基于Landsat數(shù)據(jù)的三亞市陸表溫度反演數(shù)據(jù)集

谷艷春，胡蝶，張穎，張琳琳

1.福州大學(xué)福建省空間信息工程研究中心，福州 350000

2.海南省地球觀測重點實驗室，海南三亞 572029

3.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101

4.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

引 言

陸表溫度即陸地表面溫度（Land Surface Temperature，LST）是環(huán)境監(jiān)測、氣候、水文、農(nóng)業(yè)等陸表研究分析和應(yīng)用模型創(chuàng)建中的重要輸入?yún)?shù)，也是其他很多研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)，如土壤水分監(jiān)測、地?zé)嵛恢门袆e等均離不開陸表溫度的測定[1]。反演陸表溫度一直是遙感定量化應(yīng)用的重要內(nèi)容，在具體研究中選擇最佳的陸表溫度反演算法，是提高反演精度的首要因素。

目前，針對陸表溫度反演已提出了諸多不同算法，如基于影像的反演算法[2]、單通道算法[3-4]、單窗算法[5-7]、劈窗算法[8-13]和多通道算法[14-16]。其中最常用的是由Becker等在1990年提出的劈窗算法，此算法經(jīng)諸多改進(jìn)，已廣泛應(yīng)用于NOAA系列衛(wèi)星熱紅外遙感數(shù)據(jù)。但由于陸地表面組成物質(zhì)的不均一性、復(fù)雜性以及大氣影響，遙感影像反演陸表溫度始終是一個重要而復(fù)雜的研究課題[17]。RSTAR輻射傳輸模型充分考慮到這些問題，彌補(bǔ)了長序列陸表溫度反演有較多不足之處，如大氣參數(shù)未考慮；大氣傳輸物理意義不明確；只有在晴空無云且精確估算地表發(fā)射率的情況下精度高；對NOAA系列衛(wèi)星熱紅外遙感數(shù)據(jù)效果最佳；一般的輻射傳輸方程方法參數(shù)難確定、溫度反演過程繁雜。隨著遙感衛(wèi)星數(shù)量的逐年增加，遙感影像也隨之愈加豐富，因此充分發(fā)揮遙感能夠長時間序列的溫度反演，可實現(xiàn)區(qū)域溫度監(jiān)測的優(yōu)勢。

本文利用Landsat 5和Landsat 8影像數(shù)據(jù)，基于RSTAR輻射傳輸模型計算大氣廓線，采用覃志豪[18]等提出的簡單易行且精度高的地表發(fā)射率估算方法，計算出三亞市2000年、2004年、2008年、2012年、2016年和2018年夏季(6-8月)共6景（無云或少云）陸表溫度，以便從整體監(jiān)測三亞市陸表溫度變化趨勢。

本文的研究區(qū)三亞市（18°09′34″-18°37′27″N，108°56′30″-109°48′28″E）位于海南島的最南端，東鄰陵水縣，西接樂東縣，北毗保亭縣，南臨南海。氣候?qū)儆跓釒ШＱ蠹撅L(fēng)氣候，年均氣溫25.7°C。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

本數(shù)據(jù)集構(gòu)建過程包括數(shù)據(jù)下載、計算大氣上下行輻射和大氣透過率參數(shù)、溫度反演代碼實現(xiàn)、裁剪和輸出幾個步驟，如圖1。

其中，數(shù)據(jù)處理過程中使用到的IDL是一種數(shù)據(jù)分析和圖像化應(yīng)用程序及編程語言，有靈活的數(shù)據(jù)輸入輸出、快速實現(xiàn)可視化、支持外部語言接口等優(yōu)勢，是遙感常用編程方式處理影像的最佳選擇，本數(shù)據(jù)集用到的是IDL 8.5版本。

1.1 數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)概括

Landsat系列影像數(shù)據(jù)以相對較高的空間分辨率優(yōu)勢（如Landsat 8熱紅外波段的空間分辨率為100 m），有助于提高陸表溫度反演結(jié)果的精度。1984年3月1日，USGS成功發(fā)射的Landsat 5衛(wèi)星有一個熱紅外波段Band 6（10.40 -12.5μm）；2013年2月11日，NASA成功發(fā)射的Landsat 8衛(wèi)星有兩個熱紅外波段Band 10（10.6-11.2μm）和Band 11（11.2-12.5μm），因Band 11運(yùn)行出現(xiàn)問題，故本文利用Band 10單波段反演地表溫度。本文所用Landsat系列影像數(shù)據(jù)均可在地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/search)獲取。

圖1 數(shù)據(jù)集構(gòu)建及處理流程

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 大氣剖面參數(shù)計算

大氣剖面參數(shù)計算主要是依據(jù)大氣輻射傳輸模式計算大氣上行輻射、下行輻射和大氣透過率參數(shù)，大氣傳輸模式為RSTAR輻射傳輸模式。本文根據(jù)具體影像的過境時間、中心經(jīng)緯度、所屬季度（夏季或冬季）和傳感器類型，直接在大氣校正參數(shù)計算器網(wǎng)站（https://atmcorr.gsfc.nasa.gov/）計算得到每幅影像的大氣上行輻射、下行輻射和大氣透過率參數(shù)。

1.2.2 可見光波段處理

根據(jù)Chander等研究[19]，比較來自不同傳感器圖像時，應(yīng)使用大氣表觀反射率（Top of Atmosphere Reflectance，TOA reflectance），具體做法如下：首先，消除不同太陽天頂角余弦值產(chǎn)生的誤差；其次，利用TOA reflectance補(bǔ)償光譜帶差引起的太陽輻照度的不同值；最后，用TOA reflectance校正由不同數(shù)據(jù)采集時間導(dǎo)致的日地距離的變化。該過程的關(guān)鍵代碼（圖2）是在IDL 8.5中通過代碼完成的。

圖2 可見光波段處理關(guān)鍵代碼

1.2.3 地表發(fā)射率計算

基于覃志豪[18]等提出的地表發(fā)射率反演算法，對水體掩膜后，將地表分為自然（植被+裸土）和城鎮(zhèn)（植被+建筑表面）兩類。算法主要有三步：首先，計算植被覆蓋度；其次，城市表面可以看作是由不同比例的植被和建筑物組成，自然表面可以看作是由不同比例的植被和裸露土壤組成；最后，生成整個研究區(qū)影像的地表發(fā)射率圖。該過程的關(guān)鍵代碼如圖3所示。

圖3 計算地表發(fā)射率關(guān)鍵代碼

1.2.4 陸表溫度反演

本小節(jié)主要分為三步：首先，將大氣剖面參數(shù)計算得到的大氣上行輻射、下行輻射和大氣透過率參數(shù)輸入圖4所示的代碼里；其次，根據(jù)可見光波段處理、地表發(fā)射率計算的數(shù)據(jù)計算得到反演的溫度圖；最后選擇溫度反演結(jié)果的存儲位置。該過程的關(guān)鍵代碼如圖4所示。

圖4 陸表溫度反演關(guān)鍵代碼

2 數(shù)據(jù)樣本描述

在多種陸表溫度反演算法中選擇輻射傳輸方程計算方法，基于 RSTAR輻射傳輸模型計算大氣廓線，采用覃志豪[18]提出的地表發(fā)射率估算方法，計算出2000年、2004年、2008年、2012年、2016年和2018年共6景（無云或少云）三亞市陸表溫度,部分結(jié)果如圖5所示。

圖5 2018年三亞市陸表溫度反演結(jié)果

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

本數(shù)據(jù)集通過以下幾方面進(jìn)行質(zhì)量控制：

（1）數(shù)據(jù)源質(zhì)量控制。在選取Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)時，以有數(shù)據(jù)、無云或者少云、無條帶為選取標(biāo)準(zhǔn)。因為高質(zhì)量的數(shù)據(jù)源是得到高精度結(jié)果的必要條件。

（2）溫度反演結(jié)果質(zhì)量控制。本文為驗證陸表溫度產(chǎn)品精度，依據(jù)以往三亞市溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析反演得到的溫度與公布的同地同時地表溫度的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)R2為0.91，并以此作為驗證陸表溫度產(chǎn)品數(shù)據(jù)的可靠依據(jù)。

4 數(shù)據(jù)價值

本研究提出了適合于城市熱環(huán)境特征的地表溫度反演技術(shù)，為遙感服務(wù)于城市建設(shè)提供技術(shù)支持。數(shù)據(jù)成果具有很強(qiáng)的實用性、普適性，如反演產(chǎn)品可為城市生態(tài)環(huán)境研究提供數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)，無論區(qū)域大小均可適用。同時數(shù)據(jù)成果可為環(huán)保部門和城建部門開展城市熱環(huán)境變化監(jiān)測提供檢測方式，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價值和實用性。

通過遙感手段反演城市熱空間信息參量，充分發(fā)揮了遙感監(jiān)測的周期性和時效性，便于在短時間快速分析判斷城市生態(tài)環(huán)境時空演化特征。