基于高分五號衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地表溫度反演技術(shù)研究

龔婷婷 張?zhí)N靈 傅宇浩 曹慧宇 高冰

摘要：地表溫度是描述陸地表面能量交換的重要參數(shù)，其大面積、精確反演已成為氣候變化研究的熱點(diǎn)。本文基于我國自主發(fā)射的高分五號熱紅外波段數(shù)據(jù)，采用劈窗算法反演了青藏公路典型路段沿線地表溫度，并采用五道梁站地面實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了精度驗證。結(jié)果表明，基于高分五號衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地表溫度具有較高精度，確定性系數(shù)達(dá)0.83。青藏公路格爾木至五道梁段地表溫度在2019年3月至2019年10月期間，空間上呈現(xiàn)溫度遞減趨勢，研究區(qū)域地表溫度范圍為-8.8℃～25.4℃。地表溫度的高精度反演將為西藏高海拔地區(qū)的凍土研究提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：高分五號;地表溫度;西藏高海拔;凍土

中圖分類號：TP79 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）07-0086-04

0 引言

地表溫度是描述陸地表面能量交換的重要參數(shù)，能夠提供地表能量平衡狀態(tài)的時空變化信息，是眾多基礎(chǔ)學(xué)科和應(yīng)用領(lǐng)域的的關(guān)鍵指標(biāo)[1]。精確反演地表溫度已成為全球及區(qū)域氣候變化、全球碳平衡、農(nóng)作物估產(chǎn)、氣象預(yù)報、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由于氣象站等的實(shí)測數(shù)據(jù)獲取終究有限，對空間尺度上的研究十分局限[2]。近些年來，伴隨著遙感技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，具有高空間分辨率和高時間分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)極大地提高了精確獲取大面積地表溫度的可操作性。因此，獲取大范圍地表溫度信息就逐漸傾向于依靠遙感衛(wèi)星的熱紅外數(shù)據(jù)[3]。熱紅外遙感能夠獲取區(qū)域和全球范圍地表溫度，具有覆蓋面廣、成本相對低廉、可周期獲取等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前地表溫度獲取的重要途徑。國內(nèi)外許多學(xué)者在利用熱紅外遙感數(shù)據(jù)反演地表溫度方面取得了較大進(jìn)展，針對不同衛(wèi)星上所搭載的傳感器，眾多學(xué)者已提出了多樣的反演方法[4-5]。然而，絕大多數(shù)的地表溫度研究都基于國外衛(wèi)星的熱紅外數(shù)據(jù)開展，例如Landsat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)、MODIS數(shù)據(jù)等，缺乏基于我國自主衛(wèi)星的熱紅外數(shù)據(jù)開展的地表溫度反演研究。

隨著我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項于2010年5月正式啟動，我國自主的高分5號衛(wèi)星能獲取40米空間分辨率的熱紅外數(shù)據(jù)，空間分辨率顯著優(yōu)于其他常用的傳感器，如90米的先進(jìn)星載熱輻射和反射儀（ASTER）、100米的Landsat8熱紅外傳器（TIRS）、1000米的中分辨率成像光譜儀（MODIS）等。由此可見，相比中、低空間分辨率數(shù)據(jù)，高分5號衛(wèi)星的高空間分辨率熱紅外數(shù)據(jù)能更好地滿足小區(qū)域地表溫度精細(xì)研究的需求。本文以青藏公路格爾木至五道梁段沿線區(qū)域為研究區(qū)，基于高分五號熱紅外波段數(shù)據(jù)，引入應(yīng)用較成熟的劈窗算法反演地表溫度，探討高分五號數(shù)據(jù)反演地表溫度的可行性。

1 研究區(qū)概況和工作流程

1.1 研究區(qū)概況

本文選取青藏公路格爾木至五道梁段作為典型路段，區(qū)域內(nèi)的青藏公路長度約320km，占青藏公路全線的16.5%。研究區(qū)域面積為3.4萬km2，海拔范圍在2700km～6200km，平均海拔高度為4442m，公路沿線廣泛分布著多年凍土。研究區(qū)范圍和氣象站點(diǎn)分布如圖1所示。

1.2 工作流程

首先利用高分五號數(shù)據(jù)、MODIS-LST數(shù)據(jù)、MODIS-NDVI數(shù)據(jù)分別進(jìn)行亮溫、地表比輻射率、大氣水汽含量等參數(shù)的計算，然后基于以上計算結(jié)果，采用劈窗算法進(jìn)行地表溫度反演。利用五道梁站的實(shí)測地溫數(shù)據(jù)，對反演的結(jié)果進(jìn)行精度驗證，并對研究區(qū)域的地表溫度分布情況進(jìn)行分析（圖2）。

2 數(shù)據(jù)選取和處理

2.1 高分五號數(shù)據(jù)

高分5號衛(wèi)星上搭載著全譜段光譜成像儀（VIMS），該傳感器包含兩個40m分辨率的熱紅外波段：波段11（10.30～11.30μm）和波段12（中心波長11.95μm）。本文在研究區(qū)共下載了192景高分五號影像，影像時間為2019年3月～2019年10月。對所有的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)預(yù)處理，并刪除云層遮擋過多的數(shù)據(jù)。

2.2 其他地表溫度產(chǎn)品數(shù)據(jù)

由于高分五號衛(wèi)星數(shù)據(jù)量較少，因此，本研究還選擇了MODIS/Aqua-LST（MYD11A2）數(shù)據(jù)集作為替補(bǔ)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)集為8天合成的空間分辨率為1 km的遙感產(chǎn)品。采用MODLAND提供的MRT（MODIS REPROJECTION TOOL）工具對MODIS-LST影像進(jìn)行投影、格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)提取等操作。然后根據(jù)對應(yīng)的QC文件對提取數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，剔除質(zhì)量較差數(shù)值，并采用相鄰時間段的對應(yīng)網(wǎng)格數(shù)據(jù)對空值進(jìn)行線性插值。

2.3 實(shí)測站點(diǎn)地溫數(shù)據(jù)

本文選擇研究區(qū)域內(nèi)五道梁站的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，該站點(diǎn)數(shù)據(jù)為中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)提供的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0）中的0cm地表溫度數(shù)據(jù)，時間范圍為2018-2019年。

2.4 植被指數(shù)數(shù)據(jù)

本文的植被指數(shù)數(shù)據(jù)采用的是MODIS/Terra-NDVI（MOD13Q1）數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集為16天合成的空間分辨率為250m的遙感產(chǎn)品，其質(zhì)量控制步驟同MODIS-LST產(chǎn)品，同時，將該數(shù)據(jù)集的空間分辨率重采樣至1km。

3 方法

本文采用劈窗算法來進(jìn)行研究區(qū)地表溫度的反演，很多研究結(jié)果表明，劈窗算法是一種反演地表溫度精度很高的算法[6]，其計算公式如下：

式中，T11，T12分別為GF-5衛(wèi)星VIMS第11、12波段的亮度溫度（K），其計算公式為：（Li為第i波段輻射亮度值;Ki，1和Ki，2為常量，其取值分別為K11，1 =810.6W/（m2·sr·μm），K11，2=1332.20K，K12，1=488.75（m2·sr·μm），K12，2=1203.99 K）;ε為平均地表比輻射率，本文采用覃志豪[7]提出的方法進(jìn)行計算;ω為大氣水汽含量（g/cm2），采用標(biāo)準(zhǔn)大氣透過率估算方程求解得到;C0～C6為模擬相關(guān)系數(shù)：C0=-0.268，C1=1.378，C2=0.183，C3=54.30，C4=-2.238，C5=-129.20，C6=16.400。

4 結(jié)果

4.1 與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比驗證

驗證地表溫度反演結(jié)果精度最直接有效的方法就是與地面觀測站點(diǎn)的實(shí)測溫度進(jìn)行對比，本文采用五道梁站的實(shí)測數(shù)據(jù)與反演數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，基于高分五號反演的地表溫度數(shù)據(jù)與五道梁站實(shí)測的地表溫度比較接近，數(shù)據(jù)的趨勢線接近1∶1線，R2為0.83，這也表明基于高分五號數(shù)據(jù)反演的地表溫度具有較好的精度。同時，由驗證結(jié)果可知，反演的地表溫度與實(shí)測數(shù)據(jù)相比，存在10.4%的低估，主要原因在于：（1）反演的地表溫度是表征一個像元內(nèi)的平均溫度，而實(shí)測站點(diǎn)數(shù)據(jù)代表像元中某一點(diǎn)的數(shù)值，空間上存在一定的不匹配性，同時，西藏高海拔地區(qū)的氣候、地形條件差異較大，也易導(dǎo)致反演結(jié)果產(chǎn)生一定誤差;（2）實(shí)測站點(diǎn)的地表溫度數(shù)據(jù)是一天的平均值，而反演的地表溫度則為衛(wèi)星過境的瞬時值估算得到，因此時間上的不一致也導(dǎo)致了誤差的產(chǎn)生。

4.2 研究區(qū)地表溫度分布

根據(jù)圖4反演結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)2019年3月～10月期間，最低地表溫度為-8.8℃，大多數(shù)分布在昆侖山脈，最高地表溫度為25.4℃。研究區(qū)域內(nèi)，地表溫度大于0℃的區(qū)域面積占52.8%，主要分布在昆侖山脈以北區(qū)域，地表溫度小于等于0℃的區(qū)域面積占47.2%，主要分布在昆侖山脈及其以南區(qū)域。不同溫度等級的區(qū)域面積比例如表1所示，由統(tǒng)計結(jié)果可知，地表溫度在<-5℃的區(qū)域面積最大，占整個區(qū)域面積的46.6%，0-10℃的區(qū)域面積次之，占整個區(qū)域面積的28.7%。研究區(qū)域的地表溫度在空間分布上整體呈現(xiàn)東北高、西南低的趨勢，而東北區(qū)域的海拔高度范圍在2700m-3400m之間，西南區(qū)域的海拔高度較高，在4300m以上。這一結(jié)果也間接表明，地表溫度與海拔高度呈現(xiàn)正相關(guān)的空間變化趨勢。

5 結(jié)論

文中基于我國自主發(fā)射的高分五號熱紅外波段數(shù)據(jù)，采用劈窗算法反演了青藏公路典型路段沿線地表溫度，并采用研究區(qū)域范圍內(nèi)的五道梁站地面實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較和驗證。結(jié)果表明，基于高分五號衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地表溫度具有較高精度，確定性系數(shù)達(dá)0.83。青藏公路格爾木至五道梁段地表溫度在2019年3月至2019年10月期間，空間上呈現(xiàn)溫度遞減趨勢，研究區(qū)域地表溫度范圍為-8.8℃～25.4℃。地表溫度的高精度反演將為高海拔地區(qū)的凍土研究提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

參考文獻(xiàn)

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