matlab反演⽔温,HJ-1BIRS热红外数据反演太湖⽔温的⽅法⽐ 较
太湖是我国第三⼤淡⽔湖，不仅是国内外享有盛名的旅游胜地，⽽且是上海、⽆锡、苏州等地的主要⽔源，兼有渔业、灌溉、航运等多种功能.⾃1980s起，太湖的富营养化程度越来越严重，⽬前全湖处于富营养到重富营养状态，湖泊⽔质则属于劣Ⅴ类[.太湖的富营养化导致蓝藻⽔华现象不断暴发，⽽且⽔华⾯积有逐年扩⼤、持续时间越来越长的趋势[.太湖蓝藻⽔华不仅破坏⽔体景观和⽣态系统平衡，蓝藻在⽣长过程中会释放毒素，消耗⽔中溶解氧，引起⽔⽣⽣物⼤量死亡，湖泊⽔质恶化，严重威胁了湖泊周围地区的饮⽔安全[.众多的研究表明太湖藻类数量与⽔温有很好的相关关系[，由于太湖富营养化为蓝藻⽣长提供了充⾜的营养盐，⽔温成了影响太湖藻类⽣长的重要环境因⼦之⼀，全⾯有效地监测太湖⽔温对蓝藻⽔华的预警预报具有⼀定的作⽤.⽽卫星热红外遥感技术为太湖⽔温监测提供了⼀种⾼效快捷的⼿段，⽬前NOAA、TERRA、AQUA、NPP、METOP、FY等系列卫星都能获得相应的热红外遥感数据，其时间分辨率⾼，但空间分辨率低，难以满⾜内陆湖泊⽔温遥感监测；⽽Landsat系列卫星的TM/ETM+/TIRS数据、TERRA卫星的ASTER数据具有较好的空间分辨率，⽐较适合内陆湖泊⽔温遥感监测，但卫星观测周期为16 d，不利于⽔温动态监测.我国2008年9⽉6⽇发射的环境减灾卫星HJ-1B上搭载了⼀台红外多光谱相机IRS，具有2个近红外通道、1个中红外通道和1个热红外通道，空间分辨率分别为150、150和300 m，对地观测周期为4 d，能够为太湖⽔温动态遥感监测提供很好的资料.⽬前，国内学者针对HJ-1B/ IRS单通道的热红外资料在遥感算法改进、地表温度和⽔表⾯温度反演⽅⾯进⾏了⼀些研究[，由于像HJ-1B/IRS这种只带⼀个热红外通道的卫星传感器仍有不少，如Nimbus-7/CZCS、Landsat- 7/ETM+、CERBS/IRMSS、FY-3/MERSI，因此很有必要开展基于单通道热红外数据的遥感算法研究.本⽂将针对HJ-1B/IRS单通道的热红外数据，分别采⽤普适性单通道算法(generalized single-channel method，GSCM)[、辐射传输模型法(radiative transfer code method，RTM)和单窗算法(mono-window algorithm，MWA)[反演太湖⽔温，⽐较3种反演⽅法的精度，以期为HJ-1B/IRS资料在太湖⽔温遥感监测中的业务化应⽤提供理论依据. 1 数据与⽅法
1.1 数据
表 1(Tab.1)
表 1 HJ-1B卫星过境太湖时卫星、⽓象和⽔温的信息
Tab.1 Parameters of satellite, meteorology and water surface temperature when HJ-1B passing over Lake Taihu
⽇期
HJ-1B/ GMT
电气化铁路观测天顶⾓/°
能见度/km
⽔汽量/cm
⼤⽓平均作⽤温度/K
TERRA/ GMT
⽔温实测时间/GMT
纬度
经度
⽔温/K
2008-11-10
为我们的今天喝彩275.9
3:35
3:16
31.487 120.217 287.8
2008-11-14 3:05
20.7
10.0
1.77
281.9
3:10
2:56
31.151 120.000 288.8
2009-04-17 2:35
27.8
14.0
1.65
279.2
2:10
2:15
31.414 120.324 291.2
2009-04-21 2:38
3:00
2:10
31.442 120.198 292.3
2:50
31.417 120.134 292.6
2009-04-22 3:03
23.7
10.5
1.774
280.3
2:30
2:11
31.366 120.006 294.6
2009-04-25 2:41
18.4
14.5
1.456
279.1
3:00
2:58
31.260 119.960
表 1 HJ-1B卫星过境太湖时卫星、⽓象和⽔温的信息
Tab.1 Parameters of satellite, meteorology and water surface temperature when HJ-1B passing over Lake Taihu
metis图 1(Fig.1)
图 1 太湖⽔温实测点的位置 Fig.1 Location of measured water surface temperature (WST) sites in Lake Taihu
1.2 HJ-1B/IRS热红外遥感影像的预处理
(1) 遥感影像的辐射校正：由于从中国资源卫星中⼼下载的HJ-1B/IRS影像资料已经做过⼏何校正，满⾜研究的需要.这⾥只对HJ-1B/IRS 热红外通道(第4通道)进⾏辐射校正，将原始的数字信号DN值转化为图像辐亮度.根据IRS影像⾃述⽂件中提供的辐射定标系数b和g，按式(1)进⾏辐射校正： $
L = \frac{{DN-b}}{g}
$
(1)
式中，g=59.421 DN /(W/(m2·sr·µm))，b=-25.441.利⽤遥感图像处理软件ENVI进⾏辐射校正，从⽽计算出辐亮度值L.
(2) 遥感影像亮度温度的计算：根据普朗克定律计算亮度温度TB：
$
{T_{\rm{B}}}{\rm{ = }}\frac{{{C_2}}}{{\lambda \cdot \ln \left( {1 + \frac{{{C_1}}}{{{\lambda ^5} \cdot L}}} \right)}}
$
(2)
式中，C1=2πh·c2=1.19104356×108 Wμm4/(m2·sr)，C2=h·c/k=1.4387685×104 μmK；h为普朗克常数，取
6.626×10-34J·s；c为真空中的光速，取2.998 ×108 m/s；k为波⽿茨曼常数，取1.38 ×10-23 J/K；λ为HJ-1B/IRS热红外通道的中⼼波长，λ=11.576 μm，L是辐亮度值，经式(2)计算便可得到遥感影像的亮度温度.
1.3 研究⽅法
根据热辐射传输原理，当热红外传感器观测湖⾯时，⼊瞳辐亮度Lt有3个来源[：①⽔⾯的热红外辐射Lw，这部分的能量取决于⽔⾯温度、⽔的发射率ε以及⽔⾯和传感器之间的⼤⽓传输路径中的透过率τ；②⼤⽓⾃⾝发射的下⾏热辐射La↓，到达⽔⾯后，经⽔⾯反射并穿过⼤⽓层，被传感器所接收的辐射；③⼤⽓⾃⾝发射的上⾏热辐射La↑，直接进⼊传感器的辐射.研究表明，⼤⽓⾃⾝发射的热辐射与⼤⽓中吸收⽓体的含量和物理状态有关，主要的影响因素为⼤⽓温度和⽔汽量Lt可表⽰为：
$
{L_{\rm{t}}} = \varepsilon \cdot \tau \cdot {L_{\rm{w}}} + \left( {1-\varepsilon } \right)\tau \cdot L_{\rm{a}}^ \downarrow +
$
(3)
由于⽔的发射率⾼，近似为⿊体，⽔⾯反射率1-ε接近为0，因此经⽔⾯反射的⼤⽓下⾏热辐射(1-e)tLa↓部分可忽略，式(3)则简化为：
$
{L_{\rm{t}}} = \varepsilon \cdot \tau \cdot {L_{\rm{w}}} + L_{\rm{a}}^ \uparrow
$
(4)
1.3.1 辐射传输模型法
由式(4)可见，要从卫星热红外遥感图像中提取⽔⾯发射的热辐射Lw，⾸先要确定⼤⽓透过率τ和⼤⽓
⾃⾝发射的上⾏热辐射La↑.因此，可利⽤辐射传输模型MODTRAN 4.0模拟IRS热红外通道的⼤⽓透过率和⼤⽓上⾏热辐射, 模拟时的⼤⽓模型2008年11⽉为中纬冬季、2009年4⽉为中纬夏季，⽓溶胶模型为城市型，所需的观测天顶⾓和⽓象参数见Lw，再根据普朗克函数由Lw计算出太湖⽔温.
表 2(Tab.2)
表 2 辐射传输模型MODTRAN模拟的HJ/IRS⼤⽓参数
Tab.2 Atmospheric parameters simulated by radiative transfer code MODTRAN
⽇期灰尘的作用
⼤⽓上⾏辐射/(W/(m2·sr·µm))
⼤⽓透过率
2008-11-10
诺贝尔生理医学奖
1.1014
0.822
2008-11-14
2.0563
0.718
2009-04-17
1.8397
0.735
2009-04-21
1.5555
0.805
2009-04-22
切比雪夫多项式2.1801
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