.3.3 MODIS A0、A1、A2的参数确定 基础计算数据来源：940.0、865.0 为地表反射率，MODIS卫星第19和2波段。计算过程：2 0.865 0.940 ln-.(11)式中：大气水汽含量（gcm-2）；、常量，02.0、651.0。地表比辐射率的计算如下：d R P R P is s v iv v v i 1.(12)min maxin mvNDVI-NDVINDVI NDVIP.(13)DB52/T 13732018 5 1 5.0 1 003796.05.0 001898.05.0 0 003796.01 0 0v vvv vv vP PPP PP Pd，或，.(14)式中：i 波段i的地表比辐射率；计算得到的 iv i 时，则取 iv i，is i 时，则取 is i；对于水体像元，992324.0 99683.0 32 31、iw i；iv 植被在波段i的地表比辐射率，v 31=0.98672、v 32=0.98990；is 裸土在波段i的地表比辐射率，s 31=0.96767、s 32=0.97790；v P 像元的植被覆盖度；NDVI 归一化植被指数,通常贵州省 min NDVI=0.79，max NDVI=0.87；v R、s R 植被、裸土的辐射比率，v v P R 07033.0 92762.0，v s P R 08362.0 99782.0；d 热辐射校正。注：w i 是指若是水体像元时 iw i（常数代号）（992324.0 99683.0 32 31，），此时 i 不由公式计算，直接取常数 31 或 32。中间参数计算如下：i i i C.(15)i i i i D 1 1 1.(16)式中：i 卫星的热红外波段（MODIS的31、32通道值）；i 视角为 的大气透过率，见表1；i 波段i的地表比辐射率。A0、A1、A2的参数:32 32 31 31 32 32 32 31 31 32 31 31 32 31 31 32 0)/()1()/(1(a C D C D D C D a C D C D D C D A）.(17)32 32 31 31 32 32 32 31 32 31 31 32 31 31 32 1)/()1()/(1(a C D C D D C D a C D C D D C D A31）.(18)32 32 31 31 32 32 32 31 32 31 31 32 31 2)/()1()/(b C D C D D C D C D C D D A.(19)注1：31 a=-64.60363、31 b=0.440817、32 a=-68.72575、32 b=0.473453。注2：大气透过率估算方程与校正：大气透过率与大气水汽含量之间的关系，可以通过大气辐射传输模型模拟来确定，见表 1，根据式(16)得到大气水汽含量后，按照表1所示的关系方程即可得到大气透过率。大气透过率还受到遥感器视角和大气剖面温度的影响，还需要进行校正，见表2。DB52/T 13732018 6 表1 MODIS第 31和 32波段的大气透过率估计方程 大气水汽含量(g/cm2)大气透过率方程 SEE R2 F 0.42.0 10346.0 01636.1 31-13927.0 02144.1 32-0.00344 0.00373 0.99136 0.99439 1605.7 2480.1 2.04.0 15536.0 11795.1 31-.17980-0 09361.1 32 0.00156 0.00281 0.99983 0.99958 98912.9 40526.8 4.05.4.07404-0 77313.0 31.07354-0 65166.0 32 0.02005 0.02089 0.96637 0.96313 316.1 287.4 冬季0.41.4.09656-0 101089.1 31.08057-0 97022.0 32 0.00289 0.01249 0.99278 0.84074 1100.7 73.9 表2 大气透过率的温度校正函数 波段 大气透过率方程 温度区间(K)MODIS 31 08.0 31 T 278 00325.0 05.0 31 31 T T 05.0 31 T 318 31 T 318 278 31 T 278 31 T MODIS 32 095.0 32 T 278 004.0 065.0 32 32 T T 065.0 32 T 318 32 T 318 278 32 T 278 32 T 3.3 MERSI单通道算法 基础计算数据来源：865.0 940.0、地表反射率，MERSI卫星第18和第16波段；ensor s L 传感器接收到的热辐射亮度；sensor T 传感器反映的亮度温度。计算过程：大气水汽含量（gcm-2）的计算和MODIS相同，见公式(11)。3、2 1 大气水汽含量 的函数计算：99251.0 13380.0 00331.0 01652.02 31-.(20)23652.0 91671.1 33642.0 10768.02 32-.(21)08928.0 99000.0 39078.0 02 33-.05494-.(22)中间参数计算如下：111422 sensorsensorsensorLc TL c.(23)sensor sensor T L-.(24)DB52/T 13732018 7 式中：有效波长,=11.25 m；1 c、2 c 常数，1 2 4 81 10 19104.1 sr m m W c，mK c 42 10 43877.1；s T 地表温度计算：3 2 11sensor s L T.(25)DB52/T 13732018 8 A A 附 录 A（资料性附录）气象卫星/多光谱通道的扫描辐射仪(NOAA/AVHRR)地表温度监测通道相关参数表 表A.1 气象卫星/多光谱通道的扫描辐射仪(NOAA/AVHRR)地表温度监测通道相关参数表 通道 波长（m）波段 星下点分辨率（km）1 0.580.68 可见光 1.1 2 0.701.10 近红外 1.1 4 10.3011.30 远红外 1.1 5 11.5012.50 远红外 1.1 DB52/T 13732018 9 B B 附 录 B（资料性附录）地球观测系统/中分辨率成像光谱仪（EOS/MODIS）地表温度监测通道相关参数表 表B.1 地球观测系统/中分辨率成像光谱仪（EOS/MODIS）地表温度监测通道相关参数表 通道 波长（m）星下点分辨率（km）1 0.620.67 0.25 2 0.840.87 0.25 19 0.920.97 1 31 10.7811.28 1 32 11.7712.27 1 DB52/T 13732018 10 C C 附 录 C（资料性附录）风云三号气象卫星/中分辨率成像光谱仪（FY3A/MERSI）地表温度监测通道相关参数表 表C.1 风云三号气象卫星/中分辨率成像光谱仪（FY3A/MERSI）地表温度监测通道相关参数表 通道 波长（m）星下点分辨率（km）3 0.600.70 0.25 4 0.820.92 0.25 5 8.7513.75 0.25 16 0.850.89 1 18 0.920.96 1 _ DB52/T 1373-2018