衛星遙感植被地表溫度空間特征的再認識

康悅++田輝++楊顯玉++陳昊++文軍

摘 要：衛星遙感在監測陸面環境狀況和估算陸面變量等領域有不可替代的優勢，而衛星遙感估算的地表溫度和植被指數產品在土壤墑情和干旱監測等方面有廣泛的應用，該研究利用在不同時間尺度、空間尺度和不同土地覆蓋類型上的植被指數和地表溫度衛星遙感數據產品，分析了植被-地表溫度空間中的散點分布形態特征。結果表明：在植被-地表溫度空間中的散點分布形態受陸面多種因素影響，將其簡化為三角形或梯形有失客觀性，以此為基礎，提出確定植被-地表溫度空間中干邊和濕邊數值的方法。

關鍵詞：遙感 植被 溫度 空間特征 地表類

中圖分類號：P237 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（c）-0002-02

在由衛星遙感數據產品構建的植被-地表溫度空間中，植被指數和地表溫度之比與土壤濕度或陸面蒸散發量有很好的相關性。自1989年以來國內外學者在進行了大量的分析研究。得到如下結論：在給定研究區域和有限時段內，植被-地表溫度空間中的散點分布呈三角形和梯形，并利用其進行了區域蒸散發量、土壤濕度、干旱和土壤墑情的監測研究。

然而，我們最近的研究表明：在黃土高原地區，如果選取衛星遙感植被指數和地表溫度的時間序列較短，則植被-地表溫度空間中的散點分布并非呈三角形和梯形， 據此得到的干邊和濕邊數值有很大的不確定性基于此，該文目標是探究在不同時空尺度和土地覆蓋類型上，植被-地表溫度空間中的散點分布形態，為進一步利用此方法進行土壤濕度和土壤墑情干旱程度等監測等提供參考理論依據。

1 數據與方法

該研究所用資料來自美國對地觀測衛星中等分辨率成像儀（MODIS）數據產品中的植被指數和地表溫度，空間分辨率為0.05 °×0.05 °，植被指數時間分辨率為16天，地表溫度時間分辨率為1天，資料時間跨度為2002年1月至2012年12月。為了使兩種數據時間尺度匹配，將植被指數內插為時間分辨率為1天的數據，該文還用到美國橡樹嶺國家實驗室根據國際地圈生物圈計劃（IGBP）植被分類方案利用MODIS數據制作的全球土地覆蓋類型數據，空間分辨率0.05 °×0.05 °。

為了探究不同土地覆蓋類型上植被-地表溫度空間中散點的分布形態特征，該研究將選取不同時間尺度、不同空間尺度和不同土地覆蓋類型的植被指數和地表溫度數據，分別制作選取不同研究區域條件下， 植被-地表溫度空間中的散點分布形態圖， 由此定量評估植被-地表溫度空間中散點分布形態的特征，并由此給出確定干邊和濕邊數值方法。

2 結果分析研究

2.1 植被-地表溫度空間中散點分布形態對數據時間序列長短的依賴性

為了揭示給定研究區域內植被-地表溫度空間中散點分布形態對時間序列的依賴性，該研究首先選取黃土高原地區，分別給出日、月、年和11年時間尺度上植被-地表溫度空間中散點分布圖。從圖1可以看出： 當時間序列較短時，植被-地表溫度空間中散點分布完全不呈三角形或梯形，而只有當時間序列尺度到年尺度時，三角形或梯形分布才明顯，而且隨著時間序列更長（或數據樣本足夠多時），散點分布形態也比較穩定。由此可以總結出：在判定某一區域植被-地表溫度空間中的散點分布形態并確定其干邊和濕邊數值時，要求所用數據有足夠長的時間序列或樣本數。

2.2 植被-地表溫度空間中散點分布形態對數據空間范圍的依賴性

為探討植被-地表溫度空間中散點分布對數據空間范圍變化的依賴性，選取2002-2012年不同空間范圍（100×100像素、400×400像素、800×800像素及全球范圍）植被指數和地表溫度衛星遙感數據，分別給出植被-地表溫度空間中散點分布.如圖2所示。可以看出：植被-地表溫度空間中散點分布形態對數據范圍依賴性較強。而只有范圍足夠大時，散點分布形態才呈現出三角形或梯形，而選全球數據時，剔除不合理數據時，這種關系更穩定。

2.3 植被-地表溫度空間中散點分布形態對土地覆蓋類型的依賴性

由于植被指數只反映地面植物生長狀態的綠度，對裸露地表而言，地表溫度是土壤表面的溫度，而在濃密植被覆蓋條件下， 地表面溫度可以認為是植物冠層頂溫度。 不同類型的植被對地表溫度的響應不同，如果完全以相同植被指數對應的溫度確定植被-地表溫度空間中的干邊和濕邊數值時，估算肯定會帶來很大誤差。因此，在不同土地覆蓋類型，分別確定植被-地表溫度空間中散點分布的干邊和濕邊時是很有必要的。為此，該研究選取2002-2012年間全球范圍植被指數和地表溫度衛星遙感數據， 分別給出在不同的土地覆蓋類型植被-地表溫度空間中散點分布，見圖3所示。

從圖3可以看出：對每一種土地覆蓋類型，選取2002-2012年期間全球范圍的衛星遙感植被指數和地表溫度數據，植被指數與地表溫度有較好的物候對應關聯。如常綠闊葉林一般在溫熱地區，植被指數總是比較大，對應地表溫度也較高；而落葉闊葉林的植被指數有一個從小到大的變化過程， 在植被指數比較大時，對應地表溫度也比較高；而在沙漠地區，地表溫度較高樣本較多， 但也出現一個植被指數較高且地表溫度也較高的區域，這可能與沙漠中有綠洲區域有關。

從以上分析還可以總結出：該研究盡管選取了11年的全球衛星遙感植被指數和地表溫度數據，但每一種土地覆蓋類型下，植被-地表溫度空間中散點分布并不完全相同，也沒有呈現出三角形或梯形分布。因此，在利用衛星遙感數據產品進行地面干旱程度或土壤墑情監測時，需要在相同植被覆蓋的前提下足夠長的時間序列或樣本數。基于此，在植被-地表溫度空間中，應該刪除植被-地表溫度空間中少數不合理的散點， 并分別對不同土地覆蓋類型，選取散點的地表溫度最大值和最小值的集合構建干邊和濕邊數值。

3 結論

通過以上分析， 我們總結出兩點結論：

（1）植被-地表溫度空間中散點分布為三角形或梯形的假說被長期并廣泛使用， 但并不客觀.應根據不同土地覆蓋類型，選取足夠長的時間序列或樣本數判定其中的散點分布形態。（2）利用衛星遙感數據進行土壤濕度、旱程度和土壤墑情等監測時， 不推薦使用線性擬合確定植被-地表溫度空間中確定干邊和濕邊數值，而應該根據不同地表覆蓋類型，選取有足夠時間長或足夠多樣本數的散點地表溫度最大值和最小值確定干邊和濕邊數值。

參考文獻

[1] 王鵬新，Wan Z M，龔健雅，等.基于植被指數和土地表面溫度的干旱監測模型[J].地球科學進展，2003，18（4）：527-533.

[2] 劉良云，張兵，鄭蘭芬.利用溫度和植被指數進行地物分類和土壤水分反演[J].紅外與毫米波學報，2002，21（4）：269-273.

[3] 韓麗娟，王鵬新，王錦地，等.植被指數-地表溫度構成的特征空間研究[J]. 中國科學（D輯），2005，35（4）：371-377.