基于马尔可夫链与最大后验准则的模拟静止气象卫星数据地表组分温度反演.pdfVIP

第15卷 第3 期 地 球 信 息 科 学 学 报 Vol. 15, No.3 2013 年6 月 JOURNAL OF GEO-INFORMATION SCIENCE Jun., 2013 基于马尔可夫链和最大后验准则的模拟静止气 象卫星数据地表组分温度反演 1,2 2 1 赵 伟 ，李爱农 ，李召良 (1. 中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101；2. 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都610041) 摘要：地表组分温度比像元混合温度具有更强的物理意义和实用价值，是定量遥感反演的一个重要研究方向。本 文以马尔可夫链和最大后验准则地表温度尺度转换方法，结合静止气象卫星数据高时间分辨率的特点，通过模拟 静止气象卫星数据地表组分温度反演进行分析和验证。在研究过程中，地面被简化为由植被和土壤两组分组成， 同时假设邻近像元的植被和土壤组分温度相同。鉴此，本文通过模拟构建20×20 像元大小的静止气象卫星混合像 元图像，并对各像元各时刻温度添加均值为0 标准差为2K 的随机误差，最终应用所提算法估算各像元各时刻的植 被和土壤组分温度大小。精度分析结果表明，该算法能够较为精确地反演植被和土壤组分温度，且误差基本控制 在2K 以内。此外，本文还进一步讨论了算法的适用性及其对混合像元温度误差、植被覆盖度误差，以及邻近像元 植被覆盖度变化范围的敏感度。分析结果再次证明，该方法对混合像元温度误差和植被覆盖度误差都具有较低的 敏感性，在最大温度误差条件（均值为1.8K ，标准差为5K ）和最大植被覆盖度误差（均值为0.18，标准差为0.2 ）的条 件下，各组分温度的估算精度分别能控制在3K 和2K 以内，满足精度要求。但是，由于组分温度初值的确定方法， 对所计算窗口内植被覆盖度变化范围有较强的敏感性，反演结果与植被覆盖度变化范围相关，要求窗口内植被覆 盖度变化范围足够大才能满足初值估算的精度要求。 关键词：静止气象卫星；地表组分温度；马尔可夫链；最大后验准则；模拟 DOI ：10.3724/SP.J. 1047.2013.00422 1 引言 含量精确反演。 与像元温度反演比较，像元内部组分温度的反 地表温度是研究陆地表面与大气相互作用的 演难度更大，主要体现在反演过程中未知数的数目 重要参数，能综合反映地表的水热交换过程。它是 大大超过方程个数。目前，像元内部的结构参数和 气象、水文、生态、全球变化等众多研究领域中的一 材料比辐射率的精确获取还存在不少问题，但组分 个重要基本参数。随着卫星探测技术的发展，利用 温度反演作为定量遥感研究中一项前沿性探索，其 热红外遥感信息反演地表温度的研究，其反演方法 研究和应用仍有大量基础数据和多平台遥感数据 和反演精度都有了长足的进展。但是，由于卫星观 的支持，引起国内外学者的广泛关注，并先后开展 测的陆地表面往往是由多种地表类型构成，遥感反 了很多尝试。最早地表组分温度反演研究，主要是 演的地表温度通常是像元内不同地表类型组合下 针对地表的热辐射方向性提出的。通常情况下，以 的平均温度，其物理意义模糊不清。相比之下，地 热平衡条件，对二维同温同质非黑体而言，其辐射 表组分温度的精确反演具有更加重要的物理意义 亮度的方向性完全取决于比辐射率的方向性；而对 和实用价值，例如，在植被/土壤的混合像元中，植被 于热红外遥感中普遍存在的非同温混合像元，其辐 冠层温度的获取对了解植被蒸腾量或植被缺水指 射亮度同样具备十分显著的方向性特点，许多学者 数，评价作物受旱状况和作物长势监测等都具有重 对地表热辐射的角度效应做了不同程度的观察和研