基于idtcm的遙感地表溫度時(shí)間歸一化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于遙感應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于改進(jìn)日內(nèi)溫度循環(huán)模型 (Improved diurnal temperature 巧cle model，IDTCM)的遙感地表溫度時(shí)間歸一化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在化don and Logan提出的一個(gè)地表溫度日內(nèi)循環(huán)模型的基礎(chǔ)上，學(xué)術(shù)界相繼改 進(jìn)和發(fā)展了其它若干種經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的日內(nèi)溫度循環(huán)模型。但是運(yùn)些模型，大都基于在所考慮 時(shí)間范圍內(nèi)天氣晴朗，風(fēng)速較小且恒定的假設(shè)。實(shí)際上，地表溫度對(duì)于大氣狀況非常敏感。 在真實(shí)的自然狀況下，云量、風(fēng)速的大小和波動(dòng)的劇烈程度都會(huì)對(duì)日內(nèi)溫度循環(huán)模型應(yīng)用 的結(jié)果產(chǎn)生重要影響。如果不考慮天氣條件的影響，直接將現(xiàn)有的日內(nèi)溫度循環(huán)模型應(yīng)用 到遙感地表溫度的時(shí)間歸一化中，將會(huì)對(duì)遙感地表溫度的時(shí)間歸一化結(jié)果帶來一定的誤 差。
[0003] 衛(wèi)星和航空遙感獲得的地表溫度（下文簡稱遙感地表溫度)是研究全球與區(qū)域氣 候變化W及許多實(shí)際應(yīng)用的重要參數(shù)。地表溫度（Land surface temperature,LST)隨時(shí)間 變化迅速，目前遙感只能獲取瞬時(shí)的地表溫度信息。不同時(shí)間獲取的地表溫度存在較大差 異，需要進(jìn)行時(shí)間歸一化，即根據(jù)使用者的要求將其它時(shí)刻的遙感地表溫度歸一化至特定 時(shí)刻。但目前進(jìn)行遙感地表溫度的時(shí)間歸一化，尚無較為成熟的技術(shù)方法公開。日內(nèi)溫度循 環(huán)模型（Diurnal temperature巧cle model,DTCM)可W用于重建地表溫度在整個(gè)晝夜周 期內(nèi)的連續(xù)變化。但是，該模型目前存在一定的缺點(diǎn)，并且尚未用于遙感地表溫度的時(shí)間歸 一化中。
[0004] 本發(fā)明通過對(duì)實(shí)測的地表溫度數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)在天氣相對(duì)比 較晴朗的條件下，如果風(fēng)速較大且波動(dòng)比較劇烈時(shí)，同樣會(huì)對(duì)日內(nèi)溫度循環(huán)模型的應(yīng)用產(chǎn) 生重要影響。因此，天氣相對(duì)比較晴朗條件下，風(fēng)速的大小和波動(dòng)的劇烈程度也是影響日內(nèi) 溫度循環(huán)模型的重要因素。但是，現(xiàn)階段內(nèi)在天氣相對(duì)比較晴朗的條件下，考慮風(fēng)速大小和 波動(dòng)劇烈程度對(duì)日內(nèi)溫度循環(huán)模型應(yīng)用結(jié)果影響的研究還比較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出基于IDTCM的遙感地表溫度時(shí)間歸一化方 法，本發(fā)明建立了一個(gè)改進(jìn)的日內(nèi)溫度循環(huán)模型，改進(jìn)了現(xiàn)有模型無法克服風(fēng)速波動(dòng)的缺 點(diǎn)，同時(shí)，基于改進(jìn)的日內(nèi)溫度循環(huán)模型構(gòu)建了遙感地表溫度時(shí)間歸一化方法。
[0006] 基于IDTCM的遙感地表溫度時(shí)間歸一化方法，包括：
[0007] S1、數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括實(shí)測站點(diǎn)真實(shí)地表溫度Ts(t)數(shù)據(jù)的獲取，機(jī)載熱紅外成像 光譜儀(Thermal Airborne Spectrographic Imager,TASI)航空遙感地表溫度數(shù)據(jù)的獲取 和地表覆蓋類型數(shù)據(jù)的獲取，所述地表覆蓋類型包括非植被覆蓋區(qū)域（建筑、裸±、荒漠 等）、植被、濃密植被和水體四類，所述TASI航空遙感地表溫度數(shù)據(jù)和地表覆蓋類型數(shù)據(jù)的 空間分辨率相同；
[000引 S2、基于DTCM進(jìn)行改進(jìn)得到IDTCM，具體如下：
[0009] S21、根據(jù)S1所述Ts(t)擬合得到DTCM的參數(shù)和平均天氣條件下的地表溫度，具體 為：
[0010] S211、選取多個(gè)S1所述Ts(t)，根據(jù)公;
Levenberg-Marquargt#'?i(Duan,S.-B. ,Li ,Z.-L. ,Wang,N. ,Wu,H. ,&Tang,B.- H.Evaluation of six land-surface diurnal temperature cycle models using clear-sky in situ and satellite data[J].Remote Sensing of Environment,2012, Vo 1.124，15-25.)擬合得到不同地物覆蓋類型的DTCM的參數(shù)，其中，fu)為時(shí)間段內(nèi)天氣影 響平均狀態(tài)下的地表溫度，t為時(shí)間，To為日出時(shí)刻的地表溫度，Ta為地表溫度在一個(gè)晝夜周 期中的變化幅度，ω為日照時(shí)長，tm為晝夜周期中最高地表溫度的時(shí)刻，ts為地表溫度呈指 數(shù)函數(shù)衰減的起始時(shí)刻，δΤ為To與Τ( W)的差值，k為衰減系數(shù)
[001。 S212、將S1所述Ts (t)與DTCM模擬得到的地表溫度進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算得至刪表溫度的 瞬時(shí)波動(dòng)；
[0012] S22、根據(jù)天氣條件對(duì)S21所述DTCM的影響，對(duì)S21所述DTCM進(jìn)行拓展，即 7：(?) = /(?) =卸) + ?'>)，其中，Ts(t)為考慮天氣條件影響的地表溫度，Τ's(t)為實(shí)際天氣條 件下地表溫度相對(duì)于平均天氣因素條件下地表溫度的波動(dòng)，T/s(t)=g(P)，函數(shù)g( ·)表示 影響因子對(duì)地表溫度波動(dòng)的映射關(guān)系，向量P為影響因子集合，f(t)表示地表溫度是W時(shí)間 t為自變量的函數(shù)；
[0013] S23、使用線性回歸模型對(duì)S212所述地表溫度的瞬時(shí)波動(dòng)進(jìn)行量化，即T/s(t)=kWs (t) +b，其中，k為溫度的波動(dòng)和對(duì)應(yīng)時(shí)刻風(fēng)速線性回歸的系數(shù)，Ws (t)為t時(shí)刻的風(fēng)速，b為溫 度的波動(dòng)和對(duì)應(yīng)時(shí)刻風(fēng)速線性回歸的常數(shù)項(xiàng)；
[0014] SM、根據(jù)S22述 7；(化=/(〇 =執(zhí))+1 (0 和S23所述Τ' S (t) = kWs (t) +b，得到 IDTCM;
[0015] S3、對(duì)S2所述IDTCM進(jìn)行遙感地表溫度時(shí)間歸一化，具體為：
[0016] S31、tn+1時(shí)刻地表溫度相對(duì)于tn時(shí)刻的變化為：
[0017]
其中，Δ Ts(tn 一 tn+1)為 tn+1時(shí)刻相對(duì)于tn時(shí)刻平均天氣狀況下地表溫度的變化，η為大于零的自然數(shù)，f(tn+l)表示 tn+1時(shí)刻的地表溫度，f(tn)表示tn時(shí)刻的地表溫度，卸"+,)表示tn+1時(shí)刻沒有考慮天氣影響 的平均狀態(tài)下的地表溫度，。"表示tn時(shí)刻沒有考慮天氣影響的平均狀態(tài)下的地表溫度， T/s(tn+l)表示tn+1時(shí)刻實(shí)際天氣條件下地表溫度相對(duì)于平均天氣因素條件下地表溫度的波 動(dòng)，T^sUn)表示tn時(shí)刻實(shí)際天氣條件下地表溫度相對(duì)于平均天氣因素條件下地表溫度的波 動(dòng)；
[001引S32、將tn時(shí)刻的地表溫度歸一化至tn+1時(shí)刻，即靴。)=。如阮J-祀)川r;(U-r;iy];
[0019] S4、對(duì)S2所述IDTCM進(jìn)行TASI航空遙感地表溫度時(shí)間歸一化，具體為：
[0020] S41、根據(jù)S1所述TASI航空遙感地表溫度數(shù)據(jù)和地表覆蓋類型數(shù)據(jù)，判斷TASI航空 遙感數(shù)據(jù)的每個(gè)像元的地物覆蓋類型，在S2所述DTCM中找到每個(gè)像元的地物覆蓋類型對(duì)應(yīng) 的輸入?yún)?shù)，將所述輸入?yún)?shù)輸入可視化交互式數(shù)據(jù)語言（Interactive data language， IDL)程序?qū)崿F(xiàn)初步時(shí)間歸一化，得到TASI航空遙感地表溫度的初步時(shí)間歸一化結(jié)果δΓ ;
[0021] S42、對(duì)實(shí)測站點(diǎn)的實(shí)測風(fēng)速和S212所述地表溫度的瞬時(shí)波動(dòng)進(jìn)行回歸分析，得到 回歸方程，其中，地表溫度瞬時(shí)波動(dòng)為因變量，風(fēng)速為自變量；
[0022] S43、利用克里金插值法將S42所述回歸方程中的斜率和截距進(jìn)行空間插值，得到 兩幅和TASI航空遙感地表溫度數(shù)據(jù)具有相同空間分辨率的柵格影像，即斜率空間分布柵格 影像和截距空間分布柵格影像，對(duì)S41所述實(shí)測站點(diǎn)的各個(gè)時(shí)刻實(shí)測風(fēng)速進(jìn)行空間插值，得 到各個(gè)時(shí)刻風(fēng)速的空間分布柵格影像，所述風(fēng)速的空間分布柵格影像斜率空間分布柵格影 像和截距空間分布柵格影像的空間分辨率相同；
[0023] S44、將S43所述風(fēng)速的空間分布柵格影像W's(t)、斜率空間分布柵格影像k'和截 距空間分布柵格影像b '，根據(jù)公式ΔΓ = *'巧'灼+ 6'進(jìn)行柵格運(yùn)算，得到空間分布的地表溫度 波動(dòng)巧;
[0024] S45、對(duì)S41所述TASI航空遙感地表溫度的初步時(shí)間歸一化結(jié)果ΔΓ