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MODIS 地表温度数据产品参考规范(讨论稿)
内容索引:

1 主题内容与适用范围

2 术语

3 地表温度产品的生产标准

4 验证工作
5 参考资料  


1 主题内容与适用范围

  • 主题内容
    本标准规定了国家对地观测系统MODIS共享平台地表温度数据产品术语和产生过程,用以规范我国MODIS地表温度数据产品在产生、保藏、交换和应用中的一致性。

  • 适用范围
    本规范适用于国家科技基础条件平台对地观测系统MODIS共享平台地表温度反演、地表温度数据产品及与之相关的数据产品在数据源、数据综合、数据检验和数据交换过程中的活动规范。

2 术语

地表温度

指地球陆地表面的温度。

光谱比辐射率

指地物的发射出射度和相同温度条件下黑体发射出射度的比值。

大气窗口

指很少或没有被大气吸收的电磁波段。

朗伯体表面

指均匀的微粗糙表面。

反射率

指反射出的能量与入射能量的比值。

瑞利散射

指引起散射的大气粒子直径远小于入射电磁波波长时的散射,其强度与入射波长的 4次方成反比。

朗伯反射

指入射能量在所有方向均匀的反射,即入射能量以入射点为中心,在整个半球空间内向四周各向同性的反射能量的现象。

3 地表温度产品的生产标准

3.1 输入数据
地表温度产品的输入数据包括MODIS L-1A F 地理定位数据, L-1B TIR 波段反向率数据(参数号2338), 分类掩膜(参数号3660),大气温度廓线(参数号3726),柱水汽廓线 (参数号3727), MODIS 雪 被产品(1km分辨率),土地覆被产品(1km分辨率)以及基于实验和野外测量的地表辐射率数据。

3.2 输出数据

3.2.1 二级产品

(1)以图像格式输出的空间分辨率为1km的地表温度和质量标记二级产品,每个像元用2 字节记录地表温度、1字节记录相关误差、2字节记录质量标记;

(2)地表比辐射率参数:MODIS的31、32波段的比辐射率在0.488-1范围内,以二进制格式分别用1字节表示;1 字节用来表示观测角;1字节用来表示MODIS在该像元上的观测时间。

3.2.2三级产品
三级产品是分辨率1km、5km分辨率的等面积白天、夜间地表温度和波段比辐射率;MODIS波段20,22,23,29,31-33的波段比辐射率包含在5km分辨率的产品中,其派生的产品是0.5或1度(经纬度)的每天、8天和每月产品。

3.3基本原理
MODIS地表温度算法利用某些地物在热红外波段比辐射率的稳定性(推广的分裂窗LST算法)和利用大气层顶太阳中波波段的辐射率变化极小(白天/夜间LST算法)进行地表温度反演。

3.4地表温度反演方法

3.4.1推广的分裂窗LST算法
适用于在MODIS通道31、32的通道比辐射率相对稳定的地表。

(1)

式中 是 31 和 32 两个通道的亮温。 由一系列查照表给定。这些查照表可通过多种地表和大气条件的大气辐射传输模拟的线性回归得到。

3.4.2白天/夜间LST算法

适用于包括具有变化的或未知比辐射率的地表在内的所有地表。

(2)

其中各项均为通道平均值 , 通道比辐射率, 是地表温度为 的黑体辐射率, 为路径热辐射, 散射太阳辐射, 大气层顶的太阳辐射率, 分别为到达地表的通道平均太阳漫射辐射和大气向下的热辐射。 为通道有效传递函数。该方程可由统计回归法或最小二乘法解出。

( 1 )统计回归分析法

将上式在地表温度和通道比辐射率基准值附近线性展开,左边为通道亮温,右边为地表温度和比辐射率。联合 14 个方程,地表温度和通道比辐射率为 14 个通道的亮温观测值的线性组合。

(3)

其中 为由7个通道的比辐射率、白天地表温度、夜间地表温度、4个大气变量(两个时次的 和cwv)各项异性因子 等14个变量构成的向量, 为第 次观测的通道亮温, 为系数, 为水平偏移项系数。

可以用两步来确定这些系数。第一步,针对各种大气和地表条件,构造一组庞大的模拟观测资料。第二步,把模拟亮温资料作为独立变量,给定的地表通道比辐射率和温度及大气参数作为非独立变量,进行统计回归分析。回归分析的结果即为上式中的系数。

( 2 )最小二乘法

(4)

其中 为各通道辐射率观测值,通道 为白天, 为夜间。 为通道辐射率函数,取决于未知变量 的观测误差。在没有噪声时, 均为l。当包含噪声 NE Δ T 时, 为:

(5)

这是基于以下对通道平均普朗克函数的近似得出的:

(6)

式中 NE Δ T 在通道 的值, 是与通道辐射率 相应的亮温。在温度范围240-400K之间,通过回归分析给出 的最佳拟和值,对于MODIS波段20、22、23、29、3l-33,它们分别是12.9l、12.25、11.98、6.00,4.70,4.1l和3.74。

3.4.3查找表

3.4.3.1 MODIS观测角查找表 :用来把扫描参数转换成地球表面观测角的余弦。3.4.3.2 波段辐射率查找表: 分类基础上的波段辐射率数据。
3.4.3.3 推广的分裂窗算法的系数查找表: 用于确定推广的分裂窗算法中的各相关参数。 3.4.3.4 黒体在波段20、22、23、29、3l-33的辐射率查找表 :用于把波段发辐射率转换成波段亮温。
3.4.3.5 大气和太阳辐射项查找表:用于确定式 2中的大气和太阳辐射项。
3.4.3.6 白天/夜间算法的回归系数查找表: 用于确定算法中的各回归系数。

3.5 特殊情况 不能反演云覆盖或资料很差的像元。

4 验证工作

  • 4.1 白天/夜间LST算法反演的LST误差的验证
    白天/夜间LST算法的误差主要来自白天/夜间MODIS资料对的配准误差,通过模拟错位效应,假定混合像元中白天植被所占比例为0.5,夜间从0.5变到0.2,白天植被部分的温度给定3个值,与另一成分温度一致、高4K或低4K,夜间与另一成分一致,结果表明,在夜间植被所占比例不0.35小于时,该算法的结果均可以接受。
  • 4.2 推广的分裂窗LST算法反演的LST误差的验证
    利用RSS技术,将与MODIS仪器有关的误差、算法本身的误差、比辐射率库中地物比辐射率库中比辐射率的误差等进行综合分析,得出在观测角和柱水汽含量均较大时,误差较大,最大为1.63开氏度。

5 参考文献

[1] Zhengming Wan. MODIS Land-Surface Temperature Algorithm theoretical basic document (version3.3),1999.

[2] Shunlin Liang, Hongliang Fang, Mingzhen Chen, et al. Validating MODISland surface reflectance and albedo products: methods and preliminary results. Remote sensing of environment.2002,(83):149-162.

[3] Francois Petitcolin, Eric Vermote. Land surface reflectance,emissivity and temperature from MODIS middle and thermal infrared data. Remote sensing of environment.2002,(83):112-134.

[4] Zhengming Wan,Yulin Zhang, Qincheng Zhang,et al. Validation of the land-surface temperature products retrieved from Terra Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer data. Remote sensing of environment. 2002,(83): 163-180.

 

 

(执笔人:李加林、刘闯、朱晓华、王正兴)

 

 

 
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