基于Landsat-8 海域海溫反演
——以寧波舟山附近海域為例

楊雷，倪章華

（寧波海洋研究院）

1 引言

海溫對于能源開發、海洋軍事以及海洋環境的發展是非常重要的。遙感手段與直接觀測相比具有大范圍同步觀測且費用低的優點。同時衛星影像資料對同一點可進行長期分析觀測，彌補了現場海溫測量的不足。

許多學者提出了熱紅外影像的SST反演方法，其中包括多通道海表溫度反演方法（MCSST）[4]和基于大氣校正法的SST 反演算法等[1,2,6]。基于以上方法，又有學者提出采用統計模型或者直接忽略大氣效應采用NASA 提供的簡單模型的方法[3,5]。隨著海洋戰略的發展，我國對海溫分布細節越來越重視，對高空間分辨率的海溫產品的需求變得尤為迫切。目前海溫數據分辨率較低，融合后的海溫產品空間分辨率一般為5km 到9km，海域海溫的監測尺度過大。Landsat-8 于2013 年2 月11 號發射升空，主要載有OLI 和TIRS 傳感器包括總共11 個波段，具有較高的空間分辨率，在空間分辨率上滿足了尺度上的需要。

2 數據及方法

2.1 研究區概況

本文研究區位于寧波和舟山附近海域。該區域地理、水文、生物等優越自然條件，尤其是附近的舟山漁場海域更是適宜多種魚類繁殖、生長、索餌、越冬的生活棲息地。

2.2 反演方法

衛星遙感器是通過探測地表的熱輻射強度來推算地表溫度。水體在熱紅外譜段上，接近于黑體，其比輻射率為0.995。應用輻射傳輸方程法和衛星過境時的同步大氣數據計算，從而得到地表熱輻射強度，進而計算出相應的海表溫度，具體如式（1）。

其中，ε為地表輻射率，ST 為地表真實溫度，B(ST)為黑體在ST 溫度下的熱輻射亮度，τ為熱紅外波段的大氣透過率，因此B(ST)可表達為：

式（2）中的大氣上行輻射亮度、大氣下行輻射亮度和大氣透過率可通過在NASA 查詢得到。

根據普朗克公式的反函數，如式（3）所示，求得地表真實溫度ST。

3 結果與分析

研究區均勻選擇10 個點，分別為溫度反演結果和對應的驗證溫度，并制作兩者的散點圖，結果如表1 所示。

表1 中可以的得出反演溫度均低于驗證溫度，反演溫度的平均絕對誤差為0.78℃，平均相對誤差為2.79%。云霧作為熱紅外遙感遙感的主要誤差來源，在反演海溫計算中會帶來一定的誤差。當云的大小小于觀測的視場范圍時，云檢測的方法很難起到作用，而傳感器接收輻射量時也把云的部分算入，因此云覆蓋附近區域反演誤差相對較大。

基于監測結果的基礎上，對云覆蓋區域進行掩膜并對整個研究區域進行反演海溫，得到研究區海域海表溫度，結果如圖1 所示。

表1 樣本點反演精度

4 結語

本文針對海溫細節的需求，基于Landsat-8 熱紅外影像，利用輻射傳輸方程，在寧波舟山附近海域開展海表溫度遙感反演，并結合同步的融合海溫產品進行了精度驗證，反演溫度的絕對誤差為0.78℃，平均相對誤差為2.79%。結果表明，Landsat-8 熱紅外遙感影像適用于海溫反演，彌補了海溫監測的空間分辨率上的不足，解決了近海海島附近海域海溫監測尺度過大問題。

圖1 寧波舟山海域海表溫度空間分布

同時，從驗證結果中發現，云霧在海溫反演中會不可避免的帶來不確定的誤差，特別是一些經常有薄云存在的區域，云檢測很難將這類區域區分出來，如果把存在薄云區域視為晴空區域，會使得反演結果偏離實際溫度，產生較大誤差。因此，好的大氣校正方法和精確的云檢測方法對于海溫反演是必要的。