基于Landsat8 TIRS 的富民盆地地表溫度反演對比分析

晁江琴CHAO Jiang-qin

（昭通學(xué)院，昭通 657000；金沙江流域研究中心，昭通 657000；云南大學(xué)，昆明 650000）

0 引言

地表溫度是研究區(qū)域尺度和全球尺度陸地表面物理過程的關(guān)鍵參數(shù)之一，在全球地表能量平衡、土壤水分狀況監(jiān)測、地?zé)嵛恢门袆e中發(fā)揮著重要作用（孫晨紅，2015，陳媛媛，2017）。熱紅外遙感利用攜帶的熱紅外傳感器收集、記錄地物的熱紅外信息，并且根據(jù)收集的信息識別地物，反演地表熱慣量、溫度、濕度等參數(shù)，是地表溫度反演的常用技術(shù)手段。Landsat 衛(wèi)星是美國NASA 的陸地衛(wèi)星（Landsat）計劃，Landsat6、Landsat7、Landsat8、Landsat9 均搭載有熱紅外傳感器，根據(jù)不同熱紅外數(shù)據(jù)，學(xué)者們在國內(nèi)外多地區(qū)開展地表溫度反演（Qin 等，2011，Romaguera 等，2018，Gemitzi 等，2021，Liu 等，2021），研究成果表明，地表溫度反演對城市熱島效應(yīng)分析（周毅等，2019）、地?zé)豳Y源探測（唐超等，2017，Chan 等，2018，Romaguera 等，2018，Wang 等，2019，Gemitzi 等，2021，辛磊等，2021）等具有重要作用。Landsat8 TIRS 的第10 波段和11 波段屬于熱紅外波段，可以進(jìn)行地表溫度反演。目前，利用Landsat8 TIRS 數(shù)據(jù)反演地表溫度的方法有單窗算法、基于輻射傳輸方程算法、單通道算法、劈窗算法以及ENVI-LST 插件算法，部分算法反演精度已經(jīng)達(dá)到了1K 左右。在上述研究中，將這五種反演方法分別進(jìn)行地表溫度反演并比較分析其差異性的研究并不常見，仍值得進(jìn)一步驗證與研究。以昆明近郊富民盆地為研究區(qū)，利用Landsat8 TIRS 數(shù)據(jù)分別采取以上五種算法反演研究區(qū)地表溫度，并將不同方法進(jìn)行相互交叉驗證，同時利用地面觀測站實測地溫數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性驗證，反演結(jié)果可為分析城市熱島效應(yīng)、盆地地?zé)崽綔y等提供一定科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)位置

研究區(qū)富民盆地地處滇中，位于昆明市西北，縣城距昆明主城區(qū)23km，是昆明市的近郊縣，屬昆明市半小時經(jīng)濟(jì)圈和云南省經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的滇中經(jīng)濟(jì)圈，昆祿二級公路和武（武定）昆（昆明）高速公路穿境而過，交通區(qū)位優(yōu)越地理坐標(biāo)范圍：東經(jīng)102°21′-102°47′，北緯25°08′-25°36′。

2 研究數(shù)據(jù)與預(yù)處理

研究選取2021 年3 月25 日Landsat8 TIRS 影像數(shù)據(jù)，其中OLI 影像衛(wèi)星過境時間為UCT03:54，數(shù)據(jù)獲取時間為冬末春初，天氣為少云晴朗，地表植被覆蓋相對稀疏，溫差較大，利于地表溫度異常信息提取。其多光譜影像的空間分辨率為30m，全色影像為15m，熱紅外影像空間分辨率為100m。遙感數(shù)據(jù)下載自地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/search），采用的是WGS84UTM 投影。影像受大氣吸收與散射、傳感器定標(biāo)、地形地貌等因素影響，存在輻射失真，為消除上述影響，先進(jìn)行影像預(yù)處理，預(yù)處理過程包括輻射定標(biāo)、FLAASH 大氣校正、幾何配準(zhǔn)、影像裁剪等。

3 地表溫度反演算法

3.1 基本方法

針對Landsat8 TIR 數(shù)據(jù)地表溫度反演算法包括輻射傳導(dǎo)方程算法、單窗算法、單通道算法、劈窗算法等（宋挺，等，2015）。

①輻射傳導(dǎo)方程算法。在地—氣輻射傳輸過程中衛(wèi)星收到的熱紅外輻射能量由3 部分組成：大氣上行輻射亮度；地面的真實輻射亮度經(jīng)過大氣層衰減后衛(wèi)星傳感器接收的能量；大氣下行輻射亮度。其表達(dá)式為（1）：

式中，εi為地表比輻射率，TS為地表真實溫度（K），Bi（TS）為黑體熱輻射亮度，τi為大氣在熱紅外波段的透過率，L↑為大氣上行輻射，L↓為大氣下行輻射。

②單窗算法。減少對大氣廓線的依賴，引入大氣平均作用溫度（龔紹琦等，2015），將大氣和地表的影響直接包含在反演算法中，通過大氣平均作用溫度和大氣透過率兩個大氣參數(shù)，反演地表溫度。其公式如下：

式中，TS為地表真實溫度（K），a，b 為回歸系數(shù)，ε 為地表比輻射率；τ 為大氣在熱紅外波段的透過率；Tb是熱紅外波段的像元亮度溫度（K）；C 和D 為參數(shù)；Ta為大氣平均作用溫度；K1和K2為發(fā)射前預(yù)設(shè)的常量，在Landsat8TIRS 影像元文件中可查得。

③單通道算法。根據(jù)輻射傳輸方程，針對單個波段，使用水汽含量和近地表溫度作為輸入?yún)?shù)進(jìn)行地表溫度反演。其組合公式為（6）：

式中：Tsensor為亮度溫度，Lsensor為傳感器接收到的輻射強(qiáng)度，ψ1，ψ2，ψ3是大氣功能參數(shù)，γ，δ 為中間變量。

④分裂窗算法。在眾多地表溫度熱紅外反演算法中，分裂窗算法因其原理清晰，計算簡單，在熱紅外遙感溫度反演中得到了廣泛的應(yīng)用，該算法減少了對大氣廓線的依賴，利用大氣透過率和大氣水汽含量之間以及平均大氣溫度和近地表空氣溫度之間的經(jīng)驗線性關(guān)系，實現(xiàn)了僅需要W 和近地表氣溫來進(jìn)行大氣校正的目的。表達(dá)式為（7）：

式中，Ts為地表溫度（K）；Ta，Tb為兩個不同波段的亮溫度（K）；A0、A1、A2是由大氣狀況、觀測角及地表比輻射率決定的系數(shù)，對于不同算法其系數(shù)確定方法有所不同。

3.2 結(jié)果輸出

基于研究區(qū)Landsat8 TIR 遙感數(shù)據(jù)，經(jīng)波段運算后得到地表溫度反演結(jié)果，同時進(jìn)行密度分割并將溫度劃分區(qū)間，上述四種算法反演得到研究區(qū)地表溫度分布如圖1 所示。輻射傳導(dǎo)方程算法反演溫度范圍18.3-42.8℃，平均溫度30.6℃；單窗算法反演溫度范圍17.8-42.7℃，平均溫度30.3℃；單通道算法反演溫度范圍16.2-38.1℃，平均溫度27.1℃；劈窗算法反演溫度范圍17.8-45.0℃，平均溫度31.4℃。

4 結(jié)果分析

4.1 結(jié)果精度分析

驗證反演算法精度的方法包括獲取地面實測地溫數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證、衛(wèi)星地溫產(chǎn)品驗證和各算法相互交叉驗證三種方法。本研究采用收集地表2m 高程實測地溫數(shù)據(jù)和四種算法相互交叉驗證的方法。

①將四種算法反演結(jié)果與氣象站實測氣溫數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證：使用富民氣象站提供的歷史氣溫記錄進(jìn)行精度驗證，根據(jù)影像資料，衛(wèi)星過境時間為（UCT+8）11:54，當(dāng)天上午氣溫（2m 高程）為19.86℃，符合四種算法反演結(jié)果溫度區(qū)間。②不同算法反演結(jié)果相互交叉驗證。反演結(jié)果表明，四種地表溫度反演算法反演的地表溫度值均比較接近，統(tǒng)計各算法最大、最小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果見表1；為對比分析，統(tǒng)計各算法反演平均差值數(shù)據(jù)見表2；差值標(biāo)準(zhǔn)方差見表3。

表1 Landsat8 TIR 數(shù)據(jù)四種不同算法反演結(jié)果統(tǒng)計表

表2 Landsat8 TIR 數(shù)據(jù)四種不同算法反演結(jié)果平均溫差（取絕對值）

表3 Landsat8 TIR 數(shù)據(jù)四種不同算法反演結(jié)果差值標(biāo)準(zhǔn)方差（取絕對值）

由表1 可以看出，輻射傳輸方程算法和單窗算法的反演結(jié)果最接近，其最大值相差0.1，最小值相差0.5；表2、表3 反映其平均溫差相差最小，為0.3，差值標(biāo)準(zhǔn)方差相差亦最小，為0.1，說明兩種算法在Landsat 地表溫度反演時適宜性最高。單通道算法反演結(jié)果最大、最小值，平均值、標(biāo)準(zhǔn)差均明顯小于其他算法，這是由于單通道算法反演參數(shù)較少所致。劈窗算法反演地表溫度在四種算法中最大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差明顯偏大，反演精度并不理想，這是因為Landsat8 具有兩個TIRS 波段，原本可以用劈窗算法來消除大氣的影響，但由于TIRS 11 熱紅外波段的定標(biāo)參數(shù)不穩(wěn)定，這也是美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）暫不鼓勵用劈窗算法來反演地表溫度的原因。

4.2 結(jié)果空間特征分析

將反演地表溫度與遙感融合影像疊加分析可知，地表高溫值主要出現(xiàn)在熱輻射特性較強(qiáng)的巖石、土壤和人工建筑區(qū)，尤其在研究區(qū)北部和西部地區(qū)，低值主要出現(xiàn)在陰坡面或植被覆蓋區(qū)，盆地區(qū)由于人類活動熱島效應(yīng)影響，也會出現(xiàn)相對高溫區(qū)。

5 結(jié)論

①Landsat8 TIR 遙感數(shù)據(jù)獲取方式簡單，不受通行條件限制，能滿足快速反演地表溫度的要求。②通過與歷史天氣對比、四種反演算法相互交叉對比，表明輻射傳輸方程算法和單窗算法反演結(jié)果關(guān)聯(lián)性高，可靠性強(qiáng)，反演結(jié)果可為分析城市熱島效應(yīng)、地?zé)衢_發(fā)等提供科學(xué)依據(jù)。③地表溫度反演結(jié)果受地形、季節(jié)、天氣等影響，本身還存在一定誤差，反演結(jié)果精度評估中受條件限制未采用地溫產(chǎn)品更準(zhǔn)確評估反演精度，今后相關(guān)研究可考慮改進(jìn)算法反演精度。