中國(guó)區(qū)域Landsat 地表溫度產(chǎn)品

張兆明，何國(guó)金*，彭燕，龍騰飛，王猛猛，魏明月

1. 中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094

2. 海南省地球觀測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南三亞 572029

3. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，武漢 430074

4. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

引 言

地表溫度是表征地物在熱紅外波段發(fā)射特征的物理量，從衛(wèi)星數(shù)據(jù)的熱紅外波段像元值經(jīng)過輻射定標(biāo)、大氣校正和比輻射率校正等定量處理可以反演得到地表溫度。自1982 年以來，Landsat 系列衛(wèi)星持續(xù)獲取了大量的時(shí)間序列熱紅外數(shù)據(jù)，尤其是Landsat 5 衛(wèi)星持續(xù)高質(zhì)量運(yùn)行30 多年的時(shí)間，積累了大量的熱紅外數(shù)據(jù)。和其他長(zhǎng)時(shí)間序列衛(wèi)星數(shù)據(jù)（比如TERRA/AQUA MODIS 數(shù)據(jù)和NOAA AVHRR 數(shù)據(jù)）相比，Landsat 熱紅外數(shù)據(jù)不僅持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，更重要的是空間分辨率大大提高（空間分辨率為60 m/100 m/120 m）。Landsat 4/5/7 衛(wèi)星都只有一個(gè)熱紅外波段，Landsat 8 衛(wèi)星雖然具有兩個(gè)熱紅外波段（第10和第11 波段），但是第11 波段的定標(biāo)誤差偏大，不能應(yīng)用于定量地表溫度反演。因此從Landsat 系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演地表溫度只能利用單通道算法，需要發(fā)展高精度且實(shí)用性強(qiáng)的單通道地表溫度反演算法進(jìn)行Landsat 數(shù)據(jù)地表溫度產(chǎn)品生產(chǎn)[1]。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)采集方法

選擇中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站接收的Landsat 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，包括Landsat 5/7/8 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，空間范圍覆蓋中國(guó)全境，時(shí)間范圍從1986 年至2019 年。盡可能選擇無云、高質(zhì)量的影像數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)均做過高精度的正射校正處理。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

在Landsat 衛(wèi)星數(shù)據(jù)輻射定標(biāo)的基礎(chǔ)上利用普適性單通道算法反演地表溫度。普適性單通道算法需要地表比輻射率和總大氣水蒸汽含量?jī)蓚€(gè)關(guān)鍵的輸入?yún)?shù)。地表比輻射率通過NDVI（Normalized Difference Vegetation Index，歸一化差值植被指數(shù)）閾值法來獲取?？偞髿馑羝繜o法從Landsat 衛(wèi)星數(shù)據(jù)自身來獲取，需要借助外源數(shù)據(jù)經(jīng)過插值處理得到。對(duì)于2000 年以前接收的Landsat 數(shù)據(jù)，利用NCEP 再分析資料來獲取總大氣水蒸汽含量；對(duì)于2000 年以后接收的Landsat 數(shù)據(jù)，則利用MODIS 大氣水蒸汽含量產(chǎn)品（空間分辨率為1 km），從而協(xié)同兩種衛(wèi)星數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)地表溫度的高精度反演[2]。

利用普適性單通道算法反演地表溫度的主要過程如下[3-4]：

式中，TS是地表溫度，Li是i波段的輻射亮度，εi是i波段的比輻射率，γ和δ是普朗克方程相關(guān)的系數(shù)，計(jì)算公式為：

表1 Landsat 系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的大氣功能參數(shù)計(jì)算系數(shù)[3-4]

2 數(shù)據(jù)樣本描述

數(shù)據(jù)產(chǎn)品按照影像行列號(hào)（path/row）和獲取時(shí)間存放在不同的文件夾中，文件夾中包含數(shù)據(jù)文件（TIFF 格式）（地表溫度結(jié)果示例見圖1）、數(shù)據(jù)質(zhì)量文件（Quality Attribute，QA）和元數(shù)據(jù)文件（XML格式）。數(shù)據(jù)文件的空間分辨率分別為120 m（對(duì)應(yīng)于Landsat 5 衛(wèi)星第6 波段）、100 m（對(duì)應(yīng)于Landsat 8 衛(wèi)星第10 波段和第11 波段）和60 m（對(duì)應(yīng)于Landsat 7 衛(wèi)星第6 波段）。為了降低存儲(chǔ)空間，將地表溫度反演結(jié)果的單位轉(zhuǎn)換為開爾文（K），并將浮點(diǎn)型乘以10 變成16 位整型進(jìn)行存儲(chǔ)，背景填充值為-9999，同時(shí)所有的柵格圖像均進(jìn)行了“LZW”的無損壓縮。

圖1 地表溫度結(jié)果示例（Landsat 5, TM, path/row:123/032, 獲取時(shí)間20090602）

數(shù)據(jù)質(zhì)量文件（QA）包括在原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上生成的QA（即PIXEL-QA）和輻射亮度值QA（即RADSAT-QA）。PIXEL-QA 主要是對(duì)填充值（Fill）、晴空（Clear）、云（Cloud）、云置信度（Cloud Confidence）、云陰影（Cloud Shadow）、冰雪（Snow/Ice）以及水（Water）等信息進(jìn)行標(biāo)識(shí)，命名規(guī)則為衛(wèi)星-傳感器-path-row-成像日期-PIXEL-QA.TIF。輻射亮度值QA 主要是對(duì)輻射飽和值和有效值進(jìn)行標(biāo)識(shí)，命名規(guī)則為衛(wèi)星-傳感器-path-row-成像日期-RADSAT-QA.TIF。Landsat 5/7 和Landsat 8 的QA 屬性表分別如表2-4 所示。

表2 Landsat 5/7 的PIXEL-QA 屬性表

位 位值 累計(jì)和 屬性 像素值 6 64 127 7 128 255 云置信度（Cloud Confidence） 00 =未設(shè)置（None） 01 =低（Low） 10 =中（Medium） 11 =高（High） 低云置信度（Low Cloud Confidence）：66,68,72,80,96,112 中等云置信度（ Medium Cloud Confidence）：130,132,136,144,160,176 高云置信度（High Cloud Confidence）：224

表3 Landsat 8 的PIXEL-QA 屬性表

表4 RADSAT-QA 的屬性表

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

制定了Landsat 地表溫度產(chǎn)品生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了產(chǎn)品的坐標(biāo)系（WGS84）與投影方式（UTM）、產(chǎn)品格式、命名規(guī)則、文件組成及元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，確保數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化。制定了Landsat 地表溫度產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)規(guī)范，規(guī)定了產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)的過程和方法，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。在Landsat 地表溫度產(chǎn)品精度驗(yàn)證方面，利用獨(dú)立模擬數(shù)據(jù)的驗(yàn)證結(jié)果表明，全球尺度上，當(dāng)總大氣水蒸汽含量位于0.5-3 g/cm2區(qū)間時(shí)，Landsat 地表溫度的反演精度（Root Mean Square Error，RMSE）在2 K 以內(nèi)[3]；基于中國(guó)區(qū)域的樣地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證結(jié)果表明，Landsat 地表溫度的反演精度為0.83 K[5]；基于SURFRAD（Surface Radiation Budget Network）地表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證結(jié)果表明，在總大氣水蒸汽含量位于0.5-3 g/cm2區(qū)間時(shí)，Landsat地表溫度的反演精度為1.96 K[6]。詳細(xì)驗(yàn)證過程可以參閱上述文獻(xiàn)。

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

地表溫度是一個(gè)常用的陸地表面參數(shù)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、生態(tài)、全球變化等領(lǐng)域。利用遙感技術(shù)反演地表溫度具有明顯的優(yōu)勢(shì)，目前可用的星載熱紅外遙感數(shù)據(jù)非常有限，且空間分辨率往往不高。在可用數(shù)據(jù)源中，Landsat 數(shù)據(jù)熱紅外波段具有較高的空間分辨率且具有長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)積累。中國(guó)區(qū)域Landsat 地表溫度產(chǎn)品基于1986 年以來的全部高質(zhì)量的Landsat 數(shù)據(jù)，產(chǎn)品具有高精度的幾何定位、歸一化的波譜量綱，可為資源調(diào)查、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、全球變化研究等相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供數(shù)據(jù)產(chǎn)品支撐。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集可通過地球大數(shù)據(jù)科學(xué)工程（CASEarth）Databank 在線服務(wù)網(wǎng)址（http://databank.casearth.cn）獲取數(shù)據(jù)。用戶注冊(cè)成功并登錄系統(tǒng)后，進(jìn)入平臺(tái)產(chǎn)品查詢界面，產(chǎn)品類型選擇“LST”，用戶可根據(jù)行政區(qū)、地圖選擇以及行列號(hào)等方式查詢下載所需要的數(shù)據(jù)。后續(xù)作者會(huì)持續(xù)更新我國(guó)區(qū)域的地表溫度產(chǎn)品，以提供更好的、持續(xù)的數(shù)據(jù)共享服務(wù)。若平臺(tái)系統(tǒng)中暫時(shí)缺少用戶所需的數(shù)據(jù)或者有與本數(shù)據(jù)相關(guān)的其他數(shù)據(jù)需求，可通過咨詢本文作者進(jìn)行申請(qǐng)。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

張兆明（1980—），男，河南省鄭州市人，博士，正高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檫b感數(shù)據(jù)智能處理與信息挖掘。主要承擔(dān)工作：研究思路與研究方案設(shè)計(jì)，算法研究，論文撰寫。

何國(guó)金（1968—），男，福建省龍巖市人，博士，研究員，研究方向?yàn)檫b感數(shù)據(jù)智能處理與信息挖掘。主要承擔(dān)工作：總體指導(dǎo)，研究思路與研究方案設(shè)計(jì)。

彭燕（1988—），女，湖南省郴州市人，碩士，工程師，研究方向?yàn)檫b感數(shù)據(jù)智能處理與信息挖掘。主要承擔(dān)工作：程序編寫，產(chǎn)品生產(chǎn)。

龍騰飛（1986—），男，湖北省武漢市人，博士，副研究員，研究方向?yàn)檫b感數(shù)據(jù)智能處理與信息挖掘。主要承擔(dān)工作：程序編寫。

王猛猛（1988—），男，湖南省平江市人，博士，副研究員，研究方向?yàn)檫b感地表溫度反演、遙感應(yīng)用。主要承擔(dān)工作：算法研究，產(chǎn)品精度評(píng)價(jià)。

魏明月（1996—），女，河南省鄭州市人，碩士研究生，研究方向?yàn)檫b感數(shù)據(jù)智能處理與信息挖掘。主要承擔(dān)工作：產(chǎn)品精度評(píng)價(jià)。