TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 10, Octobe r 20 14, pp. 7287  ~ 729 8   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i8.597 9          7287     Re cei v ed Ma rch 1 4 , 2014;  Re vised July   14, 2014; Accepted Augu st  3, 2014   Land Surface Temperature Retrieval from the Mediu m   Resolution Spectral Imager (MERSI) Thermal Data      Hailei Liu 1,2 *, Shenglan Z h ang 1,2    1 Colle ge of Atmosph e ric Sou ndi ng, Ch eng d u  Univ ersit y   of Information T e chno log y   Che ngd u 61 02 25, Chi na;   2 Institute of Atmosph e ric Ph ysics,  Chin ese  Academ y of Sc ienc es,   Beiji ng 1 0 0 029 , China   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : liuh a il ei@c uit . edu.cn       A b st r a ct  A singl e cha n n e l la nd surfac e  temp eratur e (LST ) retrieval  alg o rith m n a m ed Sin g l e  Ch a nne l W a ter   Vapor  De pe nd ent (SCW VD)   meth od  w a s p r esente d  fo r   Medi um R e sol u tion  Sp ectral  Ima ger  (MER S I)  thermal i n frare d  ban d ab oar d  FengYun- 3A ( F Y-3A) sate llit e. W a ter Vapor  Content (W VC ) is the only in put  para m eter in the al gorith m   a ssumi n g  the surface e m iss i vi ty is k now n. NCEP rean alysi s mont hly  me a n   datasets  are  u s ed to  d e vel o p  the S C W V alg o rith m. So m e  te sts, i n cl ud i n g  gl o bal  n u mer i cal  si mu lat i on s   and  val i dati o n s  w i th both  in -situ  meas ure m e n ts  a nd M O DIS LST  pro duct at  Lake   T ahoe,  USA,  w e re   carried  out to  eval uate th e a l gorit hm perfor m a n ce. C o mp ared w i th  NCE P data  an d U. S. standar mi d - latitud e  su mme r atmosp here   mo de l, the r e tri e ved  LST   fro m  si mul a ted  ME RSI brig htness  temper ature w i th  MODT RAN ha d a RMSE ab o u t 0.8 K. In the valid atio n,  MERSI Level 2 w a ter vapor pro d u c t w a s employ ed,   and the MER S I band e m iss i vity w a s evaluated us i ng th e MODIS band 31 an d 32 emissivity w i th  a n   empiric a l expr essio n . T he results show  that the  di ffere nce  betw e e n  th e r e trieve d MERS I LST  a n d  the   in- situ me asur e m ents is less tha n  1 K in most situatio ns. T he comparis on w i th  the MODIS LST  products (V5 )   show s that the RMSE  is abo ut 2.3 K.    Ke y w ords MERSI, land surf ace te mper atur e, w a ter vapor content, sin g le  chan nel; b and  emissivity     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Medium  Re solution Spe c tral Image r (M ERSI)  is on e  of the 11 instrument s abo ard FY- 3 A   sp ac ec r a ft which i s  th e first satellite of the se cond gene ration of Chine s e polar-orbiting   meteorological satellites l aunched on  27 May 2008.   MERSI is  a multispectral and medium- resolution sp ectral imager.  It has 20 cha nnels, of  which there are fo ur VIS and one TIR chann e l with a high sp atial resolution of 250 m, which enabl es i m aging of the Earth with high resolution  in   natural color  during the da y and high re solution TIR imaging durin g the night [1 , 2]. T h e s e   da ta   improve   ou r unde rsta ndin g s of  glob al dynamics an d processe occurrin on  the  land, oce ans,  and  in  the  lower  atmos p here. Det a ils  about  some  spect r al p r op ert i es of  ME RS I  are list ed in  Table 1.  LST is a key para m eter of the surfa c e p h ysic al pro c e s ses on regio nal and glob a l  scale s.   It plays an importa nt role  in many app lication s   such  as ag riculture, geoscie n ces, clim ate a n d   other environ mental  studi e s  [3 -5 ]. Depe nding  on  the   regio n   whe r e  land   surfa c e  processe a r monitored, hi gher  spatial a nd tempo r al resol u tion s are need ed, wh ich can be off e red by FY-3 MERSI. However, like th e  Land sat mi ssion s , on of  the main li mitations of  MERSI thermal  informatio n is the presen ce of only o n e  cha nnel  i n  t he TIR  sp ect r al regio n . It can not u s e t h e   split-wind o techni que, th e multi-cha n nel meth od  o r  the m u lti-a ngle m e thod,  whi c h m a ke s it  more difficult to perform LST retrieval.   Several atte mpts have  b een d one to  perfo rm LST  retrieval fo r the La nd sat 5  TM and   Land sat 7 ETM+ TIR b a n d  [6-8], but few have b e e n  repo rted fo r MERSI data. What is m o re,  most of  tho s e previo us method s req u ire  i n fo rm ation fro m  atm o sp heri c   ra di oso undi ngs t o   perfo rm atm o sp heri c  correction for LS T retrie val. Qin et al. developed a m ono-win d o w  LST  retrieval  algo rithm for  Lan dsat TM 6 da ta usin g gro und emi s sivity, atmosphe ric tran smittan c e   and effe ctive mean  atmo sph e ri c temp eratu r e a s  i n put pa ramete rs [9]. In th e  mono -wi ndo algorith m , the  water va po conte n t (WVC) i s  de sig n e d  as  0 to 3 g/ cm 2 , whic h limits  LST retrieval   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  728 7  – 7298   7288 whe n  the a c t ual WV C b e yond 3 g /cm 2 More over, ai r temperature s  a r e n o t ava ilable  when  o n e   wishe s  to retrieve LST over larg e are a s.  Jim ё ne z-Mu ñoz a nd Sob r ino  develope d a gene rali zed  singl e-cha n n e l method u s i ng WV C as t he only input  para m eter,  which mi nimize s the inp u t data   requi re d and  then provid es a n  ope rat i onal meth od ology to retri e ve LST fro m  the Lan dsat 5  thermal ba nd  [10, 11]. Th ey used thre e param eters ( Ψ 1,  Ψ 2  and   Ψ 3) d epen ding on WV C to  retrieve  LST.  Each  of the  p a ram e ter ha s a  relatio n ship with  WV C,  whi c ha s b e en exp r e s sed  by  statistical fits. As three mi ddle pa ram e ters  ( Ψ 1,  Ψ 2 and  Ψ 3)  hav e been  used  in the algo rithm,  more u n certai nties would  b e  introd uced  durin g fi tting the middl e pa rameter to  WV C re sp ectively.  An erro r in th e water vap o r source  coul d  lead to  anoth e r erro r in the  three pa ram e ters, which will  dram atically prop agate   to the  LST retri e vals.  T h is problem i s  com m on to  any t e ch niqu e b a sed   on a dire ct si ngle-ch ann el inversi on of the radi ation tran sferring e quati on (RTE ), in which the  final retrieval s  are ve ry se nsitive to unc ertaintie s  on the input pa ra meters [12].  In this pap er,  an advan ce d ope rative si ngle chan nel  LST retri e val algorith m  for  MERSI  TIR d a ta  wa s p r o p o s ed.  Assu ming  th at land   su rfa c e emi ssivity (LSE) is kn own, LST ca n be   retrieve d by t h is n e adva n ce d alg o rith m usi ng  WV C a s  the  onl y input pa ra meter. Comp ared  with the  p r evi ous meth od s, we  mai n ly focu se o n  i m provin g the  accu ra cy of  retrieve d LST  by   decrea s in g u n ce rtaintie s i n trodu ce d in  the three p a rameters fitting to WVC, a nd the validit y o f   this algo rithm  when the  WVC in atmosp here b e yond  3g/cm 2     Table 1. MERSI Channel  Chara c te risti c s (partial )   Chan nel  W a v e le ng th ( μ m )  Band w i dth( μ m)  Sub- poi nt    R e s o lu t i on (m NE T /  Ρ  (% )   K (300K )   Primar y  use   0.650   0.05  250  0.4  Land surface emi ssivity  4 0.865   0.05  250  0.45  11.25   2.5  250  0.5K  Land surface te mperatu r e 17 0.905   0.02   1000  0.10    W a t e r v a p o content   18  0.940   0.02   1000  0.10  19  0.980   0.02   1000  0.10      2. Theor y  an d Method olo g y   2.1. Atmosp heric Ra diati v e  Transfer   Gene rally  sp eaki ng, the  g r oun d i s  n o a bla c kbody,  thus groun d  emissivity h a s to  be   con s id ere d  fo r computin g t herm a l radia n ce  emi tted  by gro und. Al so atm o sphe re ha s imp o rt ant  effects  on th e re ceive d   radian ce  at remote  sen s o r  level. F o a pla ne-pa ra llel cl oud  fre e   atmosp he re  unde r lo cal  therm odynami c  e quilib rium , ignori ng  scattering i n flu ence, the  RTE  descri b ing  th e radiation  int ensity o b serv ed in  chan nel   i  at  ze nith a ngle  θ can  b e  form ulated   by  inclu d ing the  radia n ce emit ted by the ground, t he u p w elling  radi ation emitted by  the atmosph e re  towards the  sensor, and th e downwellin g radiatio e m itted by the atmosp here that rea c he the   Earth’s  surfa c e an d is th en refle c ted  toward s the  sen s o r . Therefore, the T O A radia n ce   Ii( θ )   measured by  the satellite  sen s o r  in  chann el  i  at t he zenith  an gle  θ  can b e  app roximat e ly  expre s sed a s  [13]:       I i ( θ )= B i (T i )= τ i ( θ ) ε i B i (T s )+I i + τ i ( θ )( 1- ε i )I i           (1)     Whe r T s  i s  the LST.  T i ( θ ),  τ i ( θ )  and   ε i ( θ )   are  th e at-sen so brightn e ss te mperature, t h e   atmosp he ric transmittance   and gro und  emissivity in cha nnel  i  at  zenith   θ .  I i  and I i   i s  t h e   atmosp he ric  path a nd d o w n w ard r adi ance, re sp ectively. To ob ta in LST, three atmo sp he ric  para m eters ( τ , I i  and I i ) an d one ba nd a v erage e m issivity should b e  determi ned.   In TIR band, the LST retrie val problem  can  be viewed  as two interd epen dent pro c e s ses:  corre c tion fo r the effects of  the atmosp h e re, an d the uncouplin g of  the surfa c e t e mpe r ature a n d   emissivity. As for MERSI TI R data, the  g eneral obj ecti ve of atmosp heri c  corre c tion alg o rithm s  is   to rem o ve th e atmo sph e ri c effe cts, e s p e cially of  wat e r vap o ab sorption. A nd t hen  an a c cu rate   estimation of  the surf ace temperatur e and emissivity  will be obtained.          Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Land Su rface  Tem perature  Retrie val fro m  the Medi um   Resolution Spectral  Im a ger… (Hailei Liu)  7289 2.2. The simplification of Planck's Fu nction    In orde r to derive  T from  Equation (1 ), it is cruci a l to simplify the Planck' s functio n   esp e ci ally for the  singl chann el meth od a nd  split -wind o w alg o rithm [14, 1 5 ]. According  to  Qin  [9], there i s  an a p p r oxi m ate line a rit y  bet we en  LST an d Pl anck’ s radia n ce  in 1 1 .2 5 μ m.  Therefore the simplifi c ati on of Planck’ s functi o n  ca n be expre ssed as follo ws:     B   ( T )   =   a   +   b T              (2)     Whe r e  a, b  is the  reg r e ssi on  coeffici ent s, an ca n  be  assig ned  -2 3 . 87, 0.109 resp ectively  with   a RMSE of 0.06, Whe n   T  is in the ran g e  of 260~3 00K   2.3. The Deri v a tion of Sin g le Chann e l Algorithm fo r MERSI Data  The derivatio of singl e ch annel   alg o rith is  ba se d o n  radian ce  transfe (1 ). Accordin g   to the simplification of pla n k  functio n  me ntioned a bov e, the (1) can  be rewritten  as:     a + b*T i  = ε i   τ i (a+ b *T s )+  I i   + τ i ( θ )(1 - ε i )I i           (3)     Solving for Ts, we obtain th e algorith m  for LS T retri e va l from MERSI TIR data as f o llows:     Error!        ( 4 )     Equation (5) i s  re written in  (6) fo r simplifi c ation     T s   = A T i   +   B              (5)     Whe r e,  Error! Error! Wate r vapor i s  the major a b so rbe r  in the TI R, and WVC in the atmosp he re varies b o th   spatially and  temporally, its effect on  transmi ss io n in the TIR can al so vary [16]. So it is  importa nt for  the algo rithm  to use water vapor  as  an  input vari able  to improve t he a c curacy  of  the LST  retrieval [17]. As  sho w n i n   Figure 1,  co efficients ( A  and   B ) h a v e a qu ad ra tic  depe nden ce   on WV C ( w respe c tively. Thus, th e rel a tionship b e twee n coeffici ents  ( A B ) a n WVC can  be expre s sed  a s   A= a1*w2+ a 2*w+a3                                             (6a )      B=  b1*w2+ b 2*w+b3                                           (6b )            Figure 1.   Rel a tionship bet wee n  the Two Coeffici ents (A, B) and WVC    0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 2 4 6 8 C oef f i c i ent  A W a t e r (g / c m 2 ) C oef f i c i ent  A  and  B  v s .  w a t e r  v a por 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -8 00 -6 00 -4 00 -2 00 0 C oef f i c i ent  B Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  728 7  – 7298   7290 Combi n ing  (6 a) and  (6b )  wi th (5) results i n  a new relati on to be deriv ed between  Ts Ti  and  w :     T s  = (a1* w 2 +a 2*w+a3 )Ti +  b1*w 2 +b2 * w+b3         (7)     Usi ng a n onl inear  reg r e ssion techniqu e, six co efficients  a i  an b i   (i=1,2,3)  can be  determi ned from (7 ). In the next se ctio n, we  will a d d re ss th e pro g re ss fo r det ermin a tion of  th e   regres s i on coeffic i ents  in details .      2.4. Dete rm ination of  the  SCWVD  Co efficie n ts   Global -ba s e d  simulation  d a taset s , inclu d ing atmo sph e ric  pro le s, surfa c e tem p eratu r e,  and surfa c e e m issivity, were use d  to develop SCWVD algorithm.    The atmo sp h e ric pro l e (geo potential  height, air tempe r ature, and h u midity) were   derived  from  monthly m ean p r o d u c ts (2.5 g r id-point spa c in g) fro m  NCEP climate  data   assimilation  system (CDAS )  rea nalysi s  p r oje c t [18 ]. We sele cted  46 7 pixels u n ifo r mly over lan d   on glob al sca l es in Janu ary and July fro m  2000 to 20 07 (see Fig u re 2(a )). Th us,  there a r e 74 72   sampl e s in e i ght years. T hen we  ca rri ed out  clou d  detection s o v er the 7472  sample s u s i n g   MODIS mont hly fraction p r odu cts [19] b y  setting a cr i t erion a s  0.3.  If the cloud fraction in  a pi xe wa s la rge r  th an 0.3, it  was co nsi dered  a s   clou conta m inated,  and  the pixel  wa s eli m inated.   At  last, 6757  sa mples  und er  clou d cle a condition s were sele cted. A s  sh own in F i gure  2(b ) , 4 2 7   pixels were  retained after  clou d dete c tion in Ja nua ry 2001.   In orde r to en large th e validity of calcul a t ed co efficien ts, we did th e  following thi n gs: (1 LST wa s pro v ided by addi ng -6, -3, 0, 3 and 6K to  the su rfa c e ai r tempe r ature  of each p r ofi l e.  (2)  LSE wa set from  0.90  to 1.00 with  0.01 interval s increa se. (3 ) The view  ze nith angle  wa set to  be  the  value s : 0 ° , 1 5 ° a n d  30 °. (4) T h e  surfa c e elevatio n a t  each  pixel  wa s ta ken  from  USGS (U.S.  Geolo g ical Survey) GT OPO30, and  the  satellite altitude is a s sum ed to be 705  km.   At last, 1,114,905 (6 757 ×5 ×11 × 3 )  pai rs  of LST and  the at-sen so r brightn e ss te mperature s  f o the MERSI T I R ba nd s a r e  gen erate d  from the  ra di at ive tran sfer calcul ation s  (MODT R A N  4 . 0).   The d a tasets we re  split i n to a trai nin g  data s et u s ed for  cal c ul ating coeffici ents  (78 0 ,43 4   pattern s)  and  an ind epen d ent test set u s ed to  ev alua te its pe rform ance (3 34,47 1 pattern s). T he  SCWV D coef ficients  we re  calculated  b y  a leas t sq uare m e thod.  Table 2  sho w s th e deriv ed   coeffici ents.  The  RMSE for ea ch S C WVD equ ation  r ang es f r om  0.81K to 0.91 K at the different   emissivity (0.90 to 1.00).            (a)       (b)     Figure 2. (a)  Global di strib u tion of the 467 pixels ; (b Global di strib u tion of retain ed 427 pixel s   after clou d de tection in Jan uary 200 1           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Land Su rface  Tem perature  Retrie val fro m  the Medi um   Resolution Spectral  Im a ger… (Hailei Liu)  7291 Table 2.  Coe fficients an d RMSE (in Kel v in ) of Equation (7 ) for ME RSI TIR Cha nnel   Emissi v i t y   a1  a2  a2  b1   b2   b3   RMSE (in K )   1.0000  0.014139   0.023359 1.0284 -4.1175   -5.4869 -5.4909 0.81  0.9900  0.015181   0.02238   1.0331 -4.4023   -5.3201 -6.1495 0.83  0.9800  0.016371   0.02088   1.0371 -4.7394   -4.9526 -6.6638 0.86  0.9700  0.016847   0.02063   1.0418 -4.8643   -4.9873 -7.3307 0.88  0.9600  0.016545   0.02212   1.0454 -4.788   -5.4445 -7.7097 0.89  0.9500  0.013779   0.02618   1.0497 -4.006   -6.6615 -8.2341 0.88  0.9400  0.012322   0.02883   1.0553 -3.5843   -7.5506 -9.0678 0.88  0.9300  0.008616   0.03033   1.0612 -2.5221   -8.1346 -9.9687 0.91  0.9200   0.002974  0.03149   1.0676 -0.88283  -8.7275 -10.964 0.87  0.9100  0.001608   0.02303   1.0742 -0.057323 -6.5891 -12.084 0.84      2.5. Sensitiv e Analy s is   Provided t hat  gro und  emi s sivity is  kno w n,  the  SCWVD  algo rith m for ME RSI req u ire s   WVC a s  the only one pa ra meter. Sensiti v ity and erro analysi s  in term of the unce r tainty of WVC  in the atmosp here a r e p r e s ented in this  se ction.   The sen s itivity analysis  of retrieve d LST  wa s ca rri ed  out with the  chang e of WV C in the  stand ard atm o sp here (Mid -latitude sum m er atmo sph e re, WV C =  2.92 g/cm2 )   simulate d wit h   MODT RA N 4 . 0. As sh own  in Figu re 3, th e LST er ro r li nearly in crea se s with th WVC e r ror  rising  in all ca se s,   esp e ci ally  wh en t he  WVC  is sm alle r tha n  the truth va lue. Wh en e m issivity is lo w,  the increa sin g  of LST e r ror i s  mu ch  slo w er. T he  maximum e r ror d oes not  excee d  0.8  whateve r  the  emissivity when  the erro r on WVC i s  less than 0. 5 g/cm2. In this ca se, the   maximum  error  obtaine depe nd s mo re on  the  em issivity. If on e con s ide r only the  ca ses  emissivity larger th an 0.9 5 ,  the maximu m error  on th e retri e ved te mperature  do es n o t exce e d   0.6 K when th e error on  W is less than 0. 5 g/cm2.  As a  con c lu sion, the se nsitivity of the SCWV D   method to errors o n  SCWV D increa se s for greater  WVC and lo we r emissivity.         Figure 3.   Rel a tionship s  be tween the retrieved LST  error and  WVC  error at given  different  emissivity    2.6. Land Surfac e Emissiv i t y  and Water Vapor Co nten 2.6.1. Land Surfac e Emissiv i t y   It is very  ch allengin g  to  accurately e s timate lan d   su rface  emi s sivity (LSE) at th e glo b a l   scale.  F o r water su rface whi c i s  com parativ ely h o m ogen eou s,  a con s tant e m issivity  can  be   assume d; for land  surfa c e, the LSE  dynamics  ha ve wid e ra n ge a nd  ca vary over sh ort  distan ce. S e veral  metho d s have  bee reporte on th e ba si s of  eit her the  norm a lize d  differe nce  vegetation in dex (NDVI) o r  the lan d  cover in fo rmatio n [20-2 4 ]. Re d and  NIR  ch annel s of ME RSI   in Table 1 ca n be used to derive NDVI for cal c ul ating  LSE.  In this resea r ch,  an e m p i rical  expressi on  wa s b u ilt to evaluate the ME RSI band   emissivity usi ng the  MO DI S band  31  a nd 3 2  e m issi vity. Figure 4 ( a) give s ME RSI an d MO DIS  -1 . 5 -1 -0 . 5 0 0. 5 1 1. 5 -2 -1 . 5 -1 -0 . 5 0 0. 5 1 1. 5 W a t e r  v a por  c o n t en t   e r r o r ( g/ cm 2 ) LST  e r ror  ( K )     Em= 0 .9 2 Em= 0 .9 4 Em= 0 .9 6 Em= 0 .9 8 Em= 1 .0 0 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  728 7  – 7298   7292 thermal i n fra r ed ba nd spe c tral re sp on se s fun c tion. M E RSI thermal  band i s  lo cat ed in the  regi on   8~1 4 μ m [25,  26]. It is possible to  estim a te the MERSI band emi s sivity using  MODIS ba nd  31   and 32 e m issivity due to th e lowe r emi s sivity values  variation in 8 - 14 μ m. In ord e r to analy z the   relation shi p   betwe en th e  MERSI a n d  MO DIS th ermal  infra r e d  ba nd  emi ssivity. Surfa c e   emissivity  was provid ed by  usi ng 55   materi als  (water,  snow/i ce, veg e tatio n , and  soil,  etc.)  selected f r om a spectral  library (http://speclib .jpl.nasa.gov/) [27]. Then, the band  average   emissivity  wa s cal c ulated  usin the  sel e cted  JPL  e m issivity spe c tra  co nvolve d with th e M E RSI  and  MO DIS respon se  fun c tion. Fi gure  4(b)  sh ow the relation ship b e twe en  MERSI thermal   band emi s si vity and the average  e m issivity  of MODIS ban d  31 and b a nd 32. The  fina expre ssi on for MERSI LSE is given by:  ε mersi = 0.791( ε m odi s31+ ε mo dis32 ) +0.2 04. In our  validation, we will  use the MO DIS Land emi s sivity product  (M OD11_L2) to derive MERSI  emissivity maps for the LS T retrieval.           Figure 4. (a)  Therm a l ban d respon se fu ncti on s for M E RSI and M O DIS; (b)  Rel a tionship  betwe en ME RSI Therm a l band emi s sivity and the  averag e emi ssi vity of MODIS band 31 an band 3 2       2.6.2. Water Vapor Con t e n As sho w n i n   Table  1, ME RSI ha s thre e chann els which  ca n b e  u s ed  to e s tima te WVC,  inclu d ing st ro ng wate r vap o r ab sorption  line at 0.940 μ m, weak  wa ter vapor ab sorption lin e at  0.905 μ m a n d  atmosp he ric wind ow at 0 . 980 μ m. The  WVC  can  b e  derive d  u s i ng the reflect ed  sola r ra dian ce mea s ureme n t [28, 29]. In  this re sea r ch , the MERSI L2 PWV prod uct is u s e d . The  details of the  MERSI L2 PWV algorith m  can be fo und in [30]. The metho d  adopte d  here  for   PWV retri e val is based on the ra tio of  reflected solar radi ance  detected by  satellite between   water vap o absorptio n chann els an d  atmosph e ri c windo w ch a nnel s. By e m ploying cha nnel  ratios, the  a e ro sol extin c tion distri buti on an d t he  variation effe ct of su rfa c e  reflecta nce  are   partially  remo ved, and  the  atmosp he ric tran smi ttan c of wate r vap o r   chan nel s i s   approximatel obtaine d. Th e PWV is de rived from th e atmo sphe ri c tran smittan c e ba se d on  a Loo k up T able  whi c h is  pre - cal c ul ated u s ing a  radi ation tran sfer model.  The sen s itivities of  atmosp he ri transmissio in ea ch  NI water vap o cha nnel of  MERSI to th e total p e rce p tible  water v apor  are  also  simulated. The result indi cates t hat  FY-3A/M E RSI has and good  ability in detecting  NIR  water va por,  and can d e m onst r ate fin e  cha r a c teri st ic of PWV spatial dist ribu tions  with 20 relative e r ror  to the  sou ndi ng. Th ey hav e a s sesse d  t he P W V L2   WVC a c cura cy, the  retri e ved   WVC from  M E RSI NIR a r e comp are d   with the  g r ou nd b a sed  so undin g  d a ta.  Over  clo ud f r ee  area, the r e is  a good a g re e m ent betwe e n  them in  vari ation trend a n d  spatial di stri bution.        3. Results a nd Discu ssi on   3.1. Numeric a l Tests o f  the Algorith m   3.1.1. Standa rd atmosp he re Simulation Resul t s   In this secti on, we  appl y the SCWVD algo rith m to retri e ve LST to e v aluate its  perfo rman ce.  The  be st way to validat e an  algo rith m is to  com pare  the i n -situ gro und  truth   8 9 10 11 12 13 14 15 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1 W a v e l e ngt h( m) R e l a ti v e  s p e c tr a l  r e s p o n s e     (a ) M E RS I  ban 5 M O DI S  ban d 3 1 M O DI S  ban d32 0. 9 6 0. 9 6 5 0. 97 0. 97 5 0. 9 8 0. 9 8 5 0. 9 9 0. 995 1 0. 96 0. 9 6 5 0. 97 0. 9 7 5 0. 98 0. 9 8 5 0. 99 0. 9 9 5 1 A v e r ag e em i s s i v i t y  of  M O D I S  ba nd  31 a nd  32 E m i s s i v i t y  of  M E RS I  ba nd 5 y = 0 . 79 1x + 0 . 2 0 4 R= 0 . 9 1 6 (b ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Land Su rface  Tem perature  Retrie val fro m  the Medi um   Resolution Spectral  Im a ger… (Hailei Liu)  7293 measurement s of  LST  with  the  retri e ved  one.  Howev e r, thi s  i s   not  feasi b le, fo it is  extremel difficult to obtain the in-situ  groun d truth  meas urement s whi c h m u st  be com para b le to the pixel  size of MERSI data at the  satellite pass. A practi cal way is to use the simul a ted  data generat ed  by atmosph e ric simul a tion  prog ram s  such  as LO WT RAN, MODT RAN or RTTO V [31].  The sim u latio n  with the mid-latitude  su mme r atmo sphere wa s carri ed out to test our  algorith m . MODT RAN 4.0  was  used in  the cal c ulat i on. Detaile d results a r e li sted in Ta ble  3,  whe n  the  WVC in mid - la titude sum m e r atmo sp here  is 2.9 2  g/cm2. The results indi cate  the  algorith m  is a b le to provide  a quite accu rate es tim a tio n  of LST, with the differen c e bet wee n  the   assume d LS T and th e retrieved le ss tha n  0.5 K in  mo st case s. It is  encouragin g  that the result  is  good at several different e m issivity.      Table 3. Valid ation of SCWVD Algorithm   for the Mid-la titude Summer Atmosphe re   Emi s s i v i ty R  Tb   Ts _truth Ts _truth- T b L STSCW V D T s _ truth-  LSTSC W VD  (Erro r)   1.00 7.865503   288.4949   295.00   6.5051   294.5252   0.4748   0.98 7.771243   287.7112   295.00   7.2888   294.5644   0.4356   0.96 7.676987   286.9221   295.00   8.0779   294.5562   0.4438   0.94 7.582730   286.1276   295.00   8.8724   294.5204   0.4796   0.92 7.488467   285.3274   295.00   9.6726   294.3825   0.6175       3.1.2. NCEP/CDAS Re ana l y s is Simulation Results   Global -ba s e d   simul a tion datasets as mentione d in  se ction  2.4  we re  used  to test  SCWV D algo rithm. Figure 5(a )  depi cts t he diffe ren c e  betwee n  LST retrieved u s ing the SCWV method an d  LST get from global a s simil a tion data.  Figure 5 ( b )  re prese n ts the rel a tions b e twe e n   the erro rs of  retrieve d LST  usi ng th e S C WV D m e th od a nd  WVC.  As  sho w n  in  Figu re  5(b ) the   absolute erro rs of ret r ieve d LST in glo bal are a  are mainly con c e n trated in the  rang e of±1.5 K,  with a  RMSE  of 0.87K. We  also fo und th at the retri e val errors  are  mainly locate d in the  ran g e  of  ±1K, wh en  WVC i s  less than 1.5g/cm2. Ho weve r, Whe n  WV C is la rge r  than 3g/ cm2,  the  retrieval errors  c a n reac h up to 2K.              Figure 5. (a)  Relatio n ship betwe en the truth  LST (NCEP) and the retrieved LST  by SCWVD  method. (b ) Relation ship b e twee n LST error an d WV     3.2. Tests  Us ing In-situ M easur e ments in Lake Ta hoe and MO DIS Product  The o b je ctive of the prese n t wo rk i s  to  esti mate th LST from th e  se con d  ge ne ration  of  China's polar-orbiting  met eorol ogi cal satellite  FY -3A MERSI observation  ov er the  cloud-free   area.  The T O A brightness tem peratures  are di rectl y  extracted f r om  the ME RSI L1B  satellite  data. The L SE map wa s de rived fro m  the MO DIS LSE prod uct a c cordi n g to the met hod   motioned a b o v e. The WVC are obtain e d  from MERSI L2 total perceptible water  prod uct, whi c can be  accessed from  FE NGYUN  S a tellite Data  Center (http://fy3. satellite.cm a.gov.cn/). FY -3 A   200 22 0 240 260 280 300 320 20 0 22 0 24 0 26 0 28 0 30 0 32 0 Tr ut h L S T LS T  r e t r i v ed by S B W V D  m e t h o d (a ) 0 1 2 3 4 5 6 -2. 5 -2 -1. 5 -1 -0. 5 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 W a te r v a p o r c o n t e n t e rro r(g / c m 2 ) L S T  e rro r  (K ) (b ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  728 7  – 7298   7294 MERSI Level  2 wate r vap o r pro duct i s  u s ed a s   the in p u t paramete r   for the SCWV D meth od, an d   a 2-D d a ta in terpolatio n proce dure is a pplied in  o r d e r to match t he MERSI L1 B data in spa t ia resolution.   In orde r to validate our p r e s ente d  algo rithm, the Lake  Tahoe,  CA / N V ,   US A ,   is  sele cte d   as the  study  area.  NASA sci entist s  selected Lake   Tahoe  as  a validation sit e  just before the  Terra  satellit e was launched in 1 999 on a 15-year  missi on to  st udy Earth's environm ent [32].  Equippe with a  suite  of in strum ents tha t  con s t antly  monitor the l a ke  enviro n me nt, the rafts a n d   buoys  provid e inform ation  that help s  m a ke  su re  th at Earth-ob serv ing satellites  are  getting th eir  temperature  measurement s right.  Me asurem ents  at  t he  site a r made f r om f our  pe rman e n tly  moored bu oys on the la ke , referred to  as TB1, TB 2,  TB3, and TB 4.  Each bu o y  has a  cu sto m - built radiom e t er that measures the  ski n tem peratu r e and seve ral temperatu r e se nsors that  measure the bulk  wat e r tempe r at ure. The  a u tomated va lidation site,  whe r e g r o und  measurement s of  la ke  skin  tempe r atu r have  b een   m ade on a nea r contin uou s basi s  (eve ry 2  min) si nce 1 999 an d use d  to calibrate  and vali date  TIR data an d prod uct s  from airb orn e  and   satellite in stru ments, incl udi ng the ASTER, MO DIS, Land sat 5 TM, the Land sat 7 TM and AT SR  [32-37]. Figu re 6 gives the  curre n t locati on of the mea s ureme n t site s on a map.    As SCWV D a l gorithm  is de veloped  for cl oud  cle a r co n d itions, clo u d   dete c tion sh ould be   done  first. In  this  se ction,  the SCWV D meth od i s  validated  using ME RSI scen es a c qui red  arou nd  La ke  Tahoe  in 2 0 0 9 . Twelve  M E RSI and M O DIS sce n e s  we re  sele ct ed from  June  to   Octob e r. Ta b l e 4 give s th e Data  acqui sition d e tails  of the vario u s  daytime M E RSI and M O DIS  scene s.  T he differen c e   of MERSI  an d MODIS over pass tim e   was  within  30   minutes in  m o st  ca se s. Ta kin g  into a c cou n t the la ke  surface i s  rela tively uniform , LST ch ang es  cau s e d  by  the   time differen c e is n egligibl e . The MO DIS LST pro d u c ts have be en v a lidated  withi n  1K in multip le   validation  sites i n  relative ly wide  ra ng es  of  surfa c e an d atmo spheri c   co nditi ons.  We  test ed   SCWV D algo rithm g in more than 10 cle a r-sky ca se s according to  comp are the MERSI retrie ved  LST with in-si t u measu r em ent data and  MODIS LST prod uct.       Table 4.  Dat a  Acqui sition  Detail s of Various  Daytime Imagery of M E RSI and M O DIS   Date   Julian Da MERSI overpass time  MODIS over pass time  2009.6.9  160  18:30   19:00   2009.6.16  167  19:10   18:55   2009.6.18  169  18:30   19:00   2009.7.2  183  19:10   19:00   2009.7.4  185  18:30   18:55   2009.8.3  215  19:10   18:55   2009.8.5  217  18:30   18:55   2009.8.28  240  18:00   18:55   2009.9.13  256  18:30   19:00   2009.9.29  272  19:35   18:55   2009.10.9  282  18:10   19:30   2009.10.22  295  19:05   19:00         Figure 6.   Current Lo cation  of the Measu r ement Sites o n  the Map (from  http://lak etahoe.jpl.nas a .gov)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Land Su rface  Tem perature  Retrie val fro m  the Medi um   Resolution Spectral  Im a ger… (Hailei Liu)  7295 The differe nce of MERSI and MO DIS over pa ss time wa s within  30 minute s   in most   ca se s.   Ta kin g  into a c cou n t the la ke  surface i s  rela tively uniform , LST ch ang es  cau s e d  by  the   time differen c e is n egligibl e . The MO DIS LST pro d u c ts have be en v a lidated  withi n  1K in multip le   validation  sites i n  relative ly wide  ra ng es  of  surfa c e an d atmo spheri c   co nditi ons.  We  test ed   SCWV D algo rithm g in more than 10 cle a r-sky ca se s according to  comp are the MERSI retrie ved  LST with in-si t u measu r em ent data and  MODIS LST prod uct.         (a)     (b)     Figure 7. (a)  Retrieve d LS T using S C WVD algo ri thm from MERSI L1B data ove r  Lake Tah o e  at  03h UT C, 3 Aug. 2009;   (b )   MODIS LST prod uct ove r  Lake Taho e a t  same time       Figure 7 ( a )  d epict s the  surface te mpe r at ure  dist ributio n retrieved  by  SCWVD  met hod fo MERSI scen acq u ire d  around 0 3h UT C on 3 Aug u s t 2009. Fig u r e 7(b) give t he MO DIS LST   prod uct  (p ro vided by  NA SA) aroun Lake T ahoe.   Obviou sly, t he  su rface t e mpe r atures in  Qingh ai La ke ra nge i n  1 6 ~1 8  a nd  the tempe r at ure  distri buti on is quite  uniform  with  the  averag e valu e of  16.7K  whi c h i s  nea the   value  measured by  the buoy (1 7.5 C).  The   LST   arou nd  the  L a ke  Ta hoe  is obviou s ly hi gher tha n   wa ter fa ce  with t he ave r ag e v a lue  abo ut 3 0 Takin g  into  a c count th e spatial-re soluti on  differen c e  betwe en  M E RSI and  M O DIS, match - up   wa s g ene rat ed e m ployin g the  2-D i n terpol ation.  Fi gure  8 ( a )  giv e s th error  distrib u tion   map  betwe en ME RSI LST wit h  MODIS L S T prod uct.   For the  wa ter su rfa c e t e mpe r ature, the   maximum diff eren ce  is  abo ut 1.2 K, most of t he differences  are around  0. 5 K, a nd the  RMSE  is  0.35 K. The  l a rge s t temp e r ature differe nce  wa obt a i ned o u tsid e l a ke  with  an e rro r of  4.7 K. We  think the  mai n  rea s o n  may be the effe ct of spatial - resolution differe nce  and th e i m pleme n t of the  interpol ation. Figure  8(b) gi ve s the  scattering  plot of the re t r ieved MERSI  LST and  M O DIS LST   prod uct with an RMSE  of 2.3K.  The re sults  in dicate  t hat mo st of th e ret r ieved  L S Ts from ME RSI  data a r e  a litt l e hig her tha n  that from M O DIS LS T  p r odu cts  aro u n d  the l a ke. It  is  wort h n o ticing   that MERSI  LST ha s g r e a t impr ovem ent than  MO DIS in the  spatial resoluti on, for  exam ple,  MERSI can  e a sily g e t the t e mpe r ature  chang es in formation of  the  sm all  water  body n earby  the   Lake Taho e.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  728 7  – 7298   7296       Figure 8. (a)  Difference between ME RSI LST with  MODIS LST product (p rovided by NASA); (b)  Comp ari s o n  betwe en the  derived ME RSI LST and MODIS LST       The LSTs re trieved by the SCWV D algorit hm have  also bee n compa r ed wit h  in-situ   measurement s in  La ke  Ta hoe. Fig u re  9  give  the  differen c e  bet we en ME RSI, MODIS an d b u o measurement   wate r surfa c e skin  tem peratu r ove r  the  12 d a y s (4  buoy s mea s ureme n ts  averag e pe day). The  re sults indi cate t hat the  accu racy of the ret r ieved ME RSI LSTs is le ss   than 1.5K.  The MO DIS LST accuracy i s  better tha n  MERSI’s.         Figure 9.   Co mpari s o n  of the LST Error  betwe en t he  MERSI, MODIS LSTs and In-situ M e a s ured  LSTs in La ke  Tahoe       4. Conclusio n   As a new generation of polar  orbiting meteorologi cal  satellite,  FY-3 series consi s ts of  two experim e n tal and at least four op erational sate llit es, whi c h is e x pected to ha ve a service life  until 2020.  L aun che d  re spectively on  27 May 200 8  and 5  Nove mber 2 011, F Y -3A and FY -3B  are  de sign ed  with the  sam e  a ssi gnme n ts a nd  equi pp ed  with 1 1  p a y loads.  The  o n ly differen c e  is  that FY-3A is a mornin g-o b se rvation sa tellite  and FY-3B is an aft e rno o n - ob se rvation satellit e .   These two sa tellites can p r ovide glo bal  observati on  o f  the Earth L and  su rface tempe r ature  with  high spatial resol u tion (2 5 0 m) fou r  times pe r day, which i s  a gre a t improveme n t comp ari s o n  to   the current LST product s of other sate llite in the temporal and spatial.  Based  on the  uppe r ba ckg r oun d, we  de veloped a S C WV D alg o ri thm for LST  retrieval   from MERSI TIR data. The derivation o f  this algor ith m  is based o n  the thermal  radian ce tra n sfer  equatio n and  the linearization of Planck' s radia n ce  function. T o tally there are two criti c al  para m eters i n  the  algo rith m: emissivity and   WVC.  On givin g  th ose  two  pa ra meters, it  will  be  very ea sy to use thi s   alg o rithm fo r LS T estimatio n   not only from  MERSI data  but also fro m   285 290 295 300 305 31 0 315 32 0 325 285 290 295 300 305 310 315 320 325 M O DI S  LS T  P r o duc t s ( N A S A ) MER S I  L S T RM S E = 2 . 3 K 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 -1 . 5 -1 -0 . 5 0 0. 5 1 1. 5 Da y LS T  e r r o r ( K )     ME R S I MO D I S Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.