matlab反演水温,HJ-1B/IRS热红外数据反演太湖水温的方法比较

太湖是我国第三大淡水湖，不仅是国内外享有盛名的旅游胜地，而且是上海、无锡、苏州等地的主要水源，兼有渔业、灌溉、航运等多种功能.自1980s起，太湖的富营养化程度越来越严重，目前全湖处于富营养到重富营养状态，湖泊水质则属于劣Ⅴ类[.太湖的富营养化导致蓝藻水华现象不断暴发，而且水华面积有逐年扩大、持续时间越来越长的趋势[.太湖蓝藻水华不仅破坏水体景观和生态系统平衡，蓝藻在生长过程中会释放毒素，消耗水中溶解氧，引起水生生物大量死亡，湖泊水质恶化，严重威胁了湖泊周围地区的饮水安全[.众多的研究表明太湖藻类数量与水温有很好的相关关系[，由于太湖富营养化为蓝藻生长提供了充足的营养盐，水温成了影响太湖藻类生长的重要环境因子之一，全面有效地监测太湖水温对蓝藻水华的预警预报具有一定的作用.而卫星热红外遥感技术为太湖水温监测提供了一种高效快捷的手段，目前NOAA、TERRA、AQUA、NPP、METOP、FY等系列卫星都能获得相应的热红外遥感数据，其时间分辨率高，但空间分辨率低，难以满足内陆湖泊水温遥感监测；而Landsat系列卫星的TM/ETM+/TIRS数据、TERRA卫星的ASTER数据具有较好的空间分辨率，比较适合内陆湖泊水温遥感监测，但卫星观测周期为16 d，不利于水温动态监测.我国2008年9月6日发射的环境减灾卫星HJ-1B上搭载了一台红外多光谱相机IRS，具有2个近红外通道、1个中红外通道和1个热红外通道，空间分辨率分别为150、150和300 m，对地观测周期为4 d，能够为太湖水温动态遥感监测提供很好的资料.目前，国内学者针对HJ-1B/IRS单通道的热红外资料在遥感算法改进、地表温度和水表面温度反演方面进行了一些研究[，由于像HJ-1B/IRS这种只带一个热红外通道的卫星传感器仍有不少，如Nimbus-7/CZCS、Landsat-7/ETM+、CERBS/IRMSS、FY-3/MERSI，因此很有必要开展基于单通道热红外数据的遥感算法研究.本文将针对HJ-1B/IRS单通道的热红外数据，分别采用普适性单通道算法(generalized single-channel method，GSCM)[、辐射传输模型法(radiative transfer code method，RTM)和单窗算法(mono-window algorithm，MWA)[反演太湖水温，比较3种反演方法的精度，以期为HJ-1B/IRS资料在太湖水温遥感监测中的业务化应用提供理论依据.

1 数据与方法

1.1 数据

2008年11月10-21日和2009年4月16-27日在太湖开展了水体光学实验，测定水质参数、水体光谱、水面气象参数等，其中水表面温度用水温表测量，精度为0.2 K.实验期间获得太湖地区有效的HJ-1B/IRS遥感影像6景，日期为2008年11月10日和14日，2009年4月17日、21日、22日和25日，影像质量好、无云彩，数据为LEVEL 2级产品，下载于中国资源卫星应用中心.在HJ-1B卫星过境时同步实测7个样点的水温(Ta是由太湖周边气象站—上海站(58362)、南京站(58238)和杭州站(58457)在0：00时(GMT)的探空资料计算的平均值.为了进一步说明IRS热红外数据反演水温的精度，引入了TERRA/MODIS温度产品进行对比，同期的TERRA卫星过境时间如http://reverb.echo.nasa.gov/reverb/下载得到.

表 1(Tab.1)

表 1 HJ-1B卫星过境太湖时卫星、气象和水温的信息

Tab.1 Parameters of satellite, meteorology and water surface temperature when HJ-1B passing over Lake Taihu

日期

HJ-1B/ GMT

观测天顶角/°

能见度/km

水汽量/cm

大气平均作用温度/K

TERRA/ GMT

水温实测时间/GMT

纬度

经度

水温/K

2008-11-10

3:02

23.3

22.3

0.924

275.9

3:35

3:16

31.487

120.217

287.8

2008-11-14

3:05

20.7

10.0

1.77

281.9

3:10

2:56

31.151

120.000

288.8

2009-04-17

2:35

27.8

14.0

1.65

279.2

2:10

2:15

31.414

120.324

291.2

2009-04-21

2:38

20.0

14.5

1.19

284.4

3:00

2:10

31.442

120.198

292.3

2:50

31.417

120.134

292.6

2009-04-22

3:03

23.7

10.5

1.774

280.3

2:30

2:11

31.366

120.006

294.6

2009-04-25

2:41

18.4

14.5

1.456

279.1

3:00

2:58

31.260

119.960

292.5

表 1 HJ-1B卫星过境太湖时卫星、气象和水温的信息

Tab.1 Parameters of satellite, meteorology and water surface temperature when HJ-1B passing over Lake Taihu

图 1(Fig.1)

图 1 太湖水温实测点的位置 Fig.1 Location of measured water surface temperature (WST) sites in Lake Taihu

1.2 HJ-1B/IRS热红外遥感影像的预处理

(1) 遥感影像的辐射校正：由于从中国资源卫星中心下载的HJ-1B/IRS影像资料已经做过几何校正，满足研究的需要.这里只对HJ-1B/IRS热红外通道(第4通道)进行辐射校正，