地表温度热红外遥感反演理论及实践研究

2022-03-15张琪曼

科技视界 2022年3期

张琪曼

（兰州资源环境职业技术大学测绘与地理信息学院，甘肃兰州 730021）

0 引言

地表温度实则指的是地面温度。在测定地表温度时，太阳热能常通过辐射照到地面上，其间既包含放射反应，又涵盖着吸热反应，故而在测定地表温度时，为了增加数值的准确性，还应当充分运用实践理论，依据大气辐射校正等手段，进一步降低测定难度。最终构建完善的热红外遥感反演体系，用于深度挖掘遥感数据，为地表温度应用效果的优化给予保障。

1 热红外遥感特征及其机理

1.1 特征

热红外遥感技术的应用，实则是运用热红外探测器针对热红外辐射能量实施有效采集，继而将其转换为可视化影响。一般情况下，自然系统中只要温度高于0℃（或-273℃），均会释放电磁波，借此运用热力学理论获取温度测量数值[1]。而此项技术在其实践应用中，其特征可归纳为下述几点：第一，热红外遥感在测量地表温度时，并无时间限制。但凡不存在人造干扰光源，均可实施全天候遥感测量；第二，复杂性，热红外遥感技术同近红外遥感技术等多项遥感技术比较更为复杂。究其根本，热红外遥感测定地表温度会受环境因素及其辐射热性质影响，而且在实操中，关于此项技术形成的分辨率也是提升测量精准度较为迫切需要解决的问题；第三，可用性，此项技术的应用范围广泛，除了可应用在地表温度测量项目上，还可用于指示植物长势、地球气候变化以及水分蒸发量等多项地物信息测量中。对此，热红外遥感技术的应用研究，是决定其实践效果的重要途径。

1.2 机理

地表温度热红外遥感技术的实践应用，可借助此项技术获取大气窗口与热红外波段，继而结合热红外遥感图像，将太阳能传递中形成的地表温度进行预判，这样一来，可判定地表温度是否符合植物生长要求，是否具备气象灾害风险等，由此进一步保障地球安全。在应用热红外遥感技术时，一般还会反馈出地球表面热量分布规律，包括海表温度以及地表温度等，而后可结合知晓物体在其发送辐射能时，与辐射出射度（Fλ，T）、吸收率（Aλ，T）有着密切关联。

2 地表温度热红外遥感反演理论的内容

在太阳能照射到地面上时，因大气层针对热红外辐射具备散射以及吸收、发射功能，故而在测量地表温度阶段，需先行针对大气辐射能予以校正，以便结合地表能量之间的关联，判定地表温度实际数值。然而，在采用热红外遥感反演理论建立研究模型时，所设定的函数方程始终都存在“n+1”个未知数，这就导致在测量地表温度中，若一味按照传统测量法，很难获取真实数值。基于此，在解决地表温度测量工作难题阶段，需充分借助热红外遥感技术，提出反演理论，借此保证地表温度能在热红外遥感反演理论辅助下，提升其测定结果的准确度与真实性。

2.1 局部分裂窗理论

在构建地表温度热红外遥感反演理论体系时，其中较为主要的是局部分裂窗理论。本套理论体系中首次提出运用假设法反推地表温度。首先，需依靠比辐射率等参数的变化规律，联合通道传输中大气光谱吸收率的不同结果，杜绝在测定地表温度时，大气辐射效应产生的不利干扰；其次，相关人员采用此种方法测定地表温度阶段，运用大气地表参数两者相离关系进行反演。在此理论背景下，无须借助大气廓线即可实施反演。与以往依靠大气廓线遥感反演地表温度的理论内容比较，此种遥感反演理论能够从根本上降低误差；最后，促使获取的地表温度与真实数值误差范围缩小为1℃。

2.2 日夜法理论

热红外遥感反演理论中，关于地表温度的测定还可运用日夜法理论。由于白昼存在一定温度差异，致使太阳辐射能也不同，故而此时可利用比辐射率以及地表温度参数，汇总白昼辐射能数据，既能实现双参数的同步反演，又能杜绝太阳辐射能干扰，此种理论下测定地表温度，可脱离地表比辐射率实施反演，遥感反演误差值可下调为0.7℃，借此提高了地表温度测量精准度。

2.3 辐射能验证理论

热红外遥感反演理论的推行引起了深远影响。其中还涵盖着辐射能验证理论。以往在测定地表温度时，多以温度参数测量依据，但传统验证理论限制条件较多，既要选定夜间测定，又要确保测定对象为地表物体。据此，为了切实开展地表温度精准化测定工作，还提出了辐射能验证理论。按照此种理论能够运用大气廓线数据，联合卫星数据的虚实数据，对测定结果的准确度进行验证[2]。结合实践应用成果，此种遥感反演理论的推广，随着广泛运用，其验证时间也开始实现全天候，而且针对非均匀介质的地表温度，也能够给出可靠的测定数据。基于此，依托热红外遥感技术测定地表温度，无论选择上述哪一种遥感反演理论，都能在传统测定结果基础上降低误差，并且能够获得更加真实可靠的测定数据，便于通过地表温度数据，进一步展现出地表温度的导向指示价值。

3 地表温度热红外遥感反演实践路径

3.1 明确热红外遥感反演算法

根据相关调查：热红外遥感技术应用在地表温度测定项目中，其空间分辨率已经达到100 m，时间分辨率已然控制在30 min之内。由此表明热红外遥感技术的深入运用，能够进一步满足地表温度测定精度的具体要求。在实践应用中，应当明确遥感反演算法。此理论下形成的算法类型繁多。本文列举三项遥感反演算法：

第一，单通道算法，此种算法的运用，需先行建模，以大气比辐射等参数为依托，促使建模后，能够结合地表热辐射能的传输方向，不断校正热辐射能数据，而后将此算法作用在卫星传感器上，继而实现精准化计算。在建立单通道算法模型时，Ts=r*，其中t=T-273.15，Ts、L6、e6、r、y1、y2、y3分别代表的是地表温度（陆地）、卫星传感器幅度强度测定值、地表反射率以及各种变量。而后从此模型中分别预测大气透射率、地表比辐射率。之后在多组参数的预测中，可推算出地表温度。

第二，双通道劈窗算法。此算法也是测定地表温度的常用算法。基于热红外遥感反演理论，可反复校对比辐射率，继而依据卫星传感器提供的相关海表温度以及地表温度，对比辐射率的误差予以反演。其中双通道劈窗算法的操作公式如下：

其中A、B、C均属于相关系数。W（大气水汽含量）的具体范围需在1g/c㎡以内。ε、Δε分别代表的是比辐射率平均值及其差值。T1、T2属于卫星亮温。在代入具体数值后，能够准确地从中知晓高分辨率条件下，热红外遥感反演理论形成的地表温度反演结果，最终运用在实践领域中。

第三，四通道劈窗算法，在此算法实践中，它所依托的热红外通道数量为4个，经过组合通道，可避免在研究地表温度时，受大气因素干扰，致使测定结果失真。与上述算法比较，显然增加热红外通道数量后建立的算法模型，其精准度更高，能够切实提升遥感反演结果的可靠性[3]。

3.2 提取热红外遥感反演参数

3.2.1 地表比辐射率

地表温度因其在多个领域中都具备显著效用，故而它的精度直接影响着各领域的发展质量。好比在预测自然灾害时，若地表温度较高，将警示相关部门及时启动防暑降温预案。我国曾在2020年出现过高温灾害天气。其中室外温度为40℃，但地表温度高达60℃，由此表明，为了避免民众遭受高温侵害，还需采用先进的测定方法，获取可信度更高的地表温度测定值，便于各领域能够获得明确的工作指向。在本次研究活动中，利用热红外遥感技术反演方法测定地表温度，还需要科学提取遥感反演参数，继而增加遥感反演数据真实度。其中关于地表比辐射量的提取，相关人员需先行借助卫星传感器出具的影像信息，并从中筛选有用数据。此参数多源于光谱库中记录的信息，因其覆盖范围广泛，能够包含数千种光谱信息，故而在数据筛选中，能够结合地表比辐射率参数计算平均值以及不同波段下的差值，而后才能实现地表温度的遥感反演。在地表比辐射率参数计算中，多与植被、土壤有关。按照上述算法计算对应的差值、平均值后，将直接掌握地表温度。与往日频繁计算大气层辐射量等数值，此种理论背景下仅利用比辐射率平均值、差值两个参数即可。

3.2.2 卫星亮度

在应用热红外遥感技术实现地表温度的反演研究时，还需要获取卫星亮度参数。通常在计算卫星亮度时，常按照下述公式予以计算，即，其中L、D、C、K具体指代的是卫星幅亮度、灰度值以及相关系数等。在获取对应的L值后，还可将其代入下列指定函数中，继而成功获取卫星亮温，继而反推出地表温度，即，在此公式里，属于波长，C1与C2均为辐射能相关系数。最终代入数值求取卫星亮度温度后，汇总数据反演地表温度。

3.2.3 大气水汽含量

在遥感反演研究中，还可以利用大气水汽含量参数，合理增加地表温度测定结果精度。由于卫星传感器能够真实地测定大气水汽含量、海洋表面温度等多个领域的参数范围，故而还可以大气水汽数据作为遥感反演依据，借此代入对应的数值后，能够借助几何空间信息，获取地表温度。与往日研究流程相比，更加简便且精度更高。

3.3 反复校对反演算法数据

由于在不同领域中对于地表温度的应用，往往有着不同的精度要求，这就需要在采用热红外遥感反演理论推算地表温度时，反复校对遥感反演理论下形成的各种数据。一般情况下，用于农业气象监测中的地表温度精准度指标，温度精度常在0.3K左右，要求空间分辨率0.1 km、时间分辨率60 min。而在数值预报领域中，需要达到5 km空间分辨率、30 min时间分辨率的标准，其地表温度测量精准度需在0.5K以内。如若测定的地表温度无法满足各个领域实际需求，则显然不能发挥出地表温度指向性。

基于热红外遥感反演理论测定地表温度时，所采用的校对方法多以温度、比辐射率为校对依据。前者是直接针对卫星传感器获取的监测数据实施反演。其中需联合热量值，针对地表测定仪布设的测定点，对其测量温度数值求取平均值，而后可同此理论下形成的地表温度反演结果进行比对，借此知晓地表温度反演算法是否值得推广[4]。后者则以辐射能的变化趋势，判定经过大气层反射后，太阳能真正作用在地表上的辐射能具体变化范围，之后再利用卫星传感器分析遥感反演理论下地表温度结果的真实性。本次研究活动具体以温度作为校对凭证，借此确保经过校对后，能够增加遥感反演结果可信度。同时，还可运用绘图法比对测定数值，增加校对数据直观性。