基于Landsat8/TIRS的單通道溫度反演算法對比

趙晨光

（1、東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

基于Landsat8/TIRS的單通道溫度反演算法對比

趙晨光1

（1、東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，利用遙感方法反演地表溫度的方法不斷出現(xiàn)，比如大氣校正法、單窗算法、劈窗算法等。Landsat系列衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)是地表溫度反演的主要數(shù)據(jù)之一。文章以河北省石家莊市為例，利用Landsat-8第10波段的熱紅外遙感影像（thermal infrared sensor，TIRS），分別用大氣校正法和單窗算法對石家莊市地表溫度進(jìn)行反演。通過將反演后的結(jié)果與MODIS地表溫度產(chǎn)品進(jìn)行精度驗(yàn)證與對比分析，評價(jià)大氣校正法和單窗算法的優(yōu)劣。結(jié)果表明，在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)，兩種算法反演的結(jié)果總體趨勢比較接近，輻射傳輸方程法反演結(jié)果的平均誤差0.214℃，誤差標(biāo)準(zhǔn)差1.9℃,單窗算法反演結(jié)果的平均誤差-1.90℃，誤差標(biāo)準(zhǔn)差2.62℃。大氣校正法整體精度比單窗算法要高，大氣校正法可以作為Landsat-8單通道反演石家莊市地表溫度的首選方法。

地表溫度溫度反演單通道算法 Landsat 8熱紅外遙感衛(wèi)星應(yīng)用

一、引言

陸地表面溫度（LST Land Surface Temperature）在地表與大氣能量交換中有著極其重要的作用，是區(qū)域地表過程分析和模擬的關(guān)鍵因素之一，它綜合反映了地-氣能量與物質(zhì)的交換，在氣候、水文、城市生態(tài)學(xué)和生物地球化學(xué)等許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)獲取地表溫度的做法是采用溫度計(jì)測量，但所測的結(jié)果僅僅只能代表觀測點(diǎn)的局部溫度，不能大面積監(jiān)測。但遙感方法可以提供大面積的二維陸面溫度分布信息[1]。因此利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演地表溫度，探討衛(wèi)星熱紅外通道的理論及其實(shí)際應(yīng)用方法，已經(jīng)成為遙感科學(xué)的一個(gè)重要領(lǐng)域。近年來隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是熱紅外遙感的快速發(fā)展，使得國內(nèi)外不少學(xué)者在利用遙感觀測地表熱紅外信息反演地表溫度的研究上不斷深入，取得了很多成果。在利用大氣輻射傳輸模型近似和假設(shè)的前提下，結(jié)合熱紅外遙感不同波段的光譜特性，國內(nèi)外已相繼發(fā)展了多種形式的地表溫度反演算法。目前國內(nèi)外地表溫度反演方法主要分為單通道算法、分裂窗算法、以及多通道算法三大類?；趩瓮ǖ赖姆囱菟惴ㄓ写髿庑Ｕǎ╮adiative transfer model，RTM）[2]、覃志豪等提出的單窗算法（mono-window model，MW）[3]、Jimenez-Munoz和Sobrino提出的普適性單通道算法（JM&S）[4]?；诜至汛暗挠蠵rice最早針對NOAA衛(wèi)星的第4、5通道提出的Price劈窗算法，Becker-Li在Price劈窗算法基礎(chǔ)上改進(jìn)的Becker-Li劈窗算法，Wan和Dozier將Becker-Li劈窗算法引用到MODIS傳感器并進(jìn)行改正的Wan劈窗算法，覃志豪在Wan劈窗算法基礎(chǔ)上針對NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)改進(jìn)的Qin劈窗算法（Qin split window，SW）[5]。基于多通道的算法有MODIS地表溫度產(chǎn)品所采用的多通道算法[6]。

2013年2月11日美國宇航局（NASA）發(fā)射的Landsat-8衛(wèi)星攜帶的熱紅外傳感器（thermal infrared sensor，TIRS）具有兩個(gè)熱紅外通道（波段10和波段11），長范圍分別為10.60～11.20μm和11.50～12.50μm，空間分辨率為100m[7]，與之的Landsat系列衛(wèi)星TM或ETM+傳感器相比，紅外波段由單通道變?yōu)殡p通道；與NOAA系列衛(wèi)星的AVHRR數(shù)據(jù)和MODIS數(shù)據(jù)相比，空間分辨率顯著提高；與國內(nèi)環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測衛(wèi)星HJ-1B熱紅外數(shù)據(jù)相比，波段數(shù)量增多且空間分辨率較高，因此，Landsat-8/TIRS數(shù)據(jù)源具備較高的優(yōu)勢。

當(dāng)前，利用Landsat 8衛(wèi)星的熱紅外波段數(shù)據(jù)進(jìn)行LST反演方面的研究較少。針對這一問題，故本文選擇河北省石家莊市作為研究區(qū)，基于Landsat-8/TIRS數(shù)據(jù)，用大氣校正法（radiative transfer model，RTM）、覃志豪單窗算法（mono-window model，MW）兩種地表溫度反演方法反演研究區(qū)地表溫度，并結(jié)合MODIS LST地表溫度產(chǎn)品對兩種反演方法進(jìn)行精度評價(jià)和分析，為后續(xù)Landsat-8/TIRS數(shù)據(jù)應(yīng)用于城市地表溫度反演和城市熱島遙感監(jiān)測研究提供參考和借鑒。

二、數(shù)據(jù)源與工作流程

本文使用2016年8月31日包含河北省石家莊地區(qū)的Landsat-8遙感影像，圖幅號分別為LC81240332016244和LC81240342016244。首先對兩幅影像進(jìn)行拼接、裁剪、大氣校正、輻射定標(biāo)等預(yù)處理，之后利用Landsat-8衛(wèi)星熱紅外傳感器TIRS的第10波段用于估算星上亮度溫度；陸地成像儀OLI的4、5波段數(shù)據(jù)用于生成研究區(qū)的歸一化植被指數(shù)NDVI(Normal-ized Difference Vegetation Index)，用于研究區(qū)地表比輻射率的估算。根據(jù)影像的成像時(shí)間和位置，以及當(dāng)天的天氣狀況，在NASA公布的網(wǎng)站上查詢當(dāng)天研究區(qū)內(nèi)的大氣透射率、上下行輻射、大氣平均作用溫度。

此外，本文選用MO DIS MOD11-L2地表溫度產(chǎn)品對兩種反演方法反演的地表溫度進(jìn)行對比驗(yàn)證，圖幅號為MOD11A1.A2016244.h26v05.006.2016251181854和MOD11A1.A2016244.h27v05.006.2016251181856。MODIS MOD11-L2地表溫度產(chǎn)品是根據(jù)Wan和Li[6]提出的多通道反演方法得到的，能夠同時(shí)反演地表溫度和地表比輻射率。在天氣晴朗的條件下，該溫度產(chǎn)品的誤差在1℃以下。工作流程圖如圖。

三、兩種單通道溫度反演算法及參數(shù)的求取

3.1 大氣校正法

大氣校正法是根據(jù)熱紅外輻射傳輸模型推導(dǎo)得出的，在晴空條件下不考慮多次散射，假設(shè)水平均勻大氣，對于一定的地表溫度，地表的黑體輻射為：

3.2 覃志豪單窗算法

覃志豪等學(xué)者通過大氣平均作用溫度T_a將大氣輻射簡化后，根據(jù)熱輻射傳輸方程以及一系列的假設(shè)，建立了一個(gè)適用于Landsat/TM 6的單通道地表溫度反演方法，如式所示：

3.3 地表比輻射率、大氣透過率、上下行輻射、大氣平均作用溫度、亮度溫度的計(jì)算

3.3.1 地表比輻射率的估計(jì)方法

目前求地表比輻射率的方法主要有差值法、獨(dú)立溫度光譜指數(shù)法(TISI)和NDVI閾值法(NDVITHM)等方法。本文采用的是Sobrino提出的NDVI閾值法計(jì)算地表比輻射率，即利用公式：

3.3.2 大氣透過率、上下行輻射的計(jì)算

3.3.3 大氣平均作用溫度的計(jì)算

不同層的大氣溫度往往是不可知的，覃志豪等人提出了在四種標(biāo)準(zhǔn)大氣廓線的模式下根據(jù)近地表空氣溫度來估計(jì)大氣平均作用溫度的計(jì)算模型，如表1所示。為衛(wèi)星過境時(shí)刻，研究區(qū)內(nèi)近地表氣溫。

?

3.3.4 亮度溫度的計(jì)算

想要獲得星上亮度溫度，先要對影像進(jìn)行輻射定標(biāo)，根據(jù) Landsat-8/TIRS熱紅外數(shù)據(jù)頭文件提供的信息，利用絕對定標(biāo)系數(shù)將灰度值（）圖像轉(zhuǎn)換為輻亮度圖像，星上輻亮度計(jì)算公式為：

在獲取星上輻亮度的基礎(chǔ)上，利用Plank函數(shù)反函數(shù)近似式計(jì)算亮度溫度，計(jì)算公式為：

四、精度驗(yàn)證與分析

4.1 精度驗(yàn)證

兩種方法反演得到的結(jié)果和MODIS地表溫度產(chǎn)品結(jié)果的空間分布如圖2，可以發(fā)現(xiàn)，兩種方法結(jié)果的空間分布與MODIS地表溫度產(chǎn)品有很好的一致性，而且由于Landsat-8較高的空間分辨率，反演得到的結(jié)果相較于MODIS地表溫度產(chǎn)品更加的詳細(xì)。

在研究區(qū)內(nèi)均勻選擇15個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)，利用兩種算法的反演結(jié)果減去MODIS地表溫度產(chǎn)品的結(jié)果，得出絕對誤差曲線如圖3所示。從圖中可以看出，兩種算法反演出的結(jié)果總體變化趨勢比較接近，其中大氣校正法所得結(jié)果與MODIS數(shù)據(jù)最為相近，絕對誤差較??；覃志豪單窗算法所得結(jié)果較MODIS數(shù)據(jù)偏低，絕對誤差偏大。

?

從定量方面對各算法誤差進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，如表2所示?？梢钥闯?，大氣校正法平均偏差接近0，為0.21℃。覃志豪單窗算法平均偏差較大，為-1.9℃。從標(biāo)準(zhǔn)差來看，大氣校正法標(biāo)準(zhǔn)差較小，為1.9℃，覃志豪單窗算法標(biāo)準(zhǔn)差為2.6℃。綜上訴述，兩種單通道算法中大氣校正法反演的研究區(qū)內(nèi)地表溫度精度最高。

4.2 結(jié)果分析

圖4(a)(b)反映了兩種單通道算法反演研究區(qū)地表溫度MODIS地表溫度產(chǎn)品的溫度的關(guān)系。對比各算法反演結(jié)果與MODIS數(shù)據(jù)的線性關(guān)系發(fā)現(xiàn)，大氣校正法反演結(jié)果與MODIS數(shù)據(jù)一致性較好，反演過程中，在NASA官方網(wǎng)站輸入衛(wèi)星過境時(shí)研究區(qū)位置信息、時(shí)間信息以及氣象信息等，由其計(jì)算 Landsat-8波段10的大氣上行輻射、大氣下行輻射、大氣透過率等參數(shù)，這些參數(shù)利用準(zhǔn)實(shí)時(shí)大氣廓線進(jìn)行模擬，精度較高。而覃志豪單窗算法反演值小于MODIS數(shù)據(jù)，在反演過程中使用標(biāo)準(zhǔn)大氣廓線進(jìn)行大氣平均作用溫度經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)，可能增加了該算法的誤差[8]。

五、結(jié)束語

基于2016年8月31日河北省石家莊市地區(qū)的Landsat-8/TIRS數(shù)據(jù)，別對大氣校正法、覃志豪單窗算法進(jìn)行地表溫度溫度反演參數(shù)修訂與數(shù)據(jù)處理。反演結(jié)果與MODIS地表溫度產(chǎn)品溫度數(shù)據(jù)對比分析表明：大氣校正法反演溫度與MODIS地表溫度產(chǎn)品溫度數(shù)據(jù)相近，相比較而言覃志豪單窗算法誤差較大。對于研究區(qū)內(nèi)基于Landsat-8/TIRS熱紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行的單通道溫度反演算法，大氣校正法溫度反演精度最高，效果最好。因此，基于 Landsat-8/TIRS熱紅外數(shù)據(jù)的大氣校正法可以很好的應(yīng)用于河北省石家莊市地表溫度研究中，為研究城市熱島或其它城市生態(tài)問題提供準(zhǔn)確的地表溫度數(shù)據(jù)。

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201 6-201 7年度河北省遙感技術(shù)應(yīng)用優(yōu)秀青年論文獲獎(jiǎng)名單

1、基于遙感的華北低平原區(qū)地表坑塘蓄水能力研究—以河北省南皮縣為例呂夢宇（中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心）

2、基于多時(shí)相HJ-1BCCD影像的玉米倒伏災(zāi)情遙感監(jiān)測王立志（河南理工大學(xué)） 王淼（河北省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站）

3、基于Landsat 8數(shù)據(jù)的日照地區(qū)地?zé)犷A(yù)測研究 張策（核工業(yè)航測遙感中心）

4、面向?qū)ο笥跋穹诸惻c提取法在農(nóng)作物遙感解譯中的應(yīng)用研究魏本贊（核工業(yè)航測遙感中心） 田言亮（中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所）張建永（東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院）

5、青海省瑪沁大灣地區(qū)構(gòu)造蝕變巖型銅多金屬礦遙感找礦模型及找礦預(yù)測盧輝雄（核工業(yè)航測遙感中心） 張恩（東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院)

6、基于遙感技術(shù)礦山環(huán)境恢復(fù)治理方案研究—以揚(yáng)子地臺西部地區(qū)為例吳蔚（核工業(yè)航測遙感中心）

7、針對光學(xué)遙感圖像的港口檢測算法研究 楚博策（中國電子科技集團(tuán)航天信息應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

8、河北省衛(wèi)星遙感海洋應(yīng)用平臺建設(shè) 徐雯佳（河北省遙感中心） 謝春華（國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心）