基于MODIS數據的云南省地表溫度反演研究

徐 虹，戴叢蕊

（云南省氣候中心，云南 昆明 650034）

基于MODIS數據的云南省地表溫度反演研究

徐 虹，戴叢蕊

（云南省氣候中心，云南 昆明 650034）

基于MODIS數據反演云南省地表溫度，采用分裂窗算法需要參數較少、易實現。研究表明：云南省地表溫度由北向南遞增，東部高、西部低，基本符合云南省實際情況。利用氣象觀測站實測數據進行驗證，平均誤差為3.16℃，兩組數據基本接近，證明基于 MODIS數據和分裂窗算法反演云南省地表溫度是可行的。

遙感；MODIS；地表溫度；反演；云南

地面溫度是反映土壤、植被、大氣系統能量流動與物質交換、土地資源和環境管理的重要參數［1］，它在氣象、地質、水文、生態等眾多領域有著廣泛的需求。以往研究地表溫度變化，常規方法是使用地面氣象站點的觀測資料。而現在的，由于常用氣象站點空間分布不均勻，依靠地面觀測站大面積獲取地表溫度參數、宏觀把握其時空分布規律有難度。應用遙感技術可以彌補這一不足，大面積地定量反演地表溫度［2］。

MODIS中分辨率傳感器針對陸地、海洋、大氣等波譜特征設計，36個波段中，有5個近紅外波段，分別是波段2、5、17、18和19，其中17、18 和19波段是水汽吸收波段，而波段2、5是大氣窗口波段。31、32波段是熱紅外波段范圍，可用來反演地表溫度。MODIS地面分辨率分別為250m、500m、1000m，光譜分辨率高［3］。因此，利用MODIS遙感影像獲取大區域地表溫度信息和空間分布規律，對于監測地表狀況和生態環境變化有重要意義。

1 MODIS數據的地表溫度反演

劈窗算法是目前遙感反演地表溫度發展最成熟的一種方法，在眾多的劈窗算法中，覃志豪等［4］提出的分裂窗算法需要參數少、計算簡單、反演精度較高。本文應用該方法進行 MODIS地表溫度的反演。

式中，Ts為地表溫度，T31、T32為 MODIS31、32波段的亮度溫度，單位℃，其中：

A0＝－64.6036E1－68.7258E2－273.16，A1＝1＋A＋0.440817E1，A2＝A＋0.473453E2，A＝D31／E0，E0＝D32C31－D31C32，E1＝D31（1－C31－D31）／E0，E2＝D32（1－C32－D32）／E0，Ci＝εiτi，Di＝（1－τi）（1＋τi－εiτi），i＝31、32，E0、E1、E2、C31、C32、D31、D32為中間變量，εi為地表比輻射率，τi為大氣透過率。可見大氣透過率和地表比輻射率是求解地表溫度的兩個關鍵參數，只要計算出這兩個參數，就可以得到地表溫度。

1.1 大氣透射率

大氣透射率是地表輻射、反射透過大氣到達傳感器的能量與地表輻射能、反射能的比值。MODIS 31／32冬季中緯度標準大氣狀況下大氣水汽含量 ω 和τ透過率呈線性關系［5］：τ31＝ －0.10671ω＋1.0415，τ32＝－0.12577ω＋0.99229。

大氣水汽含量 ω可由 MODIS大氣水汽吸收波段19、大氣窗口波段 2反演得到［6］：

其中：τω＝ρ19／ρ2，ρ19、ρ2為MODIS第19、2波段反射率，α、β是參數，對于復合性地表 α＝0.02、β＝0.651。

1.2 地表比輻射率

地表比輻射率是物體與黑體在不同溫度、不同波長下的輻射出射度的比值。MODIS混合像元的地表比輻射率［7］：

式中：εiv、εis為植被和裸土在第i（i＝31、32）波段的地表比輻射率；Pv為像元植被覆蓋度，Pv＝ks、kv為完全裸土和植被的植被指數，根據經驗分別取0.1和0.65；任意像元的植被指數，k＝為MODIS第2、1波段的反射率。

對于水體像元，ε31＝0.99683、ε32＝0.99254，Rv、Rs為植被和裸土的溫度比率，根據地表典型地物溫度差異進行模擬，得出簡單估算植被、裸土的溫度比率公式為：Rv＝0.9332＋0.585Pv、Rs＝0.9902＋0.1068Pv，dε是熱輻射相互作用校正，由植被與裸土之間的熱輻射相互作用產生，可通過如下經驗公式來估計［8］：dε＝0.003796min（Pv，1－Pv），式中：min （Pv，1－Pv）取 Pv和 （1－Pv）的最小值。

2 結果與分析

利用上述方法，選取2012年12月16日14時47分過境的 MODIS數據反演云南省地表溫度如圖1（圖中云南省東部和西北部白色區域有云、雪覆蓋）。

影響地表溫度的因素主要有：緯度、海拔和地表覆蓋狀況等。云南地處低緯高原，地理位置特殊，地形地貌復雜，屬低緯山原季風氣候，全省氣候類型豐富多樣。這決定了其地表溫度的空間分布的復雜格局。總體來看，云南省地表溫度分布由北向南遞增，以哀牢山為界將全省分成兩個區，東部高、西部低。滇西北的迪慶州、怒江州由于海拔較高，地表溫度最低。滇西的保山市、德宏州植被覆蓋率高、森林資源豐富，客觀上起到調節小氣候的作用，這些因素一定程度上造成了這些地區地溫相對較低。滇東南的文山、紅河和滇南的版納平均地表溫度最大。

不同的地物類型的地表溫度差異明顯。滇西北有雪覆蓋的區域，地表平均溫度最低，約為 ＜5℃；滇池、撫仙湖、陽宗海、杞麓湖、程海、洱海等九大高原湖泊由于水面的熱容量大，地表溫度相對較低，約為10～15℃；金沙江、元江、紅河等干熱河谷地區的地表平均溫度最高，約為＞30℃。

3 精度評價

本文利用2013年1月21日、1月31日、2月15日、2月 22日、3月 15日、3月 20日、4月 7 日14時云南省125個氣象觀測站點5cm地表溫度數據與當日14時過境的 MODIS衛星反演結果進行精度分析。地表實測溫度 Tm和 Tr反演結果的平均誤差：

表1 地表溫度反演誤差統計表（℃）

125個站點的平均誤差為3.16℃，最小絕對誤差為0.55℃，最大絕對誤差為5.9℃。其中，5站絕對誤差 ＜1℃，63站絕對誤差＞3℃，誤差存在主要原因可能有以下幾個方面：

（1）遙感數據反映的是1km2范圍內平均的地表溫度，氣象觀測站得到的是單點地溫數據，與遙感反演的地表溫度會產生很大誤差。

（2）受地形和復雜地表覆蓋影響，地表比輻射率這一關鍵參數有一定誤差，造成衛星反演數據的誤差；衛星過境時間只有幾分鐘，而地面測量時間一般是在14∶00～15∶00，時間不同步造成誤差。

（3）使用粗略的大氣校正方法，不能精確地去除大氣影響。

4 結論

MODIS數據是一種高時間分辨率的遙感數據，可以廣泛應用到區域生態環境的近實時監測。目前，地表溫度反演方法中覃志豪等提出的分裂窗算法精度較高、反演參數較少。而且該算法所需要參數均可以從 MODIS的波段中反演出來，因此選擇此算法對云南省的地表溫度進行反演。結果表明：利用遙感反演的云南省地表溫度在空間上呈現由北向南遞增，東部高、西部低的特征；不同地物類型的地表溫度差異明顯。基本符合云南省地表溫度空間分布規律。與實測數據相比較，總體上接近，取得了較好的效果，證明應用 MODIS遙感數據反演云南省地表溫度是可行的。

［1］Li Z，Becker F.Feasibility of land surface temperature and emissivity determination from AVHRR Data［J］.Remote Sensing of Environment，1993，（43）：67－85.

［2］劉玉潔，楊忠東.MODIS遙感信息處理原理與算法 ［M］.北京：科學出版，2001：1－3.

［3］毛克彪，覃志豪.MODIS影像反演環渤海地區的大氣水汽含量 ［J］.遙感信息，2004，76（4）：47－49.

［4］Mao K.A Study of Methods for Land Surface Temperature Retrieval from MODIS Data［M］.Nanjing：Nanjing University Press，2004：26－31.

［5］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估計 ［J］.國土資源遙感，2004，（3）：28－32.

［6］覃志豪，高懋芳，秦曉敏，等.農業旱災監測中的地表溫度遙感反演方法：以 MODIS數據為例 ［J］.自然災害學報，2005，14（4）：64－71.

［7］Sobrino J A，Jimenez－Muiioz J C，Aolini L.Land surface temperature retrieval from LANDSAT TM5［J］.Remote Sensing of Environment，2004，（90）：434－440.

［8］延昊，王長耀，牛錚，等.利用遙感和常規資料對比研究中國地面溫度變化 ［J］.氣候與環境研究，2001，6（4）：447 －459.

Study on Land Surface Temperature Retrieval of Yunnan Province Using MODIS Data

XU Hong，DAI Cong－Rui
（Yunnan Province Climate Center，Kunming Yunnan 650034 China）

Land Surface Temperature（LST）of Yunnan Province was retrieved using the split window algorithm based on MODIS data.This algorithm needs fewer parameters and is easy to achieve.The results showed that the temperature was increased spatially from north to south in Yunnan.The eastern land surface temperature is higher than the west.The result was accorded to the actual situation of Yunnan.The observed data of the weather was used to verify the retrieval result.The average error was 3.16℃.Two groups of data were very close.Therefore，it was practicable to retrieve land surface temperature in Yunnan province applying the split window algorithm based on MODIS data.

remote sense；MODIS；land surface temperature；retrieval；Yunnan

X16

A

1673－9655（2014）05－0001－03

2014－03－27

徐虹 （1974－），女，碩士，高級工程師，主要從事農業氣象與衛星遙感應用研究。