地表溫度熱紅外遙感反演理論及實踐研究

張琪曼

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術大學測繪與地理信息學院，甘肅 蘭州 730021）

0 引言

地表溫度實則指的是地面溫度。在測定地表溫度時，太陽熱能常通過輻射照到地面上，其間既包含放射反應，又涵蓋著吸熱反應，故而在測定地表溫度時，為了增加數值的準確性，還應當充分運用實踐理論，依據大氣輻射校正等手段，進一步降低測定難度。最終構建完善的熱紅外遙感反演體系，用于深度挖掘遙感數據，為地表溫度應用效果的優(yōu)化給予保障。

1 熱紅外遙感特征及其機理

1.1 特征

熱紅外遙感技術的應用，實則是運用熱紅外探測器針對熱紅外輻射能量實施有效采集，繼而將其轉換為可視化影響。一般情況下，自然系統中只要溫度高于0℃（或-273℃），均會釋放電磁波，借此運用熱力學理論獲取溫度測量數值[1]。而此項技術在其實踐應用中，其特征可歸納為下述幾點：第一，熱紅外遙感在測量地表溫度時，并無時間限制。但凡不存在人造干擾光源，均可實施全天候遙感測量；第二，復雜性，熱紅外遙感技術同近紅外遙感技術等多項遙感技術比較更為復雜。究其根本，熱紅外遙感測定地表溫度會受環(huán)境因素及其輻射熱性質影響，而且在實操中，關于此項技術形成的分辨率也是提升測量精準度較為迫切需要解決的問題；第三，可用性，此項技術的應用范圍廣泛，除了可應用在地表溫度測量項目上，還可用于指示植物長勢、地球氣候變化以及水分蒸發(fā)量等多項地物信息測量中。對此，熱紅外遙感技術的應用研究，是決定其實踐效果的重要途徑。

1.2 機理

地表溫度熱紅外遙感技術的實踐應用，可借助此項技術獲取大氣窗口與熱紅外波段，繼而結合熱紅外遙感圖像，將太陽能傳遞中形成的地表溫度進行預判，這樣一來，可判定地表溫度是否符合植物生長要求，是否具備氣象災害風險等，由此進一步保障地球安全。在應用熱紅外遙感技術時，一般還會反饋出地球表面熱量分布規(guī)律，包括海表溫度以及地表溫度等，而后可結合知曉物體在其發(fā)送輻射能時，與輻射出射度（Fλ，T）、吸收率（Aλ，T）有著密切關聯。

2 地表溫度熱紅外遙感反演理論的內容

在太陽能照射到地面上時，因大氣層針對熱紅外輻射具備散射以及吸收、發(fā)射功能，故而在測量地表溫度階段，需先行針對大氣輻射能予以校正，以便結合地表能量之間的關聯，判定地表溫度實際數值。然而，在采用熱紅外遙感反演理論建立研究模型時，所設定的函數方程始終都存在“n+1”個未知數，這就導致在測量地表溫度中，若一味按照傳統測量法，很難獲取真實數值。基于此，在解決地表溫度測量工作難題階段，需充分借助熱紅外遙感技術，提出反演理論，借此保證地表溫度能在熱紅外遙感反演理論輔助下，提升其測定結果的準確度與真實性。

2.1 局部分裂窗理論

在構建地表溫度熱紅外遙感反演理論體系時，其中較為主要的是局部分裂窗理論。本套理論體系中首次提出運用假設法反推地表溫度。首先，需依靠比輻射率等參數的變化規(guī)律，聯合通道傳輸中大氣光譜吸收率的不同結果，杜絕在測定地表溫度時，大氣輻射效應產生的不利干擾；其次，相關人員采用此種方法測定地表溫度階段，運用大氣地表參數兩者相離關系進行反演。在此理論背景下，無須借助大氣廓線即可實施反演。與以往依靠大氣廓線遙感反演地表溫度的理論內容比較，此種遙感反演理論能夠從根本上降低誤差；最后，促使獲取的地表溫度與真實數值誤差范圍縮小為1℃。

2.2 日夜法理論

熱紅外遙感反演理論中，關于地表溫度的測定還可運用日夜法理論。由于白晝存在一定溫度差異，致使太陽輻射能也不同，故而此時可利用比輻射率以及地表溫度參數，匯總白晝輻射能數據，既能實現雙參數的同步反演，又能杜絕太陽輻射能干擾，此種理論下測定地表溫度，可脫離地表比輻射率實施反演，遙感反演誤差值可下調為0.7℃，借此提高了地表溫度測量精準度。

2.3 輻射能驗證理論

熱紅外遙感反演理論的推行引起了深遠影響。其中還涵蓋著輻射能驗證理論。以往在測定地表溫度時，多以溫度參數測量依據，但傳統驗證理論限制條件較多，既要選定夜間測定，又要確保測定對象為地表物體。據此，為了切實開展地表溫度精準化測定工作，還提出了輻射能驗證理論。按照此種理論能夠運用大氣廓線數據，聯合衛(wèi)星數據的虛實數據，對測定結果的準確度進行驗證[2]。結合實踐應用成果，此種遙感反演理論的推廣，隨著廣泛運用，其驗證時間也開始實現全天候，而且針對非均勻介質的地表溫度，也能夠給出可靠的測定數據?；诖耍劳袩峒t外遙感技術測定地表溫度，無論選擇上述哪一種遙感反演理論，都能在傳統測定結果基礎上降低誤差，并且能夠獲得更加真實可靠的測定數據，便于通過地表溫度數據，進一步展現出地表溫度的導向指示價值。

3 地表溫度熱紅外遙感反演實踐路徑

3.1 明確熱紅外遙感反演算法

根據相關調查：熱紅外遙感技術應用在地表溫度測定項目中，其空間分辨率已經達到100 m，時間分辨率已然控制在30 min之內。由此表明熱紅外遙感技術的深入運用，能夠進一步滿足地表溫度測定精度的具體要求。在實踐應用中，應當明確遙感反演算法。此理論下形成的算法類型繁多。本文列舉三項遙感反演算法：

第一，單通道算法，此種算法的運用，需先行建模，以大氣比輻射等參數為依托，促使建模后，能夠結合地表熱輻射能的傳輸方向，不斷校正熱輻射能數據，而后將此算法作用在衛(wèi)星傳感器上，繼而實現精準化計算。在建立單通道算法模型時，Ts=r*，其中t=T-273.15，Ts、L6、e6、r、y1、y2、y3分別代表的是地表溫度（陸地）、衛(wèi)星傳感器幅度強度測定值、地表反射率以及各種變量。而后從此模型中分別預測大氣透射率、地表比輻射率。之后在多組參數的預測中，可推算出地表溫度。

第二，雙通道劈窗算法。此算法也是測定地表溫度的常用算法?；跓峒t外遙感反演理論，可反復校對比輻射率，繼而依據衛(wèi)星傳感器提供的相關海表溫度以及地表溫度，對比輻射率的誤差予以反演。其中雙通道劈窗算法的操作公式如下：

其中A、B、C均屬于相關系數。W（大氣水汽含量）的具體范圍需在1g/c㎡以內。ε、Δε分別代表的是比輻射率平均值及其差值。T1、T2屬于衛(wèi)星亮溫。在代入具體數值后，能夠準確地從中知曉高分辨率條件下，熱紅外遙感反演理論形成的地表溫度反演結果，最終運用在實踐領域中。

第三，四通道劈窗算法，在此算法實踐中，它所依托的熱紅外通道數量為4個，經過組合通道，可避免在研究地表溫度時，受大氣因素干擾，致使測定結果失真。與上述算法比較，顯然增加熱紅外通道數量后建立的算法模型，其精準度更高，能夠切實提升遙感反演結果的可靠性[3]。

3.2 提取熱紅外遙感反演參數

3.2.1 地表比輻射率

地表溫度因其在多個領域中都具備顯著效用，故而它的精度直接影響著各領域的發(fā)展質量。好比在預測自然災害時，若地表溫度較高，將警示相關部門及時啟動防暑降溫預案。我國曾在2020年出現過高溫災害天氣。其中室外溫度為40℃，但地表溫度高達60℃，由此表明，為了避免民眾遭受高溫侵害，還需采用先進的測定方法，獲取可信度更高的地表溫度測定值，便于各領域能夠獲得明確的工作指向。在本次研究活動中，利用熱紅外遙感技術反演方法測定地表溫度，還需要科學提取遙感反演參數，繼而增加遙感反演數據真實度。其中關于地表比輻射量的提取，相關人員需先行借助衛(wèi)星傳感器出具的影像信息，并從中篩選有用數據。此參數多源于光譜庫中記錄的信息，因其覆蓋范圍廣泛，能夠包含數千種光譜信息，故而在數據篩選中，能夠結合地表比輻射率參數計算平均值以及不同波段下的差值，而后才能實現地表溫度的遙感反演。在地表比輻射率參數計算中，多與植被、土壤有關。按照上述算法計算對應的差值、平均值后，將直接掌握地表溫度。與往日頻繁計算大氣層輻射量等數值，此種理論背景下僅利用比輻射率平均值、差值兩個參數即可。

3.2.2 衛(wèi)星亮度

在應用熱紅外遙感技術實現地表溫度的反演研究時，還需要獲取衛(wèi)星亮度參數。通常在計算衛(wèi)星亮度時，常按照下述公式予以計算，即，其中L、D、C、K具體指代的是衛(wèi)星幅亮度、灰度值以及相關系數等。在獲取對應的L值后，還可將其代入下列指定函數中，繼而成功獲取衛(wèi)星亮溫，繼而反推出地表溫度，即，在此公式里，屬于波長，C1與C2均為輻射能相關系數。最終代入數值求取衛(wèi)星亮度溫度后，匯總數據反演地表溫度。

3.2.3 大氣水汽含量

在遙感反演研究中，還可以利用大氣水汽含量參數，合理增加地表溫度測定結果精度。由于衛(wèi)星傳感器能夠真實地測定大氣水汽含量、海洋表面溫度等多個領域的參數范圍，故而還可以大氣水汽數據作為遙感反演依據，借此代入對應的數值后，能夠借助幾何空間信息，獲取地表溫度。與往日研究流程相比，更加簡便且精度更高。

3.3 反復校對反演算法數據

由于在不同領域中對于地表溫度的應用，往往有著不同的精度要求，這就需要在采用熱紅外遙感反演理論推算地表溫度時，反復校對遙感反演理論下形成的各種數據。一般情況下，用于農業(yè)氣象監(jiān)測中的地表溫度精準度指標，溫度精度常在0.3K左右，要求空間分辨率0.1 km、時間分辨率60 min。而在數值預報領域中，需要達到5 km空間分辨率、30 min時間分辨率的標準，其地表溫度測量精準度需在0.5K以內。如若測定的地表溫度無法滿足各個領域實際需求，則顯然不能發(fā)揮出地表溫度指向性。

基于熱紅外遙感反演理論測定地表溫度時，所采用的校對方法多以溫度、比輻射率為校對依據。前者是直接針對衛(wèi)星傳感器獲取的監(jiān)測數據實施反演。其中需聯合熱量值，針對地表測定儀布設的測定點，對其測量溫度數值求取平均值，而后可同此理論下形成的地表溫度反演結果進行比對，借此知曉地表溫度反演算法是否值得推廣[4]。后者則以輻射能的變化趨勢，判定經過大氣層反射后，太陽能真正作用在地表上的輻射能具體變化范圍，之后再利用衛(wèi)星傳感器分析遙感反演理論下地表溫度結果的真實性。本次研究活動具體以溫度作為校對憑證，借此確保經過校對后，能夠增加遙感反演結果可信度。同時，還可運用繪圖法比對測定數值，增加校對數據直觀性。

4 結語

綜上所述，在應用熱紅外遙感反演理論測定地表溫度時，隨著熱紅外遙感技術的改進，地表溫度測定工作也將迎來新的突破。本次研究中，為了改善熱紅外遙感反演方法實際操作中存在的問題，未來還應當積極聯合微波遙感技術，借此為地表溫度精準化測定提供重要依據，為今后科研事業(yè)指明方向。