基于HJ－1B 衛星數據的地表溫度反演方法研究

李 雪，鐘仕全

(1.貴州省黔西南自治州氣象局，貴州 興義 562400;2.廣西壯族自治區氣象減災研究所/國家衛星氣象中心遙感應用試驗基地，廣西 南寧 530022)

1 引言

2008年9月6日，我國環境與災害監測預報小衛星星座A、B 兩顆衛星(簡稱HJ－1A/B 星)發射升空。該星具有重訪能力強、分辨率高等特點，在許多方面都得到了廣泛的應用。此外，HJ－1B 星搭載了一臺紅外相機(IRS)，其第4 通道光譜范圍為10.5～12.5 μm，該通道對熱特性敏感，可用來記錄地表的發熱特性，星下點空間分辨率為300 m，重訪周期為4 d，這為地表溫度的反演提供新的數據源［3］。

目前已經發展了多種地表溫度的遙感反演方法，考慮到HJ－1B 熱紅外波段范圍與TM 非常相近，因此，本文借鑒TM的地表溫度反演算法來對環境衛星熱紅外通道進行反演，并根據HJ－1B 熱紅外波段的光譜響應特性來修訂算法中的一些經驗關系，最后利用MODIS 溫度產品(MOD11_L2)進行反演精度的驗證，以獲得適用于巖溶地貌區的HJ衛星遙感數據反演地表溫度的算法。

2 研究區概況及數據預處理

2.1 研究區概況

巖溶區多分布于廣西、云南、貴州等省，本文根據廣西的地質地貌特征，選擇廣西中部干旱農業區中的典型巖溶地貌區［4］。該區為亞熱帶季風氣候，農業人口眾多，占總人口75.12%，以農業耕作為主，耕地面積為601 620 hm2，其中旱地占耕地面積的46.57%。因此，干旱是制約該地區農業和社會經濟發展的最為重大的問題之一。

2.2 數據預處理

本文使用的遙感數據見表1，其中，環境減災衛星的CCD、熱紅外遙感影像數據以及MODIS 遙感數據用于對地表溫度的反演，MOD11_L2 為MODIS 溫度產品數據，用于對反演結果精度的驗證。

表1 所用遙感影像數據一覽表

采用經過精校正后的TM 影像對HJ－1B 數據進行幾何精校正，將幾何誤差控制在1 個像元內，并對HJ－CCD 數據重采樣到300m;利用專業遙感軟件對MOD 02 和MOD11_L2 數據進行幾何校正，并重采樣到300 m，并根據MOD11_L2 數據頭文件提供的計算公式獲得地表溫度影像。最后利用矢量圖裁剪出研究區，以進行下一步的處理和應用。

2.2.1 傳感器接收到的輻射強度LλHJ－1B 熱紅外影像是用DN 值來表示的，根據影像所帶頭文件提供的信息，傳感器所接收到的輻射強度和DN值之間有以下關系:

?Rose，R．，“What is lesson － drawing?”Journal of Public Policy，1991，11(1)，pp．3 ～30．

式中，Lλ為熱紅外傳感器所接收到的輻射強度，DN 為影像的灰度值，b 和g 為常數。

2.2.2 亮溫T 亮溫是遙感器在衛星高度所觀測到的熱輻射強度相對應的黑體的溫度，這一溫度包含有大氣和地表對熱輻射傳導的影響，因而不是真正意義上的地表溫度［5］。根據Plank 輻射函數，由上述得到的輻射強度值Lλ就可以反算出影像的亮溫，公式如下:

式中，T 為亮溫(K);Lλ為輻射強度值，由公式(1)獲得;h 為普朗克常量，h=6.626×10－34J·s－1;c 為光速，c=2.998 ×108m·s－1;k 為玻爾茲曼常量，k=1.38 ×10－23J·K－1;λ 為有效波長，參考劉三超［6］文獻，HJ－1B的熱紅外通道有效波長為11.511 μm。

3 地表溫度反演算法及經驗公式的修訂

3.1 普適性單通道算法

其中，Lsensor是傳感器接收的輻射強度，ε 是地表比輻射率，參數γ 和δ 可由公式(5)計算得到，Ψ1、Ψ2和Ψ3為大氣函數，可由公式(6)計算得到。

其中，Tsensor是傳感器亮溫;λ 是波段的有效波長;c1=1.191 043 56×108Wμm4m－2sr－1，c2=14 387.685 μmK。大氣函數(Ψ1，Ψ2，Ψ3)由大氣中水汽含量(ω)的函數而獲得，針對HJ－1B 熱紅外波段，參考段四波等［9］文獻，可由以下公式計算:

3.2 覃志豪單窗算法

該算法是覃志豪等［5］(2001)根據地表熱輻射傳導方程，通過一系列假設，建立的適用于Landsat TM 第6 波段的反演方法。其表達式為:

其中，a 和b 為常數，針對HJ－1B 熱紅外波段，根據圖像的溫度變化范圍得到，根據文獻［9］可知，對于0～30℃，a=－60.896 9 和b =0.439 078，對于20～50℃，a =－68.330 1 和b =0.464 012;C 和D 為參數，由公式(8)計算得到;Ta為大氣平均作用溫度，針對HJ－1B 熱紅外波段，對于中緯度夏季大氣，得到Ta的估算方法［9］。

式中ε 是地表比輻射率;τ 是大氣透過率，研究表明，大氣透過率的變化主要取決于大氣水汽含量ω的動態變化，因此，可以根據大氣總水汽含量來估算，針對HJ－1B 熱紅外波段進行修訂的大氣透過率估算方程(公式(10));T0為近地表溫度，可利用研究區域的站點平均氣溫數據差值得到。

3.3 基于影像的Artis 反演算法

Artis 等人［8］(1982)認為，輻射亮溫僅僅代表了黑體的溫度，而自然界的大部分物體并非黑體，所以應該用比輻射率對其進行校正，獲得絕對表面溫度，計算如下:

式中，T(K)為傳感器的亮溫;λ 為有效波長;ε為地表比輻射率;h 為普朗克常量，其值為6.626×10－34J·s;c 為光速，值為2.998 ×108m·s－1;σ 為玻爾茲曼常量，值為1.38 ×10－23J·K－1。

4 反演參數的計算

由上述一系列公式，可以看出需要計算的參數有:地表比輻射率ε 和大氣水汽含量ω。

4.1 地表比輻射率ε

地表比輻射率主要取決于地表的物質結構和遙感器的波段區間。計算地表比輻射率的方法很多，本文采用覃志豪［10］等(2004)根據Sobrino 提出的NDVITEM方法結合研究區地表類型的多樣性，得出的不同地表類型的比輻射率計算方法。認為地球表面不同區域的地表結構雖然很復雜，但從衛星像元的尺度來看，可以大體視作由3 種類型構成:水體、城鎮和自然表面。水體在熱波段范圍內的比輻射率很高，接近于黑體，可以用εwater=0.995 來進行估計。對于自然表面εsurface和城市地表εbuilt－up，與植被構成比例Pv的關系式如下:

式中，Pv為植被構成比例，其估計方法為［11］:

式中，ρ3、ρ4分別為HJ－1B CCD 數據的第3 和第4 波段的反射率。一般情況下，如果沒有詳細的區域植被和土壤光譜或圖幅上沒有明顯的完全植被或裸土像元，則用NDVIv=0.70 和NDVIs=0.05來進行Pv的近似估計。根據上述的方法，將CCD遙感數據分為水體、自然表面和城鎮3 種類型，然后按公式(12)～(14)計算出地表比輻射率。

4.2 大氣水汽含量ω

在缺少實時大氣水汽含量數據時，可以通過同步MODIS 數據反演大氣水汽含量。根據GRIEND等［11］文獻，得到大氣水汽含量的計算公式:

式中，ω 為大氣水汽含量;Tω(19/2)為MODIS第19 波段和第2 波段表觀反射率之比;α 和β分別為公式參數，對于混合型地表，α =0.02，β =0.651，其他類型地表參考文獻［12］。

5 結果分析

5.1 反演結果分析

根據上述3 種算法反演得到研究區的地表溫度影像圖(圖1)，能明顯看出三者溫度變化趨勢是相同的，表現在直方圖上其走勢相似(圖2)。其中，研究區的東部和南部區域地表溫度較高，溫度較低區域主要分布在西北部的河池、環江和融水等縣市。

圖1 3 種算法反演的地表溫度影像圖(注:白色區域為云區)

圖2 3 種算法反演的研究區地表溫度直方圖

5.2 反演結果驗證

為了定量地分析各算法的反演結果，由于實時地面測量溫度很難獲取，驗證3 種算法的精度選用MODIS 地表溫度產品進行相對驗證。選取同天成像時間為11 時30分覆蓋研究區的MOD11_L2 溫度產品作為驗證數據。在低溫、中溫和高溫區中，分別選取對應的森林、耕地和城市3 種地表類型樣區進行結果驗證。

表2 列出了各檢驗樣區對應的HJ－1B 反演溫度值和MODIS 地表溫度產品的溫度值。從表中可以看出，普適性單通道算法反演結果與MODIS 地表溫度產品最為接近，平均溫差為0.36 K(覃志豪單窗算法為2.39 K，基于影像的Artis 反演算法為4.69 K)，森林溫差最大，平均為0.42 K，耕地溫差最小，平均為0.26 K。基于影像的Artis 反演算法與MODIS溫度產品差異最大，這是因為該方法只考慮了地表比輻射率的影響而忽略了大氣的影響。覃志豪單窗算法所得結果與MODIS 溫度產品平均溫差為2.39 K，主要原因為覃志豪單窗算法是根據MODTRAN 軟件4 種標準大氣廓線(美國1976 標準大氣廓線、低緯度標準大氣廓線、中緯度夏季和中緯度冬季標準大氣廓線)進行參數擬合，并建立大氣平均溫度和近地層空氣溫度的經驗關系式;本文采用中緯度夏季標準大氣廓線建立關系式，計算的大氣平均作用溫度比實際大氣平均溫度高，導致反演得到的溫度比實際溫度低。

表2 3 種算法的反演結果與MODIS 地表溫度產品的溫度值統計 (單位:k)

為了便于觀察，對每一個檢驗區分別建立3 種算法反演的地表溫度與MODIS 地表溫度產品之間的零截距線性方程，見圖3:

圖3 森林檢驗區3 種算法反演的溫度與MODIS 地表溫度產品之間的零截距線性關系

從方程式可以初步看到，對于低溫區，普適性單通道算法反演結果優于覃志豪單窗算法和Artis反演算法。為了比較各算法的反演結果，同樣對中溫區(耕地)和高溫區(城市)進行對比，以便更全面地比較各算法的反演結果。得到如下線性方程式:

對于耕地檢驗區有:

對于城市檢驗區有:

從方程式(16)～(17)可以看到，普適性單通道算法反演得到的結果優于其他算法，反演得到的地表溫度更接近于MODIS 地表溫度產品的溫度。同時，建立的線性方程顯示了溫度變化的一個規律，即森林＜耕地＜城市，這個結果與實際情況相符合。

6 結論

本文針對HJ－1B 衛星熱紅外數據的特點，分別用修訂后的普適性單通道算法、覃志豪單窗算法和基于影像的Artis 反演算法反演典型巖溶地貌區的地表溫度，并與MODIS 溫度產品相比較，以驗證算法精度。結果表明，修訂后的普適性單通道算法反演結果優于其它兩種算法，其與MODIS 溫度產品平均溫差相差0.36 K，保證誤差精度在1 K 之內，說明該算法經過修訂后適用于反演巖溶地貌區的地表溫度，這為利用HJ－1B 遙感數據開展巖溶地貌區的干旱監測提供技術借鑒。但由于研究中大氣參數和地表比輻射率只能依靠估算方程計算，這對反演精度會有一定的影響，需要在今后的研究中進行下一步驗證。

［1］夏日元，朱遠峰，李兆林.廣西巖溶區農業發展的資源及地質環境特征［J］.廣西科學，1997，4(2):192－195.

［2］徐希孺，柳欽火，陳家宜.遙感陸面溫度［J］.北京大學學報(自然科學版)，1998，34(2):248－253.

［3］李艷芳，李小娟，孟丹.環境減災衛星熱紅外數據的地表溫度反演及LST分布分析——以北京市城八區為例［J］.首都師范大學學報(自然科學版)，2010，31(3):70－75.

［4］周游游，蔣忠誠，韋珍蓮.廣西中部喀斯特干旱農業區的干旱程度及干旱成因分析［J］.中國巖溶，2003，22(2):144－149.

［5］覃志豪，Zhang M H，Arnon K，et al.用陸地衛星TM6 數據演算地表溫度的單窗算法［J］.地理學報，2001，56(4):456－466.

［6］劉三超，柳欽火，高懋芳，等.波譜響應函數和波寬對地表溫度反演的影響［J］.遙感信息，2007(05):3－6.

［7］Jiménez－Mu?oz，J C.，Sobrino，J A.A Generalized Single Channel Method for Retrieving Land Surface Temperature From Remote Sensing Data ［J］.Journal of Geophysical Research，2003，108(D22):4688.

［8］Artis，D A，Carnahan，W H.Survey of Emissivity Variability in Thermography of Urban Areas［J］Remote Sensing of Environment，1982，12(4):313－329.

［9］段四波，閻廣建，錢永剛，等.利用HJ－1B 模擬數據反演地表溫度的兩種單通道算法［J］.自然科學進展，2008，18(9):1001－1008.

［10］覃志豪，李文娟，徐斌，等.陸地衛星TM6 波段范圍內地表比輻射率的估計［J］.國土資源遙感，2004(03):28－32.

［11］Carlson T N，Ripley D A.On the relation between NDVI，fractional vegetation cover，and leaf area index［J］.Remote Sens.Environ.，1997，62:241－252.

［12］GRIEND A，OWE M.On the Relationship Between Thermal Emissivity and the Normalized Difference Vegetation Index for Nature Surfaces［J］.International Journal of Remote Sensing，1993，14(6):1119－1131.