[发明专利]一种Landsat8热红外数据大气水汽含量反演方法

摘要

大气水汽含量是气象研究和遥感应用的一个重要参量。Landsat 8是最新发射的Landsat卫星，携带了OLI和TIRS两个传感器。本发明提出一种大气水汽含量反演方法，将归一化差异植被指数(NDVI)引入到劈窗协方差‑方差比值法(SWCVR)来改善较高空间分辨率热红外数据的水汽含量反演，方法包含三个步骤：第一步骤是基于NDVI值将窗口内的像元分组。第二个步骤是基于SWCVR算法求解每组的水汽含量。第三个步骤是基于加权求和求解窗口的水汽含量，将窗口遍历整个影像完成全影像的水汽含量反演。本发明提出的方法原理适用于其他热红外遥感数据。

主权项

一种Landsat 8热红外数据水汽含量反演方法：设定一个m×m大小的窗口，假定在这个窗口内的大气条件是一致的；设定分组组数为n；下面是基于Landsat 8影像求解一个给定窗口内的水汽含量的步骤：第一步、计算10和11波段的亮度温度(T₁₀and T₁₁)和归一化植被指数(NDVI)；第二步、分组窗口内的像元2‑1)根据影像上NDVI的最大值(NDVI_max)和最小值(NDVI_min)以及分组组数来计算分组的NDVI间隔值(NDVI_D)；2‑2)基于NDVI_k(第k个像元的NDVI)，NDVI_min和NDVI_D将窗口内的像元分组；第三步、基于SWCVR算法求解每一组的水汽含量3‑1)分别计算组内10和11波段亮度温度的平均值3‑2)去除噪声像元；3‑3)计算组内10和11波段亮度温度的协方差与方差比(R_10，11，和R_11，10)和相关系数(r²)，以及平均NDVI值(NDVI_m)；$R_{11,10}=\frac{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}(T_{10,k}-{\stackrel{\‾}{T}}_{10})(T_{11,k}-{\stackrel{\‾}{T}}_{11})}{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{(T_{10,k}-{\stackrel{\‾}{T}}_{10})}^2}$$r^2=\frac{{\left(\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}\right(T_{10,k}-{\stackrel{\‾}{T}}_{10}\left)\right(T_{11,k}-{\stackrel{\‾}{T}}_{11}\left)\right)}^2}{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{(T_{10,k}-{\stackrel{\‾}{T}}_{10})}^2\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{(T_{11,k}-{\stackrel{\‾}{T}}_{11})}^2}=R_{10,11}{R}_{11,10}$其中，N表示组内的像元个数(去除噪声像元后)，T_10，k表示第k个像元10波段的亮度温度，T_11，k表示第k个像元11波段的亮度温度；3‑4)基于NDVI阈值法利用组内的NDVI_m来计算其地表比辐射率，然后计算组内10和11波段地表比辐射率比；$\mathrm{\ϵ}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\ϵ}}_S,& NDVI\<{\mathrm{NDVI}}_S\\ {\mathrm{\ϵ}}_S+({\mathrm{\ϵ}}_V-{\mathrm{\ϵ}}_S)P_V,& {\mathrm{NDVI}}_S\<NDVI\<{\mathrm{NDVI}}_V\\ {\mathrm{\ϵ}}_V,& NDVI\>{\mathrm{NDVI}}_V\end{array}\right.$$P_V={\left(\frac{NDVI-{\mathrm{NDVI}}_S}{{\mathrm{NDVI}}_V-{\mathrm{NDVI}}_S}\right)}^2$式中，NDVI_S表示裸地的NDVI值；NDVI_V表示纯植被的NDVI值；P_V表示植被覆盖度；ε_s表示裸地的比辐射率，ε_v表示纯植被的比辐射率；3‑5)计算组内的透过率比值(τ₁₁/τ₁₀)；$\frac{{\mathrm{\τ}}_{11}}{{\mathrm{\τ}}_{10}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{10}}{{\mathrm{\ϵ}}_{11}}{R}_{11,10}$其中，τ₁₀为10波段的大气透过率，τ₁₁为11波段的大气透过率，ε₁₀为10波段的地表比辐射率，ε₁₁为11波段的地表比辐射率；3‑6)计算组内的大气水汽含量；w_i＝a(τ₁₁/τ₁₀)+b其中，w_i是第i组水汽含量，a和b为水汽含量模型的系数；第四步、基于加权求和法计算窗口的水汽含量4‑1)根据每组的r²去除无效组；4‑1)基于每组水汽含量和有效像元个数，利用加权求和法计算窗口的水汽含量；$w=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{N}_i{w}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{N}_i}$其中，w表示整个窗口的水汽含量，n表示组数，w_i表示第i组的水汽含量，N_i表示第i组的像元个数(去除噪声像元后)；移动窗口遍历整景影像即可完成全影像的水汽含量反演。