基于Landsat8 TIRS 的富民盆地地表溫度反演對比分析

晁江琴CHAO Jiang-qin

（昭通學院，昭通 657000；金沙江流域研究中心，昭通 657000；云南大學，昆明 650000）

0 引言

地表溫度是研究區域尺度和全球尺度陸地表面物理過程的關鍵參數之一，在全球地表能量平衡、土壤水分狀況監測、地熱位置判別中發揮著重要作用（孫晨紅，2015，陳媛媛，2017）。熱紅外遙感利用攜帶的熱紅外傳感器收集、記錄地物的熱紅外信息，并且根據收集的信息識別地物，反演地表熱慣量、溫度、濕度等參數，是地表溫度反演的常用技術手段。Landsat 衛星是美國NASA 的陸地衛星（Landsat）計劃，Landsat6、Landsat7、Landsat8、Landsat9 均搭載有熱紅外傳感器，根據不同熱紅外數據，學者們在國內外多地區開展地表溫度反演（Qin 等，2011，Romaguera 等，2018，Gemitzi 等，2021，Liu 等，2021），研究成果表明，地表溫度反演對城市熱島效應分析（周毅等，2019）、地熱資源探測（唐超等，2017，Chan 等，2018，Romaguera 等，2018，Wang 等，2019，Gemitzi 等，2021，辛磊等，2021）等具有重要作用。Landsat8 TIRS 的第10 波段和11 波段屬于熱紅外波段，可以進行地表溫度反演。目前，利用Landsat8 TIRS 數據反演地表溫度的方法有單窗算法、基于輻射傳輸方程算法、單通道算法、劈窗算法以及ENVI-LST 插件算法，部分算法反演精度已經達到了1K 左右。在上述研究中，將這五種反演方法分別進行地表溫度反演并比較分析其差異性的研究并不常見，仍值得進一步驗證與研究。以昆明近郊富民盆地為研究區，利用Landsat8 TIRS 數據分別采取以上五種算法反演研究區地表溫度，并將不同方法進行相互交叉驗證，同時利用地面觀測站實測地溫數據進行相關性驗證，反演結果可為分析城市熱島效應、盆地地熱探測等提供一定科學依據。

1 研究區位置

研究區富民盆地地處滇中，位于昆明市西北，縣城距昆明主城區23km，是昆明市的近郊縣，屬昆明市半小時經濟圈和云南省經濟較發達的滇中經濟圈，昆祿二級公路和武（武定）昆（昆明）高速公路穿境而過，交通區位優越地理坐標范圍：東經102°21′-102°47′，北緯25°08′-25°36′。

2 研究數據與預處理

研究選取2021 年3 月25 日Landsat8 TIRS 影像數據，其中OLI 影像衛星過境時間為UCT03:54，數據獲取時間為冬末春初，天氣為少云晴朗，地表植被覆蓋相對稀疏，溫差較大，利于地表溫度異常信息提取。其多光譜影像的空間分辨率為30m，全色影像為15m，熱紅外影像空間分辨率為100m。遙感數據下載自地理空間數據云（http://www.gscloud.cn/search），采用的是WGS84UTM 投影。影像受大氣吸收與散射、傳感器定標、地形地貌等因素影響，存在輻射失真，為消除上述影響，先進行影像預處理，預處理過程包括輻射定標、FLAASH 大氣校正、幾何配準、影像裁剪等。

3 地表溫度反演算法

3.1 基本方法

針對Landsat8 TIR 數據地表溫度反演算法包括輻射傳導方程算法、單窗算法、單通道算法、劈窗算法等（宋挺，等，2015）。

①輻射傳導方程算法。在地—氣輻射傳輸過程中衛星收到的熱紅外輻射能量由3 部分組成：大氣上行輻射亮度；地面的真實輻射亮度經過大氣層衰減后衛星傳感器接收的能量；大氣下行輻射亮度。其表達式為（1）：

式中，εi為地表比輻射率，TS為地表真實溫度（K），Bi（TS）為黑體熱輻射亮度，τi為大氣在熱紅外波段的透過率，L↑為大氣上行輻射，L↓為大氣下行輻射。

②單窗算法。減少對大氣廓線的依賴，引入大氣平均作用溫度（龔紹琦等，2015），將大氣和地表的影響直接包含在反演算法中，通過大氣平均作用溫度和大氣透過率兩個大氣參數，反演地表溫度。其公式如下：

式中，TS為地表真實溫度（K），a，b 為回歸系數，ε 為地表比輻射率；τ 為大氣在熱紅外波段的透過率；Tb是熱紅外波段的像元亮度溫度（K）；C 和D 為參數；Ta為大氣平均作用溫度；K1和K2為發射前預設的常量，在Landsat8TIRS 影像元文件中可查得。

③單通道算法。根據輻射傳輸方程，針對單個波段，使用水汽含量和近地表溫度作為輸入參數進行地表溫度反演。其組合公式為（6）：

式中：Tsensor為亮度溫度，Lsensor為傳感器接收到的輻射強度，ψ1，ψ2，ψ3是大氣功能參數，γ，δ 為中間變量。

④分裂窗算法。在眾多地表溫度熱紅外反演算法中，分裂窗算法因其原理清晰，計算簡單，在熱紅外遙感溫度反演中得到了廣泛的應用，該算法減少了對大氣廓線的依賴，利用大氣透過率和大氣水汽含量之間以及平均大氣溫度和近地表空氣溫度之間的經驗線性關系，實現了僅需要W 和近地表氣溫來進行大氣校正的目的。表達式為（7）：

式中，Ts為地表溫度（K）；Ta，Tb為兩個不同波段的亮溫度（K）；A0、A1、A2是由大氣狀況、觀測角及地表比輻射率決定的系數，對于不同算法其系數確定方法有所不同。

3.2 結果輸出

基于研究區Landsat8 TIR 遙感數據，經波段運算后得到地表溫度反演結果，同時進行密度分割并將溫度劃分區間，上述四種算法反演得到研究區地表溫度分布如圖1 所示。輻射傳導方程算法反演溫度范圍18.3-42.8℃，平均溫度30.6℃；單窗算法反演溫度范圍17.8-42.7℃，平均溫度30.3℃；單通道算法反演溫度范圍16.2-38.1℃，平均溫度27.1℃；劈窗算法反演溫度范圍17.8-45.0℃，平均溫度31.4℃。

4 結果分析

4.1 結果精度分析

驗證反演算法精度的方法包括獲取地面實測地溫數據進行驗證、衛星地溫產品驗證和各算法相互交叉驗證三種方法。本研究采用收集地表2m 高程實測地溫數據和四種算法相互交叉驗證的方法。

①將四種算法反演結果與氣象站實測氣溫數據進行對比驗證：使用富民氣象站提供的歷史氣溫記錄進行精度驗證，根據影像資料，衛星過境時間為（UCT+8）11:54，當天上午氣溫（2m 高程）為19.86℃，符合四種算法反演結果溫度區間。②不同算法反演結果相互交叉驗證。反演結果表明，四種地表溫度反演算法反演的地表溫度值均比較接近，統計各算法最大、最小值、平均值和標準差，結果見表1；為對比分析，統計各算法反演平均差值數據見表2；差值標準方差見表3。

表1 Landsat8 TIR 數據四種不同算法反演結果統計表

表2 Landsat8 TIR 數據四種不同算法反演結果平均溫差（取絕對值）

表3 Landsat8 TIR 數據四種不同算法反演結果差值標準方差（取絕對值）

由表1 可以看出，輻射傳輸方程算法和單窗算法的反演結果最接近，其最大值相差0.1，最小值相差0.5；表2、表3 反映其平均溫差相差最小，為0.3，差值標準方差相差亦最小，為0.1，說明兩種算法在Landsat 地表溫度反演時適宜性最高。單通道算法反演結果最大、最小值，平均值、標準差均明顯小于其他算法，這是由于單通道算法反演參數較少所致。劈窗算法反演地表溫度在四種算法中最大值、平均值、標準差明顯偏大，反演精度并不理想，這是因為Landsat8 具有兩個TIRS 波段，原本可以用劈窗算法來消除大氣的影響，但由于TIRS 11 熱紅外波段的定標參數不穩定，這也是美國地質調查局（USGS）暫不鼓勵用劈窗算法來反演地表溫度的原因。

4.2 結果空間特征分析

將反演地表溫度與遙感融合影像疊加分析可知，地表高溫值主要出現在熱輻射特性較強的巖石、土壤和人工建筑區，尤其在研究區北部和西部地區，低值主要出現在陰坡面或植被覆蓋區，盆地區由于人類活動熱島效應影響，也會出現相對高溫區。

5 結論

①Landsat8 TIR 遙感數據獲取方式簡單，不受通行條件限制，能滿足快速反演地表溫度的要求。②通過與歷史天氣對比、四種反演算法相互交叉對比，表明輻射傳輸方程算法和單窗算法反演結果關聯性高，可靠性強，反演結果可為分析城市熱島效應、地熱開發等提供科學依據。③地表溫度反演結果受地形、季節、天氣等影響，本身還存在一定誤差，反演結果精度評估中受條件限制未采用地溫產品更準確評估反演精度，今后相關研究可考慮改進算法反演精度。