城市完全表面温度的航空遥感估算方法

摘要

本发明涉及一种城市完全表面温度的航空遥感估算方法，属于城市地表温度遥感估算的研究领域。其步骤为：根据目的地确定飞行航线；按照预定航线进行飞行试验，获取城市地表热红外图像；对热红外图像进行预处理；进行完全表面温度估算。本发明考虑到城市三维结构复杂，下垫面组分温度差异大和传感器视角有限导致的传统遥感手段无法直接获取完全表面温度的困难，给出简单有效的航空遥感在城市完全表面温度估算方法。本发明方法适应性强，可精确地估算城市完全表面温度，能够满足实际生产的需要。

说明书

技术领域

本发明涉及一种城市完全表面温度的航空遥感估算方法，属于城市地表温度遥感估算的研究领域。

背景技术

城市地表温度是反映城市下垫面辐射与能量收支的关键参数，在城市气候与环境研究中发挥着重要作用。热红外遥感是获得大范围城市地表温度的重要手段。然而，热红外遥感通常仅能获得下垫面在某一个或某几个特定方向的热辐射信息(即方向辐射温度θ与分别为观测天顶角与方位角)，且所获得的不同角度热辐射信息存在较大差异，难以获得具有各方向代表性的完整城市下垫面真实温度。

为了获得更具代表性的下垫面地表温度，学术界围绕城市地表热辐射方向性规律观测与模拟等方面已取得了卓有成效的进展，构建与验证了一系列城市下垫面热辐射方向性正向模拟模型。实验观测与理论模拟结果均表明，城市下垫面相比于自然地表(以植被为主)呈现出更为显著的“热点效应”，其热辐射方向性强度在晴空正午时分可高达10K甚至以上，但方向性强度在日落后迅速减小。考虑到城市下垫面结构的复杂性，近年来则逐渐涌现了城市下垫面热辐射方向性逆向反演或重建的核驱动模型，此类模型可在已知少数方向的情景下实现上半球空间辐射温度的完整模拟，展现了对城市下垫面方向辐射温度进行角度纠正的潜力。

上述研究大多旨在热辐射方向性正向模拟或将纠正到天顶方向。实际上，天顶方向的遥感地表温度并非是反映城市下垫面与大气间辐射与能量交换的最佳参量。有鉴于此，Voogt&Oke提出了城市完全表面温度(Complete urban surface temperature,T_c)的概念(定义为三维视角下组分表面温度与其组分比例的加权和)。其研究结果表明，T_c相比于能够更好地服务于城市下垫面-大气能量交收支估计，下垫面表面通量模拟和城市热岛效应强度评估和。结合实验观测，Voogt与Oke曾直接依据完全表面温度的标准定义正向地计算T_c。这些研究证实了T_c与天顶方向辐射温度之间存在较大差异，并初步表明传感器视场内包含更多阴影的方向性观测可能与T_c较为接近。Roberts和Adderley进一步表明半球辐射计所测半球辐射温度可用于逼近T_c。

尽管T_c的遥感估算已取得了初步进展，然而也许是因为利用遥感难以获得三维视角下各组分表面温度及其组分比例，现阶段仍缺乏较为成熟的方法用于遥感估算T_c。具体而言，有如下问题仍不清楚：(1)在单一观测角度的情景下，是否存在通用的较为准确逼近T_c的最优遥感观测视角/视域。(2)在拥有多个角度方向辐射温度观测的情景下，能否借助于热红外核驱动模型所重建的半球积分温度以逼近T_c。

发明内容

本发明的目的是提出一种仅通过航空遥感温度数据，即不需要地面实测详细地表结构和表面组分温度，进行城市完全表面温度的航空遥感估算的简单而有效的方法。

为了解决以上技术问题，本发明提供的城市完全表面温度的航空遥感估算的方法，包括以下步骤：

第一步、根据目的地确定飞行航线——在确定研究目的地位置和飞行时刻基础上规划航飞路线，具体包括三个航线策略；航线策略1：在实验时刻，按预定飞行高度，飞机垂直于太阳主平面的方向飞行飞过研究区正上方，热红外传感器的观测天顶角在45～60°，方位角与飞机前进方向一致；航线策略2：飞机在一定高度，以研究区为中心环绕飞行，传感器始终朝向研究区，且该状态下热红外传感器的观测天顶角为60°；航线策略3：分别按S-N，NW-SE，E-W，SW-NE四个航向飞行飞过研究区上空，且研究区的中心靠近飞行路线，该过程中热红外传感器的观测天顶角在-60～60°变化，使得获得的方向辐射温度尽可能均匀的分布在上半球空间；

第二步、进行飞行实验，获取地表热红外图像——按照预定航线进行飞行实验，热红外传感器获得地表热红外图像，所述地表热红外图像包括温度信息和位置信息；

第三步、热红外图像预处理——具体包括：(1)、由热红外图像属性的位置坐标信息与研究区中心位置坐标，计算图像拍摄瞬时的天顶角度及方位角度；(2)、由航线策略1得到的方向辐射温度θ为热红外传感器的观测天顶角，为热红外传感器的观测方位角；(3)、航线策略2得到的所有方向辐射温度中，对观测方位角从0-360°，观测天顶角为60°这个范围内的方向辐射温度进行积分求得第一立体角积分温度T₁(Ω₁)，Ω₁为观测方位角从0-360°，观测天顶角为60°的范围；(4)、从航线策略3得到的所有方向辐射温度中选取3～5个其观测位置在空间上分布较均匀的值，借助Vinnikov的热红外核驱动模型重建上半球所有角度的方向辐射温度，对观测方位角从0-360°，观测天顶角20-90°这个范围内的方向辐射温度进行积分求得第二立体角积分温度T₂(Ω₂)，Ω₂为观测方位角从0-360°，观测天顶角为20-90°的范围；

第四步、城市完全表面温度估算——具体如下：(1)、由航线策略1得到的天顶角在45～60°，方位角垂直于太阳主平面的方向辐射温度就是逼近完全表面温度T_c的最优遥感观测视角下的温度值T_ova；(2)、由航线策略2得到的第一立体角积分温度T₁(Ω₁)代替完全表面温度T_c用于城市热环境的研究；(3)、由航线策略3得到的第二立体角积分温度T₂(Ω₂)代替完全表面温度T_c用于城市热环境的研究；进行城市热环境研究时，首先考虑使用第一立体角积分温度T₁(Ω₁)替代完全表面温度T_c，在第一立体角积分温度T₁(Ω₁)无法获得时，考虑使用第二立体角积分温度T₂(Ω₂)代替完全表面温度T_c，在第一、第二立体角积分温度均无法获得时，最优遥感观测视角下的温度值T_ova代替完全表面温度T_c。

为了解决以上技术问题，本发明还具有以下进一步的特征：

1、所述第一步中，航线策略3获得的方向辐射温度数量不低于10。

2、根据权利要求1所述的城市完全表面温度的航空遥感估算方法，其特征在于：所述第三步中，第一立体角积分温度的求算公式如下：

其中，N₁是Ω₁范围内方向辐射温度的数量。

3、所述第三步中，借助Vinnikov的热红外核驱动模型获取上半球所有角度的方向辐射温度，公式如下：

Φ(θ)＝1-cos(θ)

其中，θ为观测天顶角，θ_i代表太阳天顶角，代表传感器与太阳的相对方位角，T₀是天顶方向辐射温度，Φ(·)和Ψ(·)分别为散射核函数和太阳核函数，A和D分别是散射核函数与太阳核函数的系数。

4、所述第三步中，第二立体角积分温度的求算公式如下：

其中，N₂是Ω₂范围内方向辐射温度的数量。

本发明的有益效果如下：

1)、本发明针对城市方向辐射温度和完全表面温度的特点，分析了不同方向辐射温度、不同立体角积分温度与完全表面温度的关系，提出了航空遥感城市下垫面温度测量方法，简单而有效地估算城市完全表面温度。

2)、本发明所获城市完全表面温度可服务于城市下垫面-大气能量交收支估计,用于提高热岛强度估计精度，显热通量估计精度以及城区空气温度估计精度等，促进并支撑城市热环境遥感的定量化水平的提升。

3)、本发明方法适应性强，经实践证明，使用本发明方法可以精确的估算城市完全表面温度，能够满足实际生产的需要，相比传统的完全表面温度测量方法具有更强实用性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明方法流程图。

图2为立体角方向辐射温度与积分区域关系示意图。

图3为本发明航测飞机飞行航线。

图4为研究对象热红外图像示例图(天顶方向)。

具体实施方式

下面根据附图详细阐述本发明，使本发明的技术路线和操作步骤更加清晰。

使用机载热红外成像相机FLIR禅思XT(其参数如表1所示)对研究区按预定航线进行航拍，得到热红外图像(示例如图4)，热红外图像信息包括位置和温度信息。

表1热红外成像相机FLIR禅思XT参数

结合流程图(图1)，具体说明本发明实施过程，本发明的技术方案包括以下步骤：

第一步、根据目的地确定飞行航线——在确定研究目的地位置和飞行时刻基础上规划航飞路线，具体包括三个航线策略(如图3所示)；航线策略1：在实验时刻，按预定飞行高度，飞机垂直于太阳主平面的方向飞行飞过研究区正上方，热红外传感器的观测天顶角在45～60°，方位角与飞机前进方向一致；航线策略2：飞机在一定高度，以研究区为中心环绕飞行，传感器始终朝向研究区，且该状态下热红外传感器的观测天顶角为60°；航线策略3：分别按S-N，NW-SE，E-W，SW-NE四个航向飞行飞过研究区上空，且研究区的中心靠近飞行路线，该过程中热红外传感器的观测天顶角在-60～60°变化，使得获得的方向辐射温度尽可能均匀的分布在上半球空间。

第二步、按照预定航线进行飞行实验，热红外传感器获得地表热红外图像，所述，地表热红外图像包括温度信息和位置信息。

第三步、热红外图像预处理，由热红外图像属性的位置坐标信息与研究区中心位置坐标，计算图像拍摄瞬时的天顶角度及方位角度，选定研究区域的热红外图像像元计算该观测位置下的方向辐射温度。由方向辐射温度数据集，对应三种航线策略分别得到最优遥感观测视角下的温度值T_ova，第一立体角积分温度T₁(Ω₁)和第二立体角积分温度T₂(Ω₂)。其中，T_ova取航线策略1得到的天顶角在45～60°，方位角垂直于太阳主平面的方向辐射温度T₁(Ω₁)是航线策略2得到的所有方向辐射温度中，对观测方位角从0-360°，观测天顶角为60°这个范围内的方向辐射温度进行积分求得的；T₂(Ω₂)是从航线策略3得到的所有方向辐射温度中选取3～5个其观测位置在空间上分布较均匀的值，借助Vinnikov的热红外核驱动模型重建上半球所有角度的方向辐射温度，对观测方位角从0-360°，观测天顶角20-90°这个范围内的方向辐射温度进行积分求得的。如图2所示，θ为观测天顶角，为观测方位角，Ω为积分区域，为方向辐射温度，图中Ω区域的立体角积分温度就是该范围内所有方向辐射温度的求和平均值。

第四步，由技术方案第三步得到的T_ova，T₁(Ω₁)和T₂(Ω₂)即为遥感估算的城市完全表面温度值，用于城市热岛的等城市热环境的研究。首先考虑使用第一立体角积分温度T₁(Ω₁)替代完全表面温度T_c，在第一立体角积分温度T₁(Ω₁)无法获得时，考虑使用第二立体角积分温度T₂(Ω₂)代替完全表面温度T_c，在第一、第二立体角积分温度均无法获得时，最优遥感观测视角下的温度值T_ova代替完全表面温度T_c。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。