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基于Landsat7 ETM 影像结合iButton温度记录器和气象站资料对南极洲干谷的地表温度反演精度评估
Lars Brabyn amp; Peyman Zawar-Reza amp;
Glen Stichbury amp; Craig Cary amp; Bryan Storey amp;
Daniel C. Laughlin amp; Marwan Katurji
摘要：南极洲的麦克默多干谷是最大的雪/无冰区，占陆地面积的1%。由于恶劣环境条件下，山谷无任何植被。地表温度是确定小气候和显热潜热驱动程序的一个关键地表通量。干谷一直是生态研究的焦点，因为他们可以说是提供最简单的营养结构。在本文中，我们采用了地面验证方法从Landsat7 ETM 影像获得温度并与由四个断面共45个iButtons收集的现场地表温度数据进行比较。一个单一气象站被用来获得在土地调查周期一个更好的每日和季节的地表温度。结果显示出晴朗的天气下在iButton和Landsat7 ETM 产品之间良好的结果的案例。因此我们的结论是Landsat7 ETM 衍生地表温度可广泛使用在空间尺度上的生态研究和气象研究。
关键词：Landsat；地表温度；干谷；南极洲
1 介绍
在尺度层级上表面温度是生物学的一个重要参数，是水文和气候在南极大陆的过程。在行星水平，南极洲是一个散热片，在全球大气环流模式和海流系统起着重要作用。最近气候变化和南极科学委员会得到了一个令人震惊的结论：在这个大陆上的平流层臭氧消耗可能掩盖了全球气候变化的潜在变暖效应。因此，对未来50年臭氧洞恢复的最终预测，表面温度应该 开始呈现上升趋势。随着全球变暖，将会影响海冰范围，藻类生产，全球海洋环流及海洋食物链等。气候变化预测将首先影响最严重的高纬度地区，为了具有成本效益，高分辨的气候监测网络的建立在南极洲很重要。
南极是地球上最干燥，风最大和最寒冷的大陆，由于其地理地貌及平均海拔2000米。大部分的大陆被冰雪覆盖，只有约0.3%的裸露地面。维多利亚土地的麦克默多干谷（以下简称干谷）形成了最大的连片土地裸露。根据地名的字面意思可知，干谷地区水资源紧缺。这是因为这里降水较少，并且寒冷冰冻及全年不可用的大部分生物，除非在夏季从二月到十一月的几个月，其最终表面温度上升到高于冰点。为此，温度被认为是栖息地的一个重要共同决定因素，与可用的雪或冰川在附近提供的熔融水。为了模拟在南极洲生物的分布，需要全面了解温度在时间和空间上的变化。
热红外波段的卫星影像日益可用，并且可以被用来计算出地表温度。MODIS和Landsat热红外影像分别由NOAA和NASA在全球范围内收集。这些图像已经被存档，并提供一个可转换成温度数据的 全面存储。MODIS的热红外空间分辨率为1km，而Landsat7 ETM 的空间分辨率是60m。MODIS的数据每天回馈一次，而Landsat的数据16天回馈一次。由于两个卫星都是极轨，图像在南极上空有很大的重叠，因此数据回馈率更高。已经有相当数量的南极洲的MODIS数据和更高分辨率辐射仪的表面温度数据汇编，这些都被用于展示其温度在时间和空间上的趋势。
遥感数据仍然需要对现场测量进行验证，但高分辨率的空间数据是很少使用的，尤其是在像干谷这种边远地区。而廉价的iButton温度传感器可以缓解这种情况。这些iButtons是最初为易腐物品设计的，如食物的运输和存储过程中监测环境温度的数据记录器。它们越来越多地被用于模拟积雪融化的区域环境研究。它们可以记录和存储数据，每4小时一次可持续一年，非常适用于长期测量。它们有个工作温度范围：-40到 85（℃），并且价格便宜（每个成本不到50美元），这意味着可以在一个景观部署显著的数量来提供空间全面的地表温度。
Landsat衍生的温度已经在许多不同的环境中被证实，但不是在南极，尤其是针对设有iButton记录的空间分辨率的数据库。在日本西部的广岛市及滨海地区进行了Landsat7 ETM 温度的验证研究。他们使用参考校准过的便携式温度计，来验证热敏电阻地面真实的Landsat7 ETM 温度。五个地点覆盖范围的土地在四个不同时间测量（共20次测量）。相关系数从0.9821到0.9994，而Landsat7 ETM 估计与真实观察差异误差为0到1.5℃。研究了一系列的统计技术，用于验证卫星衍生的温度与现场数据，他们检查了MODIS和ASTER影像得出简单的回归表现以及复杂的统计。似乎MODIS的温度读书比其他卫星数据更科学。此外，还有一个实质性的研究来校准卫星热数据的水温度监测。
本文研究了Landsat7 ETM 通过与地面上大约相同的时间内测量的iButton温度对于高于地面705km处循环测量的地表温度的准确性。除了在坡向，坡度和地质变化，南极洲的干谷是一个较温暖的气候，森林、牧场和城市地区多层次混合的相对同质的、简单的、单层次的环境。如果Landsat7 ETM 的单个像素读数准确，那么这有效地提供了60mX60m的地表温度。不重要的地表温度没必要进行野外工作和下载数据，可以使用相对廉价的GIS建模区域产生的栖息地，水文和气候系统。
2 物理环境
如上面提到的，干谷是南极大陆最大的无冰区，占地约6000km2，这里生态独特且相对简单，是个重要的研究地点。干谷的生态环境是非常独特的，是长期生态研究（LTER）的一个重要计划。干谷是由冰川挖掘出来，并且认为无冰是因横断山脉切断从南极东部隆起的冰盖而形成的。其常年无冰是通过消融任何积累的冰雪。
干谷的土地覆盖包括高山，山麓和终年冰川，大部分长年被冰雪覆盖的湖泊，裸露的土壤及河道等。夏季（十一月至二月）有持续的日光，而冬季全天黑暗，谷底温度最低跌至-40℃。年平均气温为-25℃至-20℃；不过，夏季日间地面温度可能会短时间达到甚至高于15℃，但整体而言，夏季气温很少超过0℃。寒冷的气温大大减少大气中的水汽含量和降水，每年仅约10cm以雪的形式降水，这往往是升华而非融化。液态水的可利用率低使干谷有资格成为寒冷的沙漠，干旱的干谷的干重力增加了从南极高原的（下坡）风。表面温度对局部大陆尺度的风的产生起着重要的作用。温度可用于预测模拟在时间和空间的变化下的下降风信息。
遥感在了解南极洲起了重要作用。对热卫星影像可用之前。温度记录是有限的自动气象站（AWS），需要大量的后勤保障和年度保养。物质和经济约束意味着单点温度数据是从干谷中数量有限的使用AWS的位置记录得到的。遥感卫星的热图像远程传感似乎为在广泛空间和时间的表面温度数据的巨大需求量提供了一个具有成本效益的解决方案。
这项研究是在迈耶斯山谷进行的，这是四个小山谷，包括一个叫丹顿的丘陵地区（见图1）。丹顿山位于干谷南端，南极洲罗斯海地区。迈耶斯山谷横贯东西；两个冰川，西侧主要为亚当斯迈耶斯，东侧是开放的罗斯冰架。丹顿山比巨大的干谷小，向北海拔约为1300m。
图1
3 方法
3.1 iButton和自动气象站的温度数据采集
2009年1月，45个iButton（型号DS1921G）被放置在表面下2cm的四个横跨迈耶斯山谷的断面的中间（见图2）。该断面是南北走向，涵盖一系列山谷侧壁和南北方向的高程。最北部和南部地区之间的水平距离为4.4km，由西向东蔓延约3km。所述的iButton分别间隔100米的标高，从而减少地面更陡的水平距离的影响。2cm的深度，确保有没有直接的太阳辐射加热。使用GPS（精度plusmn;6米），方便检索并标注橙色的记录。在2009年12月在南极野外将对iButton回收，可以提供几乎一整个年度的数据集。每个iButton的记录具有独特的标识符，记录仪初始化和下载数据使用两个设备（DS1402-RP3 和DS9490R）。记录间隔设置为4小时，以确保可用内存不超载。下载的文件导入ArcGIS软件中使用“ADD XY DATAfunction and stored as a point shapefile”。
图2
为了长期生态监测的目的，一个自动气象站在迈耶斯谷连续运行。AWS已经自2008的夏季在各个领域运营和服务。自动气象站的位置是220米（见图2），从最近的iButton提供了一个更高的时间分辨率的数据集。AWS样品包含各种气象的重要参数如风速和相对湿度，但相关的研究是在2厘米深度的土壤温度的测量，每15min记录土壤温度的是一个具有plusmn;0.2℃精度适用于minus;40℃到100℃环境下的HOBO S-TMB-M002传感器测量的。AWS的温度被用来了解如何随时间变化的温度（温度梯度），因此Landsat和iButton的记录之间的时间差可以进行补偿，如3.3节所述。
3.2 Landsat7 ETM 的温度计算
地面温度的数据可以从Landsat7 ETM 的波段6计算（60m2的分辨率），其捕获的热红外光谱（10.4-12.5m）。云层覆盖干扰地面反射，因此只有相对晴朗清晰的影像才可以使用。在黑暗的冬季，图像不归档，因此只有夏季的图像能使用。下载和手动检查每一个图像研究期间的云覆盖。因为Landsat7卫星是极轨，拍摄的图像比低纬度接近赤道的卫星通常的16天更频繁。表1显示的日期和19个图像，研究期间自由的捕获云，所有的图像在北京时间19:30至20:30期间被捕获，当地时间为早上8.30至9.30（新西兰夏令时GMT 13小时）。
表1
Landsat7 ETM 热红外传感器检测到的绝对辐射度和存储0和255之间的压缩值，被称为数字号码（DN）。热红外传感器只检测大气（大气-TOP顶部）以上辐射值。Landsat用户手册中指定我们使用的“最小/最大光谱辐射的比例因子技术”，其需要两个步骤获得Landsat影像的地表温度：（1）DN转换到大气辐射（LTOA），（2）大气校正辐射转换到温度。
从Landsat7 ETM 的DN转换到大气辐射的顶部（LTOA）每平方米的球面瓦（W sr-1m-1），使用以下公式：
（1）
当LTOA=传感器孔径的光谱辐射，QCAL=255，QCALmin=1，Lmax和Lmin=TOA辐射规模，QCALmax和QCALminDN=带6数字的数值。
LTOA可以使用以下的大气校正方程。
（2）
当Llambda;=大气校正辐射率，LTOA=光谱辐射传感器的孔径（TOA），Lu=大气路径辐射或上升流，Ld=云辐射度或下降流，tau;是大气透射率，εo是表面辐射率。除了表面辐射率，这些变量是特定的每个图像，以下美国航空航天局网站获得：http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/atm_corr.html.表面辐射率是一个表面通过辐射释放能量的相对能力。它是由一个特定的表面辐射的能量与同一温度下的黑体辐射的能量的比值。一般情况下，在38℃下花岗岩的辐射率为0.45砂砾为0.28，但这会随温度的变化而变化。该iButton在砾石花岗岩复合材料处进行一系列的辐射率值试验。高辐射率值甚至比iButton数据过度高估温度。在南极环境的辐射率信息的情况下，1的值被均匀地应用。这意味着在任何情况下，在研究区由于大气条件对研究区它的作用非常有限，因此模型简化为大气透过率和大气路径辐射计算大气校正。
辐射温度的转换利用普朗克方程或Landsat7 ETM 的普朗克曲线的具体估计：
（3）
当T是开尔文温度：Llambda;是光谱辐射亮度（W/m2*sr*mu;m）；K1和K2分别为校准常数666.09和1282.71。然后开尔文温度通过加273.15°转换为摄氏度。然后使用ArcInfo的工作站平台处理所有的数据。
3.3 Landsat和iButton数据空间整合
Landsat7 ETM 产生地理参考面温度（光栅层）。这些卫星数据是地表温度，可以在空间上连接到GIS点shapefile的按钮。ArcGIS工具“Add Surface Information”提供了这个功能。本空间连接的结果是iButton和Landsat温度表，然后可以用于进一步的分析。卫星热红外波段的空间分辨率为60m，GPS的定位精度为6m，因此卫星像素将泛化iButton周边地区。
Landsat7 ETM 有一个传感器故障导致像素的随机线条偶尔停用。有时停用对应的一些iButtons的位置，因此，只有725可用比较记录，而不是预期的855（19个Landsat记录times;45个iButton）。Landsat5 TM可能已被用来取代这些象素停用但对于这项研究用725比较记录已经足够了。随后的iButton和Landsat ETM 的温度用一个简单的线性相关性比较。
在iButton记录器设置为在某些位置每4小时存储数据，因此卫星立交桥和原位测量之间高达2小时的差别。为了评估这种不匹配的定时的意义，校正施加到iButton的数据。在早上立交桥发生时，温度可以迅速上升。温度上升的梯度计算为从气象站每天早上低于和数据描述
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