基于Landsat 8和MODIS Terra衛(wèi)星數(shù)據(jù)的多種單通道反演算法對比

趙 陽，亓進(jìn)磊，黎 慧

阜陽師范大學(xué)歷史文化與旅游學(xué)院，安徽阜陽,236037

陸地表面溫度LST(Land Surface Temperature，地表溫度)作為常見的特征物理量，在地表與大氣能量交換過程中扮演著重要角色，在城市熱環(huán)境、地表輻射能量平衡、全球氣候變化和資源環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域都有著重要的研究價值[1-3]。較為傳統(tǒng)的LST獲取的方法需要耗費(fèi)大量的人力物力，多是以點(diǎn)的數(shù)據(jù)形式對附近溫度進(jìn)行推演，如果想要得到較為準(zhǔn)確的大范圍LST數(shù)據(jù)，需要區(qū)域內(nèi)大量數(shù)據(jù)觀測點(diǎn)的支持。近幾十年間，遙感衛(wèi)星影像的分辨率和精度都得到了大幅度的提升，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓寬。熱紅外遙感探測技術(shù)的發(fā)展更是使得大區(qū)域溫度的獲取和研究區(qū)域時空變化成為了可能，通過熱紅外遙感獲取地表熱紅外波譜的輻射能量信息，根據(jù)地表不同物體反射率的差異，使用相關(guān)的遙感影像處理軟件可以快速方便的獲取其熱力學(xué)溫度，在LST反演方面發(fā)揮著重要作用[4-5]。遙感影像一般是通過無量綱的數(shù)字量化值(Digital Number，DN)記錄的，不同地物反映到遙感衛(wèi)星傳感器上的DN值有所不同。在對遙感影像數(shù)據(jù)做定量化研究時，可以通過輻射定標(biāo)實(shí)現(xiàn)DN值與輻射亮度值、比輻射率和亮度溫度等物理量的轉(zhuǎn)化。基于熱紅外遙感的LST反演與應(yīng)用取得了一系列的研究成果，并取得了很好的溫度反演效果。

目前LST的遙感反演方法有單通道算法、多通道算法、多角度算法、多時相算法和高光譜反演算法等[1]。其中較為常用的是單通道算法和多通道算法，國內(nèi)外的眾多學(xué)者也相繼提出一系列的改進(jìn)型算法，并在驗(yàn)證過程中取得了很理想的溫度反演效果。本文主要使用Landsat 8數(shù)據(jù)與MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，而美國地質(zhì)調(diào)查局USGS(United States Geological Survey)指出Landsat 8 TIRS傳感器存在一定的問題，如第11波段會出現(xiàn)定標(biāo)不穩(wěn)定等，在對其進(jìn)行定量研究時，會出現(xiàn)影像數(shù)據(jù)與真實(shí)溫度的差異，不建議使用(USGS，2014)。而分裂窗溫度反演算法過程中需要分別對兩個熱紅外影像進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正，如果使用第10、11波段進(jìn)行分裂窗算法，其反演結(jié)果誤差較大。因此，本文只利用Landsat 8第10波段熱紅外波段進(jìn)行多種單通道溫度反演，以確保溫度反演結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本文主要使用四種算法，即大氣校正法[6-8]、普適性單通道算法[9]、覃志豪單窗算法[10]和胡德勇TIRS10_SC單通道算法[3]。通過對這四種單通道反演算法的研究對比，得到較為符合本研究區(qū)的溫度反演算法，為區(qū)域內(nèi)的城市熱島、溫度時序變化研究等提供依據(jù)。工作流程如圖1所示。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)

阜陽市位于淮北平原腹地，安徽省西北部，地跨東經(jīng)115°37′58″～115°59′46″、北緯32°46′17.6″～33°02′32.5″，下轄三區(qū)四縣一市，總面積9 775 km2，2016年統(tǒng)計年鑒顯示阜陽市戶籍總?cè)丝? 061.55萬人，常住人口799.1萬人，是安徽省人口最多的地級市。由于Landsat 8 遙感影像數(shù)據(jù)過境時間與圖幅鑲嵌裁剪等出現(xiàn)的誤差，為了確保反演數(shù)據(jù)的精度與準(zhǔn)確性，本文只以阜陽市市區(qū)為研究區(qū)域，研究區(qū)內(nèi)地形平坦，地面平均標(biāo)高海拔一般為28～31 m，主要的土地利用類型為建設(shè)用地、耕地、裸地等。

1.2 數(shù)據(jù)源

自從Landsat系列衛(wèi)星上空后，在獲取免費(fèi)方便、數(shù)據(jù)持續(xù)更新時間長、中等分辨率和數(shù)據(jù)信息成熟等多方面優(yōu)勢下，使其在全球的教育教學(xué)和科研等方面取得重要地位。MODIS為低分辨率衛(wèi)星，憑借其數(shù)據(jù)獲取周期性短、獲取時間固定等優(yōu)勢，在全球大氣監(jiān)測、大范圍宏觀溫度反演等方面有著天然的優(yōu)勢。

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)及預(yù)處理

本文共使用了兩種遙感影像數(shù)據(jù)，具有相近過境時間的Landsat 8遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)和MODIS遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)(如表1)。使用的Landsat 8數(shù)據(jù)為2018年9月8日的Landsat8 OLI_RIRS C1 Level-1數(shù)據(jù)產(chǎn)品(經(jīng)過幾何校正的Landsat 8一級數(shù)據(jù)產(chǎn)品)，圖幅編號為LC81220372018251LGN00，數(shù)據(jù)條帶號為122，行編號為37，時間為當(dāng)?shù)貢r間10:48，選擇此數(shù)據(jù)的主要因素是無云層覆蓋有利于后期地表反射率的反演數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。Landsat 8上攜帶兩個傳感器，在本次研究中主要使用OLI的第3、第4、第5、第6波段數(shù)據(jù)和TIRS第10波段TIR1數(shù)據(jù)。MODIS數(shù)據(jù)主要采用的是與Landsat 8遙感數(shù)據(jù)時刻接近的MODIS Terra衛(wèi)星產(chǎn)品數(shù)據(jù)，主要使用MOD021KM產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正和大氣水汽含量以及大氣透過率的估算，數(shù)據(jù)時間為當(dāng)?shù)貢r間11:55，當(dāng)天晴朗無云且與Landsat 8數(shù)據(jù)時間相隔67分鐘，由于當(dāng)天天氣晴朗無云，可以認(rèn)為這兩個數(shù)據(jù)的水汽含量相似，為下文的大氣透過率的反演精度提供了保障。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)相關(guān)參數(shù)

本文遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是通過ENVI、ArcMap等軟件實(shí)現(xiàn)的，其中對Landsat 8的OLI傳感器波段進(jìn)行輻射定標(biāo)和FLAASH大氣校正，得到與實(shí)際地表相同的地表反射信息，然后根據(jù)校正好的遙感影像信息通過分類回歸決策樹CART(Classification And Regression Tree)對地表典型地物進(jìn)行分類，最后根據(jù)分類結(jié)果對地表比輻射率進(jìn)行估算；對第10波段TIR1數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)，然后通過普朗克函數(shù)得出其亮度溫度值。值得注意的是由于使用的是經(jīng)過幾何校正的Landsat 8一級數(shù)據(jù)產(chǎn)品，第10波段TIR1數(shù)據(jù)已經(jīng)被重采樣為30 m的空間分辨率(與OLI波段分辨率保持一致)，這里不需要對其進(jìn)行幾何校正。MODIS數(shù)據(jù)主要是通過第2波段與第19波段來估算研究區(qū)的大氣水汽含量，在進(jìn)行估算前需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)重采樣處理，使其與Landsat 8數(shù)據(jù)具有相同的分辨率和投影坐標(biāo)信息。

1.2.2 實(shí)測數(shù)據(jù)

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的氣象收集手段也發(fā)生著改變，氣象現(xiàn)代化不僅可以節(jié)省大量的人力物力讓大眾獲取更加實(shí)時準(zhǔn)確的氣象信息，還能在現(xiàn)代大數(shù)據(jù)的支持下讓數(shù)據(jù)預(yù)測變得觸手可及。至2015年，阜陽市全市共建成自動氣象站157個，氣象觀測網(wǎng)絡(luò)基本覆蓋轄區(qū)內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)對地表氣象數(shù)據(jù)全天候連續(xù)不斷采集，主要的氣象信息包括氣溫、風(fēng)向、降水量等，這些氣象站點(diǎn)對阜陽市的氣象準(zhǔn)確的監(jiān)測與預(yù)測起著重大的作用[11]。2017年阜陽市氣象局阜陽自動氣象站數(shù)據(jù)顯示平臺(http://fy.ahqx.gov.cn/amos/table.php)的開通，為地面實(shí)時實(shí)測氣象數(shù)據(jù)的方便獲取提供了可能。

本次研究所使用的Landsat 8遙感衛(wèi)星過境時刻為當(dāng)?shù)厣衔?0:48分，而阜陽市自動氣象站上傳頻率為每十分鐘一次，自動氣象站實(shí)測數(shù)據(jù)基本上可滿足本次研究需求，將以研究區(qū)內(nèi)的22個可用實(shí)測點(diǎn)數(shù)據(jù)與四種算法最終結(jié)果做對比分析。

2 四種單通道地表溫度反演算法

2.1 大氣校正法

輻射傳輸方程(大氣校正法)是根據(jù)輻射傳輸方程模型提出來的，是整個LST反演算法理論體系的基礎(chǔ)，作為最早的溫度反演算法之一，其具有很強(qiáng)的適用性，可以廣泛地應(yīng)用于各個熱紅外數(shù)據(jù)。

輻射傳輸方程法在使用的過程中需要使用相關(guān)的大氣模型軟件(LOWTRAN、MODTRAN或6S等)來模擬實(shí)時的大氣數(shù)據(jù)(包括不同高度的氣溫、氣壓、CO2含量等)，根據(jù)不同物理要素對地表熱輻射的不同影響，模擬得出數(shù)據(jù)相關(guān)路徑上的大氣透過率、大氣下行輻射和大氣下行輻射等大氣剖面參數(shù)，然后再從遙感衛(wèi)星傳感器接收到的輻射總量中減去受到這三部分影響的大氣影像，得到真實(shí)地表輻射值，如果在地表輻射率已知的情況下，通過普朗克函數(shù)求逆可以獲取真實(shí)的地表溫度值，相關(guān)的公式如下：

Lλ=[εB(TS)+(1-ε)L↓]τ+L↑

B(TS)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/(τ·ε)

TS=K2/ln[K1/B(TS)+1]

根據(jù)輻射傳輸方程，衛(wèi)星傳感器接收到的能量值Lλ(通過定標(biāo)的熱紅外輻射亮度值)與ε地表反射率、B(TS)同溫度下黑體熱輻射亮度值、L↓大氣向下輻射亮度、L↑大氣向上輻射亮度和τ大氣在熱紅外波段的透過率(大氣透過率)等有關(guān)。地表的真實(shí)溫度Ts(單位K)可以根據(jù)普朗克公式求逆得出。K1、K2為兩個常數(shù)值，對于Landsat 8數(shù)據(jù)而言，可以直接通過其元數(shù)據(jù)文件直接查到其對應(yīng)的K1、K2值，第10波段TIR1中K1=774.885 3 W/m2·μm·sr，K2=1 321.078 9 K。

2.2 覃志豪單窗算法

基于輻射傳輸方程的LST反演算法計算過程較為復(fù)雜且參數(shù)具有很強(qiáng)的不確定性，需要遙感衛(wèi)星過境時地區(qū)較為準(zhǔn)確的大氣輪廓信息數(shù)據(jù)，而大氣輪廓信息的獲取復(fù)雜且成本較高，一般只是使用全球標(biāo)準(zhǔn)大氣輪廓信息代替，導(dǎo)致LST反演產(chǎn)生的誤差較大。

單窗算法是覃志豪等[10]根據(jù)地表熱輻射傳導(dǎo)方程，在一系列的假設(shè)條件下，推導(dǎo)出一種適用于Landsat TM熱紅外波段影像簡單可行、反演精度較高的LST反演算法。該算法把大氣和地表的影響因素直接考慮到反演公式當(dāng)中，根據(jù)大氣透過率、地表比輻射率和大氣平均溫度三個參數(shù)進(jìn)行LST的推算，根據(jù)之間相對應(yīng)的關(guān)系，將單窗算法表達(dá)為大氣透過率和大氣平均作用溫度的函數(shù)。公式如下：

TS=[a(1-C-D)+(b(1-C-D)+C+D)Tsen-DTa]/C

Ts為地表的真實(shí)溫度(單位K),C和D是地表反射率(ε)和大氣透過率(τ)所構(gòu)成的中間量，其中C=ε·τ，D=(1-τ)[1+(1-ε)τ]，Tsen是衛(wèi)星傳感器所探測到的像元亮度溫度(單位K)。a和b是根據(jù)回歸分析得到的兩個常量，在不同的溫度變化范圍下，表現(xiàn)的系數(shù)值和相關(guān)系數(shù)也有所不同。國內(nèi)外眾多的學(xué)者[12]根據(jù)大氣輻射傳輸軟件LOWTRAN模擬Landsat 8不同溫度范圍內(nèi)TIR1(第10波段)的反演回歸系數(shù)得出：溫度范圍越小所對應(yīng)的相關(guān)性越強(qiáng)。根據(jù)阜陽市夏季實(shí)際情況，選擇a10=-62.806，b10=0.434，相關(guān)系數(shù)的平方(r2)為0.999 2。大氣平均作用溫度Ta與近地表溫度T0(一般距地面2 m處)之間呈一定的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)熱紅外波段大氣平均作用溫度估算方程，在中緯度夏季大氣模式下，Ta=16.011 0+0.926 21T0。

2.3 Jiménez-Muoz普適性單通道算法

Ts=γ[(ψ1Lsen+ψ2)/ε+ψ3]+δ

γ≈Tsen2/(bλLsen)

δ≈Tsen-Tsen2/bλ

Ts為地表真實(shí)溫度(單位K)；Lsen是傳感器探測的輻射亮度值；ε地表反射率；Tsen是衛(wèi)星傳感器所探測到的像元亮度溫度(單位K)，λ是遙感影像熱紅外波段的中心波長；bλ為常數(shù)，在TIRS10波段為1 324；ψ1、ψ2、ψ3是大氣功能參數(shù)，與大氣水汽含量有關(guān)，在大氣參數(shù)(τ、L↓、L↑)已知的情況下，大氣功能參數(shù)可用式計算：

ψ1=1/τ,ψ2=-L↓-L↑/τ,ψ3=L↓

一般情況下，實(shí)時的大氣參數(shù)很難獲取，Jiménez-Muoz等人選取GAPRI數(shù)據(jù)庫中的4 838條大氣輪廓數(shù)據(jù)，通過大氣輻射傳輸軟件MODTRAN4.0模擬計算大氣剖面參數(shù)，得出相應(yīng)的系數(shù)矩陣，推出Landsat 8中三個大氣函數(shù)與大氣水汽含量之間的二次多項式。具體方程式如下，其中ω為大氣水汽含量：

ψ1=0.040 19ω2+0.029 36ω+1.015 23

ψ2=-0.383 33ω2-1.502 94ω+0.203 24

ψ3=0.009 18ω2+1.360 72ω-0.275 14

2.4 TIRS10_SC算法

TIRS10_SC算法是胡德勇等人[3]綜合TIRS 10特性和熱輻射傳輸方程，建模地表溫度和亮度、大氣平均作用溫度、大氣透過率和地表發(fā)射率等參數(shù)之間的關(guān)系，提出的針對Landsat 8 TIRS第10波段的單窗算法。

φ1=ε·τ

φ2=(1-τ)[1+(1-ε)τ]

T10為TIRS 10的亮溫值(單位K)；K2可以通過元數(shù)據(jù)文件查到，對于Landsat 8，K2=1 321.078 9 K；Ta為大氣平均作用溫度，通過表根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料可以得到。

3 單窗算法參數(shù)的量化

3.1 亮度溫度的推算

當(dāng)某一波段下一個物體的輻射亮度與絕對黑體的輻射亮度值相同時，則該黑體的物理溫度就稱為該波段下該物體的亮度溫度(簡稱“亮溫”)，所以亮溫只是衡量物理溫度的一個指標(biāo)，并不能代替物體真實(shí)的物理溫度值。亮溫計算只要分為兩個步驟，首先要將衛(wèi)星獲取的影像像元DN值轉(zhuǎn)化為與之相對應(yīng)的大氣層上界熱輻射強(qiáng)度(Ii)，然后根據(jù)Planck函數(shù)利用熱輻射強(qiáng)度推算出該物體的亮溫值，公式如下：

Ti=Ki2/ln(1+Ki1/Ii)

Ti為物體的亮度溫度，i表示熱紅外遙感第幾波段，Ki1、Ki2分別代表兩個常數(shù)值，對于Landsat 8第10波段TIR1數(shù)據(jù)而言，K10 1=774.885 3 W/m2·μm·sr，K10 2=1 321.078 9 K，可用通過ENVI軟件中的定標(biāo)工具(Radiometric Calibration)直接將遙感影像的DN值定標(biāo)為亮度溫度值。

3.2 大氣水汽含量反演

水汽是影響大氣透過率的重要因素，在LST反演過程中，大氣水汽含量估算的準(zhǔn)確度直接影響到最后研究結(jié)果的精度。由于實(shí)時的大氣剖面數(shù)據(jù)獲取困難，水汽含量一般直接通過MOTRAN、6S等大氣模型軟件用標(biāo)準(zhǔn)大氣進(jìn)行模擬。由于Landsat 8數(shù)據(jù)水汽反演的不成熟與其局限性，本文采用了與Landsat8衛(wèi)星數(shù)據(jù)過境時間相近的MOD05_L2數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣水汽含量的反演。

MODIS包含36個波段，其中17、18和19波段為大氣吸收波段，2和5波段為大氣窗口波段。Kaufman等[13]指出使用MODIS數(shù)據(jù)通道比值法進(jìn)行大氣水汽含量的反演，可以部分有效地去除地表反射率隨波長變換對大氣透過率產(chǎn)生的影響，提高反演精度。根據(jù)毛克彪研究結(jié)果[14-15]，選取MOD05_L2第2波段和第19波段數(shù)據(jù)進(jìn)行通道比值法來反演大氣水汽含量，具體公式如下：

ω=[α-ln(ρ19/ρ2)/β]2

其中，ω表示大氣水汽含量(g/cm2)；ρ2、ρ19分別表示MODIS第2波段和第19波段的地表反射率；α和β是兩個校正系數(shù)，根據(jù)阜陽市的實(shí)際情況，本文選擇混合型地表的參數(shù)，其中α=0.02，β=0.651(Kaufman等[13])。根據(jù)公式與相關(guān)系數(shù)計算得出阜陽市的大氣水汽含量影像，如圖2。

圖2 大氣水汽含量影像

3.3 大氣透過率反演

Rozenstein等[12]通過LOWTRAN軟件模擬分析Landsat 8 熱紅外波段在不同水汽范圍內(nèi)大氣透過率與水汽含量之間的關(guān)系，得出在不同大氣模式下Landsat 8熱紅外波段大氣透過率估算方程，如表2所示。

表2 Landsat 8 0.5-3.0g/cm2水汽范圍內(nèi)大氣透過率與水汽含量的關(guān)系

本研究區(qū)域范圍在北緯32°～33°，屬于中緯度地區(qū)，且研究時間位于夏季，所以采用中緯度夏季的大氣模式，得出第10波段的大氣透過率與大氣水汽含量之間的關(guān)系：τ10=-0.113 4ω+1.033 5。根據(jù)大氣水汽含量得出大氣大氣透過率影像，如圖3。

圖3 大氣透過率影像

3.4 地表反射率的估算

在LST反演過程中，地表反射率的估算是反演的重點(diǎn)，主要有差值法、獨(dú)立溫度光譜指數(shù)法(TISI)和NDVI門檻值(NDVITHM)等方法。對于Landsat 系列影像圖像，地表反射率主要取決于地表的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和遙感的波段區(qū)間。地球表面不同區(qū)域的地表結(jié)構(gòu)雖然很復(fù)雜，但從衛(wèi)星像元的尺度來看，可以大體視作由4 種類型構(gòu)成:水面、建筑、裸土和植被。建筑包括城市和農(nóng)莊，主要由道路、各種建筑和房屋組成;植被包括林地和農(nóng)田等。使用回歸決策樹CART方法，通過各種歸一化的指數(shù)(NDVI、MNDWI和NDBI等)閾值對地表進(jìn)行分類，如圖4所示。

圖4 決策樹模型分類流程圖

為了得到更精確的地表反射率數(shù)據(jù)，宋挺等[12]根據(jù)不同典型地物的比輻射率特征以及參照ASTER提供的常用地表比輻射率光譜庫(http://speclib.jpl.nasa.gov)設(shè)定landsat 8第10通道比輻射率值如下：ε10w=0.996 83，ε10v=0.986 72，ε10s=0.967 67，ε10m=0.964 885，ε10w、ε10v、ε10s和ε10m分別表示第10波段下典型水體、植被、裸土和建筑的地表比輻射率(圖5)。根據(jù)覃志豪等[15]提出的地表比輻射率的估算方法，將數(shù)據(jù)像元分為自然表面像元、城鎮(zhèn)像元等分類進(jìn)行運(yùn)算，算出不同混合像元的地表比輻射率，具體的公式如下：

圖5 分類影像

自然表面像元：εi=PvRvεiv+(1-Pv)Rsεis+dε

城鎮(zhèn)像元：εi=PvRvεiv+(1-Pv)Rmεim+dε

式中，Pv為植被覆蓋率，Pv=(NDVI-NDVIs)/(NDVIv-NDVIs)，其中NDVIv與NDVIs分別為植被和裸土的NDVi值，在沒有明顯的完全植被或裸土像元時，本文用NDVIv=0.7和NDVIs=0.05來近似估算植被覆蓋度(圖6)。在地表高低相差較大的情況下，可取dε=0。由于熱輻射相互作用在植被與裸土各占一半時達(dá)到最大，提出如下經(jīng)驗(yàn)公式來估算dε：

圖6 地表比輻射率影像

當(dāng)Pv<0.5時，dε=0.003 8Pv;當(dāng)Pv>0.5時，dε=0.003 8(1-Pv)

當(dāng)Pv<0.5時，dε最大，dε=0.001 9

Rv、Rm、Rs分別表示植被、建筑物和裸土的溫度比率，覃志豪等根據(jù)主要地表類型的溫度差異進(jìn)行模擬，得出自然表面比輻射率的估算經(jīng)驗(yàn)公式：

Rv=0.933 2+0.058 5Pv

Rm=0.988 6+0.128 7Pv

Rs=0.990 2+0.106 8Pv

4 地表溫度反演結(jié)果對比

反演算法精度可以通過獲取地面實(shí)測值或其他標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行驗(yàn)證，本文利用阜陽市自動氣象站的實(shí)測數(shù)據(jù)來驗(yàn)證4種算法反演地表溫度的精度。逐一計算各個參數(shù)之后，進(jìn)行4種算法的地表溫度反演，反演結(jié)果影像(取置信區(qū)間99.9%以去除差異值)如圖7-10所示。

根據(jù)2018年9月8日4種算法溫度反演結(jié)果與地面實(shí)測溫度數(shù)據(jù)對比(如表3所示)可以看出，大氣校正法、Qin_SC、J&M_SC10和TIRS10_SC的溫度反演結(jié)果與地面實(shí)測溫度相比的絕對誤差的平均值分別為0.95 ℃、2.04 ℃、0.94 ℃和2.09 ℃。

表3 2018年9月8日4種算法溫度反演結(jié)果與地面實(shí)測溫度數(shù)據(jù)對比

如表4所示，大氣校正法與J&M_SC10算法反演結(jié)果相近且誤差相對較小，兩種算法的最大絕對誤差都為2.58 ℃，大氣校正法與J&M_SC10算法絕對誤差的最小值分別為0.05 ℃和0.06 ℃；而Qin_SC算法與TIRS10_SC算法的誤差較大，Qin_SC算法的最大絕對誤差為4.61 ℃，TIRS10_SC算法的最大絕對誤差為4.78 ℃。通過對比不難發(fā)現(xiàn)，大氣校正法和J&M_SC10算法均比較適合阜陽市地區(qū)的地表溫度反演，反演結(jié)果與實(shí)際溫度相差較小。四種算法反演溫度與溫度站實(shí)測數(shù)據(jù)不盡相同，尤其是Qin_SC算法與TIRS10_SC算法明顯高于實(shí)測地表溫度，由圖也可以看出，Qin_SC算法與TIRS10_SC算法比大氣校正法與J&M_SC10算法明顯高2 ℃左右，分析原因主要有：(1)相關(guān)算法參數(shù)的不同。大氣校正法與J&M_SC10算法所考慮的參數(shù)大致相同，反演結(jié)果相近，TIRS10_SC算法是輻射傳輸方程與Qin_SC算法的改進(jìn)型，所以TIRS10_SC算法與Qin_SC算法考慮的因素參數(shù)較為相近，從而導(dǎo)致了四種算法反演溫度兩兩相近的結(jié)果；(2)數(shù)據(jù)時間的差異。實(shí)測數(shù)據(jù)為當(dāng)?shù)貢r間10:50，Landsat 8影像數(shù)據(jù)為當(dāng)?shù)貢r間10:48，MODIS影像數(shù)據(jù)為當(dāng)?shù)貢r間11:55，時間相差所導(dǎo)致的反演精度變化在所難免；(3)算法計算參數(shù)的不確定性。在參數(shù)的計算過程中，很多的經(jīng)驗(yàn)公式只是提供典型的夏冬季節(jié)，沒有更多更加精確的時間經(jīng)驗(yàn)公式選擇，從而加大了各項參數(shù)在估算過程中的誤差導(dǎo)致最后算法LST反演結(jié)果的誤差增大。

表4 4種算法最大值、最小值和平均值對比

5 結(jié) 論

本文使用阜陽市2018年9月8日阜陽市地區(qū)的Landsat 8遙感數(shù)據(jù)和MODIS數(shù)據(jù)，通過大氣校正法、覃志豪單窗算法(Qin_SC)、Jiménez-Muoz 普適性單通道算法(J&M_SC10)和胡德勇單窗算法(TIRS10_SC)四種算法進(jìn)行LST反演對比。通過四種反演算法結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比，可以明顯看出：大氣校正法與J&M_SC10算法LST反演結(jié)果較為理想，絕對誤差的最小值分別為0.05 ℃和0.06 ℃，與地面實(shí)測溫度相比的絕對誤差的平均值分別為0.95 ℃、0.94 ℃，比較適用于阜陽市地區(qū)；而Qin_SC算法與TIRS10_SC算法LST反演結(jié)果誤差較大，與地面實(shí)測溫度相比的絕對誤差的平均值均大于2 ℃，與地面實(shí)測數(shù)據(jù)有較大的出入，在用于阜陽市地區(qū)時需要對其進(jìn)行改進(jìn)。

本文只是使用四種算法的計算公式做對比，其中所有的參數(shù)計算都是基于其中的經(jīng)驗(yàn)公式，沒有使用相關(guān)的大氣模型軟件(LOWTRAN、MODTRAN或6S等)對阜陽市這一特定地區(qū)進(jìn)行大氣參數(shù)的模擬，公式中所使用的相關(guān)的參數(shù)值也無法與阜陽市的具體實(shí)際情況相匹配，導(dǎo)致研究有些許誤差，這是以后改進(jìn)的重點(diǎn)。