GB_T 43997.2-2024 地表温度热红外遥感反演 第2部分：分裂窗法.docx

G日中华人民共和家标准GB/T43997.22024地表温度热红外遥感反演第2部分：分裂窗法Surfacetemperatureretrieva1.fromtherma1.infraredremotesensingdata一Part2:SP1.it-WindOWmethod国家标求全文公系统用，此文本仅供个人学习、研究之用,未经授权，禁止复制、发行、*编、翻语或网络储，侵权必究.全国标选信息公共服务千台：hn5SIdxMW.go*xn2024-04-25发布2024-11-01实施GS中华人民共和家标准GB43997.22024地表温度热红外遥感反演第2部分：分裂窗法Surfacetemperatureretrieva1.fromtherma1.infraredremotesensingdata一Part2:SPIit-WindOWnICthOd2024-04-25发布2024-11-01实施目次前言III引言IV1范阚12规范性引用文件I3术语和定义14方法原理与适用条件24.1 方法原理24.2 适用条件25反演流程和步骤25.1 操作流程25.2 反演步界36不确定度分析5附录A（规范性）分裂憎模型系数杳找表构建方法6A.I婕6A.2模拟数据皿6A.3反演条件分组7A.4分裂两模型系数确定8A5模型系数查找表构建9附录B（规范性）不确定度评定方法IO8.1 地表温度的标准合成不确定度评估IO8.2 反演模型分量引起的不确定度评估108.3 地发发射率分必引起的不确定度评估IO8.4 入瞧亮温分城引起的不确定度评估I1.8.5 大气柱总水汽含量分盘引起的不确定度评估U8.6 大气气溶胶分房引起的不确定度评估I1.参考文IirtB本文件按照GBT1.1.-2O2OH标准化工作导则第1陆分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草.本文件是GBn43997X地表温度热红外遥感反演&的第2部分。GB,T43997已经发布了以下部分：第1部分：单通道法；第2部分：分裂窗法.请注意本文件的某些内容可能涉及专利.本文件的发布机构不承担识别专利的说任。本文件由中国科学院提出。本文件由全国遥感技术标准化技术委员会(SAeyrC327)归F1.本文件起哪位：4国农业科学院农业资源与农业区划研究所、电了科技大学、昆明理工大学、苏州中科天后遥感科技有限公司、中国科学院水利都成都山地灾害与环境研究所、河北地质大学、桂林理工大学、中国科翔大学、中国科学院地理科学与资源研究所、北京师范大学、北京大学、中山大学、中国科学院空天信息创新研究院、大连海事大学、西南大学、国家卫星气象中心、中国资卫星应用中心、中科星图股份有限公司。本文件主要起草人：李召良、吴骅、唐伯惠、段四波、拗成虎、冷佩、赵伟、刘向阳、尚国排、陈银山、姜小光、唐荣林、阎广建、任华忠.期J峨、马灵玲、邱实、而妙芳、草.撼、赵恩宇、张震、黄克、付志涛、钱永刚、麻彩海、王宁、欧口喊、刘照言、Em于文凭、刘哂、范献、M启金、蔡文工GBT43997C地表温度热红外湿感反演旨在给出利用航天或者航空热红外遥雪数据进行地表温度反演的方法,现范流程和步骤，评定反演方法的不确定度.GB.T43997拟由四个部分构成.第1部分：单通道法.目的在于明确利用单个热红外通遒进行地衣湿度遥感反演的流程、步煤以及不确定度，第2部分：分裂窗法。目的在于明确利用两个热红外通道迸行地表温度遥感反湖的流程、步骤以及不确定度，一一第3都分：TES分离法。目的在于明确利用三个及三个以上热红外通道进行地表温度和发射率协同反演的流程、步骤以及不确定度.一一第4部分：日夜法.目的在于明确利用日夜衣时相多个热红外通道进行地发温度遥感反演的流程、步暇以及不确定度。地表温度热红外遥感反演第2部分：分裂窗法1本文件描述了利用热红外遥感数据反演地表温度的分裂窗法原理与适用条件、反演流程和步骤以及不确定度分析.本文件适用于在热红外大气窗口区内采用两个通道的地表港度反演.2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注I期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件：不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改堆）适用于本文件.GBf41534-2022地表温度遥感产品真实性检脸GBfT415412022热红外遥感基本术语3GBT415342022«GBT415412022界定的以及卜列术语和定义适用于本文件，3.1地闰0表*温度surfacetemperature我征地球&面厚度等于穿透深度（范围0-10fftc氏）的表皮的综合昂度.注：遥感数据反演得到的地表温度是在遥感器获取的亮度温度的罂础上消除了大气和发射率影响后的他我非同温混合像元的等效温度（即方向辎射“猊度）,包捆却也表面温度和海洋表面H度，单位为开尔文（K）,朱源：GB才41534-2022.3.232分蒙雷印Iitwindow热红外大气窗口划分形成不少于两个大气子窗U.注:通常在热红外大气窗口的8Pm-14pm范围内划分两个大气子窗口，两个子窗11的波谐范围一般为105m-T15Pm和11.5Um-125m;33大气柱总水汽含*tota1.1.mwatervapor地面到大气层顶垂直路径上单位裁面积内所含气态水的总质S1.注：单位为克怔平方闻和儆畛人亮源atsensorbrightnesstemperature在光诣设置相同条件下，与传感器入瞳光渤辎射亮度相同的黑体温度.注I单位为开尔文00,4方法原理与适用条件4.1方法原理范于两个相邻热红外通道的大气吸收差界，通过通道i和j入瞧光温的几何运能消除大气的影晌,完成大气效应的校正.进而在地表发射率的料助下实现地表温度的遥感反演.分裂阻法的数学模型按公式（D表示：T.+1+4,科z42i+（“，+“”“（）式中：T,反演的地表温位，单位为开尔文（KXa0分裂窗模鞭系数，与传感器响应函数、大气柱总水汽含量以及观测大顶角有关；c一一通道i和通道j的地表发射率的算术平均（ft:E通道i和通道j的地表发射率的基伯：T.通道i的入亮温，单位为开尔文（K）;T;通通的人魄亮温,班位为开尔文（K）.4.2适用条件采用分裂窗法反演地表温度，应涵足以下条件：a）待反演像元所对应的传感渊瞬时视场向内无云：b）待反演像元沙尘气溶胶的光学厚度小于0.3：C）传感器在8m-14m波氏范用内至少有两个通道:d）两个通道时应的地表发射率已知：O大气柱总水汽含量已知.5反演流程和步骤5.1掾作流程地去甜度热红外遥感反演分裂窗法的操作流程见图1.S1地MU幽法蝌图5.25.2.1 B3KKJS根据传感器热红外通道的个数以及通道位置,选择地表温度反演的两个最佳通道.如果传感器的热红外通道数量大于2,应选取大气吸收较小（即大气透过率较大）F1.发射率较大的通道进行地表温度反演,宜在10m-1.3m范围内的两个大气子窗1.选择通道,例如，10.5m116m和11.5m-12.5m.如果具备不确定度分析条件,应通过两两通道的邈历,根据地表温度反演的不确定度分析结果,选择地表温度合成标准不确定度最小对应的两个通道作为分裂窗法的反演通道.5.2.2针时选定的传感器热红外两通道位置利用辐射传输模型生成不同地-气条件卜模拟数据。根据地-气条件的差异，分别构建相略分组以及精细分组分裂窗模型系数杳找表，其中，粗略分组分裂窗模型系数台找衣为特定观测天顶角条件下地表发射率和大气柱总水汽含状的：级分组在找衣；相细分祖分裂窗模型系数自找表为特定观测天顶角条件下地表发射率、大气柱总水汽含M和地表温度的三税分组克我表。分裂窗模型系数查找表按照附录A构建.5.2.3 IfeAmMn对于选定像元，依次提取分裂商法所需的输入数据,具体包括：两通道人瑜亮温单位为开尔文阳”、两通道地表发射率（无量纲）、大气柱总水汽含量单位为克每平方厘米（gcmW以及观测天顶角数据单位为度C）o注：对于航空遥感.提取Ifei所到传述器高度之间的单位截面枳内所含气态水的总顺fit作为所福的大气柱总水汽5.2.4 柳ma分*f1.K*或取根据选定像元的地表发射率和大气柱总水汽含量,确定选定像元地表温废反演条件的粗略分组,从5.2.2构建的分裂窗模型系数查找表中，荻取不同观测天顶角对应的粗略分组分裂窗模型系数.按照像元观测天顶角的正割例，对粗略分祖分裂窗模型系数进行线性插值，获取选定像元观测天顶角对应的粗珞分组分裂窗模型系数。5.2.5根据5.2.3提取的两通道入喷亮温数据和地表发射率数据.结合5.2.4确定的选定像元时成的粗略分组分裂窗模型系数，按照公式给出的分裂/法数学模型，计算侬定像元的地表温度初值。5.2.6 兼取根据选定像元的地表发射率、大气柱总水汽含量以及估W的地表温度，确定选定像元地表温股反演条件的精细分祖，从5.2.2构建的分裂窗模型系数台找表中，获取不I可观测天顶角对应的料细分组分裂窗模型系数。按照像元观测天璐角的正副值.对精细分组分裂窗模型系数进行线性插值,获取选定像元观测天顶角对应的精细分纲分裂由模型系数。6.27iUUUtfiX根据5.2.3提取的两通道入瓶亮温数据和地表发射率数据.结合5.2.6确定的选定像元对应的精细分组分裂商模型系数按照公式（D给出的分级想法数学模型,计罄选定像元的地表抽度.S.2.8”里度加峰E/ttJ出根据5.2.7计算的地表温度31新判断分裂窗模型系数所属的三级精细分殂组别是否发生变化，决定是否输出地表温度反演结果，如果反演的地表温度所属的三级粕细分组与前一次反演的地去温度所处的三级精细分祖组别不同，则更新地表讯度初值，并返回5.2.6继续提取新分如条件下的分裂窗模型系数：反之,则停止反演，输出5.2.7的计算结果作为呆终地表温度反演结果，6不一定度分析不确定度应逐像元分析，巨变步骤包括：a）分析影响分裂窗遥感反演地表温度的不确定度来源：b）根据不确定度传播律计算地表温度的合成标准不确定度.合成标准不确定度计算方法按附录B的B.I执行：c）估算f个不确定度分尿引起的地衣温度不确定度,各分届的不确定度计W方法按B.2B.6执行.（A%tt）A.1皿分裂窗模里系数兖找表的构现分四步进行：模拟数据生成、反演条件分组、分裂窗模里系数确定以及模型系数杏技农构建.A.2棚CuR*模拟数据生成的操作流程见图A.1.具体步骤如下.a）大气廊线设?t根据特反演区域的大气特性，从现有的人气温湿IW线数据阵或待反演区域的大气温湿麻线历史数描中，按照大气柱总水汽含法均匀分布和火气底层（地面高度1.5m'2m处）空气图度均匀分布的原则,选取一定数家（例如，不少于60条）且涵盖待反演区域晴空大气温湿度变化范围的大气温湿廓线，b）地表温度设置.NUUa）设较的大气温湿应线的最底层空气温度T.设甘.，当To3285K时，地表温度设置莅围为ITo5KJo+15K.步长可为5K;当T。285K时，地表温度设巴范阚为To-5KT。+5K.步长可为5K.C）地表发射率设置。根据待反演区域地表发射率UJ能的变化范困，设置两通道发射率笄术平均值份的范围为cM曲,Et大值.步长可为0.02;两地道发射率差值（©）的范囱为e最小值,©最大值,步长可为0.005.如关注大范围地表发射率值,设置e范阳为0.900.0.999,步长Ur为0.02e范围为f.025,0.0】5,步长可为0.005。d）观测天顶角设S1.根据传感器观测天Ki角的变化愆闱O.Omx1.在观测天顶角正割值SeaO）的变化区间1.sec（Omax）I内，按照等步长（例如01）设置观测天顶角.e）传博器数据模拟，将a）设置的大气睨线、1»设置的地表温度、C）设置的地表发射率、d）设员的观测天顶角、两个分裂窗通道的通道响应函数以及传博器商度等输入到热红外大气输时传输模型,生成模拟数据集，包括：传感器两通道入1«亮温以及对应的配强地-气状态参数和观测几何参数伏气柱总水汽含量、地表温度、地表发射率和观测天顶角屋注：步长设置的越小，模拟数ft傩大.步长的选择是数据盘和处理红杂度权衡后的结果，A.3反演条件分姐按照分裂窗反演条件的差异，对模拟数据中配对的地表发射率、大气柱总水汽含盘和地表温度进行分组处理，依次形成粗略分组数据集和精细分组数据集。反演条件分组操作流程见图A2.具体步骤和原则如下,a）地表发射率分组。针对A.2生成的模拟数据集中的地表发射率进行分组处理,如果两通道地表发射率均值的最大假与最小值之差小于或等干0.06时,则可以不分组：否则可分为低发射率组（两通道发射率均值变化范围为10.90.0.96）和高发射率组（两通道发射率均值变化范困为0.MJ.O0）,两组之间有0.02的0b）大气柱总水汽含量分组.针对A.2生成的模拟数据集中的大气柱总水汽含量进行分组处理.如果城大总水汽含量与地小总水汽含量之差小F或等于15国CnR则不分组：否则从G小总水汽含成开始，以段长为1.5gSF进行分组，Iim与组之间有0.5gfcnf的重神，直到最后组的总水汽含盘上限超过最大总水汽含量为止.即：第I组最小总水汽含fit,最小总水汽含量“5;一一第2组最小总水汽含成+1.0,最小总水汽含破+2.5;一一第3组最小总水汽含量+2.0,最小总水汽含t+3.5：第n组城小总水汽含11.+（n-1.）x1.0.最小总水汽含hbnx1.0+0.5C）粗略分组模拟数据r集生成。根据步骤a）确定的地表发射率分组原则和步骤b）确定的大气柱总水汽含纸分组原则，将A.2生成的模拟数据集对应的条件划分到相应的分纵形成按照地表发射率和大气柱总水汽含做一物分组的粗略分组模拟数据广集。粗略分组模拟数据了集包括：传感器两通道入瞳亮温以及时应的配套地-气状态参数和观测几何参数（大气柱总水汽含取地西胧、地微射板11观测天顶角）。S地表海度分组针对A.2生成的模拟数据集中的地表温度进行分组处理.如果地表温度变化范围（G大地表温度与最小地表温度之差）小于或等于20K.则不分组：否则从最小地表温度开始.以步长为20K进行分组,且组与组之间有5K的重光,直到最后一组的地表温度上线超过最大地表温度为止.即：第1组最小地表同度,最小地表程度，20;一一第2组被小地表温度+15,最小地表温度-35:一一第3组投小地表温度+30,最小地表淑度50:-第nm最小地表温度-S1)x15.最小地表温反十n1.5+5).e)的细分处模拟数据子集生成。对c获得的相略分组模拟数据子集，再按d)设定的地表温度分组进一步细分，形成按照地发发射率、大气柱总水汽含量和地发温位：级分组的精细分组模拟数据f集.精细分组模拟数据了狄包括：传感器两通道入瞳亮潮以及对应的毛套地气状态参数和观测几何参数(大气柱总水汽含量、地衣温度、地表发射率和观测天顶角).注：步长设置的越小,分餐窗模型系数的分组越多,对应也U区间内地衣温度反演的4确定慢地小.步长的选择是处理更次度和反演不确定度权衡后的结果.Saj反演条件分IfiMSA.4分u模理系敷读取粗略分组模拟数据子笑或者粕细分祖模拟数据子集中包含的传感器两通道入峰克温以及对应的配套加气状态参数和观测几何参数(大气柱总水汽含量、地表温度、地表发射率和观测天顶角),采用批小二乘数学优化算法,按公式(An公式(A.4).分别获取特定观测天顶角条件卜的粗略分批和精细分组中各分组对应的分裂雷模里系数.A=(MTM)-1MTI'(A.I)其中,HA.f.>.,了后、U-T,Jr,q，<I-hTj÷j>1.-nr.,a-Tm*r».f-04-d-Yz1.T.>Q1/-»1.1.-XT.m力.AT.7Tje,一力一，”“1小Tq<r.一力.-)*»(A.3)(A.4)式中:A一分裂窗模型系数矩阵;M一反演状况参螃阵：T矩阵的转置符号：T,地表温度矩阵：a0'%分裂%模型系数，与传超器响应函数、大气柱总水汽含肘以及观测天顶角有关:T-通道i的第n个模拟数据（n取值为1.N）对应的入瞳亮温，单位为开尔文（K）:T:.n通道j的第n个模拟数据（n取值为1N）对应的入腔壳温，单位为开尔文（K）:E通道i和通瀚的地表发射率的算术平均值；e通道i和通道j的地表发射率的差值：N一粗略分组模拟数据子集或者精细分组模拟数据子集中包含的模拟数据个数：T.第n个模拟数据（n取值为1N）对应的地表温度，单位为开尔文（K）.A6俄瑜瀛t查找表构根据模R系数获取过程中的地表发射率、大气柱总水汽含!以及地表温度分组情况，分别构建用珞分组和精细分组分裂布模型系数杳找表，对于反演条件的粗略分组，保存分裂窗模型系数以及对应的地衣发射率分组、大气柱总水汽含录分组和观测天顶角正割（f1.，形成粗珞分组分裂窗模型系数色找衣；时于反演条件的精细分组，保存分裂窗模型系数以及对应的地表发射率分组、大气柱总水汽含量分组、地表温度分组和观测天顶角正酬5,形成精细分组分裂窗模型系数查找表，附录B(规范性)不确定度评定方法B1.地表温度的标准合成不播定度评估地表温度反演模型的数学形式按公式(D表示.根据不确定改传播律，假设地表温度不确定度来源之间不相关，地表温度标准合成不确定度可按公式(B.1)计算：u-(um)j+(u)2+<ubFHuw>1+(u(.户(B.1)式中：U地表温度的合成标准不确定度：u»一一反演模型分量引起的不确定度：Ue一地衣发射率分量引起的地表温度不确定度：Ub入瞳亮温分地羽起的地表温度不确定度；UW大气柱总水汽含最分业引起的地表温度不确定度：Ua大气气溶胶分量引起的地衣温度不确定度。8.2 反演模型分引起的不确定度评估在利用公式(I)反演地表温度过程中，反演模型自身存在不确定度,利用A.2构建的模拟数加½.通过蒙特卡罗法按公式(B.2)评定反演模型分金引起的不确定度：Um=E(Te-Tac)11/2(B.2)式中：urn反演模型分也引起的不确定度；E算术平均值；T-分裂窗法反演的地表温度：Ta1.在数据模拟过程中，输入到辐射传输模型中的真实地表温僮.8.3 地表发射率分量引起的不谛定度评估地衣发肘率分中引起的地表海度不确定度按公式(B.3)计算:式中:u.地表发时率分鬓引起的地表温度不确定度:,rr公式(D中地表温度对通道i的地表发射率的一阶偏导.按照公式(B.&计算:u-通道i的地衣发射率不确定度：r_公式(D中地去温度对通道j的地衣发射率的一阶偏导，按照公式(B5)计算;丁通道J的地表发射率不确定度.地衣温度时通道i和j的地表发射率的一阶偏导计算使用公式(B.4)和公式(B.5):，手留""N-令IO午)(BJ)式中：T.通道i的入喷亮混，单位为开尔文(K)：T.通道j的入峰亮温，单位为开尔文(2;a2，a3.as,a6分裂窗模型系数，与传憎器响应函数、大气柱总水汽含玳以及观测天顶角有关;E通道i和通道j的地表发射率的算术平均值；4通道i和通道j的地表发射率的差值.B.1入瞳亮溟分量引起的不确定度评估入Iift亮温分展(包括仪器映向利辐射定标不确定度)引起的地变温度不确定度衣示为公式(B.6):K热)7有J-式中：Ub一人瞬亮温分城引起的地表讯度不确定度：公式(D中地表温度对通道i的入瞳亮温的一阶偏导,按照公式(B.7)计第：uT:通道i的入瞋壳温不确定度：一公式(1)中地表超度对通道j的入瓶亮温的一阶偏导,按照公式(H.8)计算：uT.-通道j的入瞳亮温不确定度：jy-=；(¢|+«*)+(a»+tfj)+÷.)jy-三yp-.)+(<»-«»)-y-+卷地表温度对通道i和j的入睡壳温的阶储导计算使用公式(B.7)和公式(B8):(B.7)(B.8)式中：的'm分裂窗模鞭系数，与传搏器响应由数、大气柱总水汽含量以及观测天顶角有关：e一一通道i和通ji的地表发射率的算术平均值：c一一通道i和通演的地表发射率的差值.8.5 大气柱总水汽含量分虽引起的不确定度评估根据公式(I)分别获取大气柱总水汽含出正确分"i和错误分组的地表温度.通过登特卡罗法按照公式(B.9)评定大气柱总水汽含量分量引起的地表温度不确定度：UW=EKTWin-TWC2立(B.9)式中：U大气柱总水汽含量分量引起的地表讯度不确定度：Ef1.算术平均值；TwJnor使用大气柱总水汽含状分组发生变化后的相邻分裂窗模型系数反演褥到的地表温度：Tw.o.使用正确的大气柱总水汽含狂分组对应的分裂窗梗型系数反演得到的地表温度.8.6 大气气溶胶分量引起的不确定度评估根据公式(D分别获取考虑实际大气气溶胶和采用缺省大气气溶胶条件下的地表温便通过蒙特卡罗法按照公式（B0）评定大气气溶胶（类型和含址）分成引起的地表温度不确定度：IU=IqiTaiie-'I",he<<rc）>1/2（BJo）式中：k4t»®ftHEU算术平均值：Taatier采用实际大气气溶胶类型和含成变化的模拟数据，利用分裂窗法反演的地表温度：Txbcdorc一采用缺省的大气气港胶类型和含量的模拟数据构建的分裂窗法反演的地表温度.考文献11GB.T149502009摄影测量与遥感术语(2GB-T34509.2-2017陆地观测卫星光学遥感器在轨场地辐射定标方法第2部分：热红外GBrr362992018光学遥感辐射传输基本术语4RF1059.12012测Iit不确定度评定与表示5J1SO1ECGuide983:2OO8UncertaintyofmeasurementPart3:GUideto(heexpressionofuncertain1.yinneasuren>ent(GUM:1995)6WanZ.t)zierJ.Agenera1.izedsp1.it-windowa1.gorithmforretrieving1.and-surfacetemperaturefromspaceJ.1EEETranscctionsonGeoscicnccandRemoteSensing,1906,34(4)t892-905.(7)TangB.-H.,BiY.,1.iZ.-1.,cta1.Gcncra1.izcdsp1.it-windowa1.gorithmforcstimaicof1.andSiiriacetemperaturefromChinesegeostationaryFengYunmeteoro1.ogica1.sate1.1.i(e(FY-2cMataU1.SenSoe.2008.8(2).933951.8)1.i乙1.TangB.-H.WuH.eia1.Saie!1.ite-derivedIandsurfaceIeinperaturerCurrentstatusandpersectives(J.Reno(eSensingofEiivironment.2013.131.14-37.9BeckerF.XiZ.-1.Towardsa1.oca1.sp1.itwindowmethodover1.andsurfaces(J.Internationa!Journa1.ofRcn>teSensing,1990.11(3)369-393.(IOIJZ-1.mWuH.,WangN.,cta1.1.aru1.surfaceemissivityretrieva1.fromsate1.1.itedata(J1.JntcmationaIJourna1.ofRemoteSensing,2013,34(9-10),3084-3127.