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J 干旱的土地（2014)6(6) :704-716
DOI：10.1007 / s40333-014-0071-z
jal.xjegi.com; www.springer.com/40333
基于Landsat-8 TIRS资料的干旱区地表温度反演 ——以西北石河子地区为例
摘要：对地表温度（LST）地球物理信息的科学兴趣不断增加，因为这些信息为包括环境和农业监测在内的大量应用提供了基础。因此，LST检索的研究已成为一个热门话题。 Landsat-8 satel-lite图像最近的可用性为LST检索提供了新的数据源。因此，探索一种具有可靠精度的自适应方法似乎是必不可少的。在本研究中，基于Landsat-8 TIRS热红外通道的特点，我们重新计算了现有分裂窗算法的大气透过率经验模型中的参数，并借助土地覆盖分类图研究区域。此外，利用更新后的大气透过率和地面发射率的估 计模型，虚拟重建了一个分裂窗算法，然后对新疆维吾尔自治区石河子市的LST进行遥感反演，基于这种改进的算法进行。最后，新模型的精确验证通过使用MODIS LST产品实现。结果表明，基于我们算法的Landsat-8 TIRS数据的LST反演具有较高的可信度，反演的LST与MODIS LST产品更加一致。这表明修改的算法适用于以有竞争力的精度检索LST。在更高的分辨率下，Landsat-8 TIRS数据可以为LST检索提供更准确的观测结果。
关键词：热红外遥感;地表温度恢复;分裂窗口算法; Landsat-8 TIRS
引用本文：杨磊，曹云刚，朱肖华，曾胜和，杨国江，何江勇，杨秀春。基于Landsat-8 TIRS数据的干旱区地表温度恢复：中国西北石河子地区的一个案例研究。干旱地区，6（6）：704-716。 DOI：10.1007 / s40333-014-0071-z
包括水面温度和陆地表面温度（LST）在内的地球表面温度会重新回到地球表面与大气相互作用的临界层温度。 地表温度是反映地球表面环境的重要参数，广泛应用于气候变化，农业文化干旱监测和城市热岛效应等多个研究领域（Friedel，2012; Son 等。2012 ; Maimaitiyiming等，2014）。
获得LST的传统方法是在固定的观测时间和地点通过一个温度计进行测量。由于LST的变化，离散点测量方法不能获得大规模连续的LST信息。然而，卫星热红外遥感技术的发展使得有可能在大区域获得定期重访能力的LST分布（Peng et al。，2014）。自20世纪80年代以来，已经进行了许多研究以探索用于LST检索的图像分析应用的可行性和准确性（Vinnikov等，2011; Li等，2013）。已经提出了多种算法，例如单窗算法，分裂窗算法和多通道算法（秦等人，2001a; Katsiabani等人，2009; Zhou等人，2010），以获得LST基于不同数据和实际应用情况的特点。
目前，可用于取回LST的热红外卫星传感器主要包括NOAA-AVHRR，EOS-MODIS，先进的航天热辐射和反射辐射计（ASTER），LandsatTM / ETM ，HJ-1BIRS和CBERS-02IRMSS （Wan，2008;Jimeacute;nez-Muntilde;oz等，2010; Li等，2010）。其中，单窗口算法适用于Landsat TM / ETM 和HJ-1B IRS，它们只包含一个热红外通道;分割窗算法适用于NOAA-AVHRR和EOS-MODIS，其中包括两个热红外通道;多通道算法适用于EOS-MODIS和ASTER，可以从多个通道提供充足的观测信息。
美国的Landsat系列卫星在监测全球尺度的生态环境变化方面发挥了不可替代的作用。 TM包含一个空间分辨率为120米的热红外波段。 ETM 是通过两个通道中出现的一个热红外波段获得的，其中通道1中的数据固定为高增益（6H），通道2中的数据固定为低增益（6L），空间分辨率为60 m。根据这些特点，Qin et al。 （2001b）提出了一种单窗口算法，而Jimeacute;nez-Muntilde;oz和Sobrino（2003）提出了一种广义的单通道算法。这两种算法都不依赖实时垂直大气廓线和辐射传输的数据模型，并且可以达到很高的精度。此外，TM / ETM 热红外数据的相对较高的空间分辨率使数据能够广泛应用于需要精确地对相关地表温度进行区域分析的应用中（Srivastava等，2009; Ma等， 2010）。
由美国地质调查局（USGS）和国家航空航天局（NASA）于2013年2月11日成功发射了Landsat-8。由Landsat-8携带的实用陆地成像仪（OLI）有9个光谱带，空间分辨率包括一个15米泛彩带，主要用于获取可见光，近红外和短波红外光谱范围内的遥感图像。特别是，由Landsat-8携带的热红外传感器（TIRS）通过将热红外波段划分成两个热红外光谱波段（分别为10.60-11.19和11.50-12.51微米），空间分辨率为100米基于正式的Landsat-7（Irons et al。，2012）。因此，分裂窗算法可以用来消除大气影响，然后以较高的精度获得LST检索结果。
本研究根据Land-sat-8 TIRS资料的特点，对Qin算法（Qin et al。，2001c）应用于NOAA-AVHRR热红外数据的经验关系进行了相关修正，然后应用该算法对石河子市城市热岛进行了改造，并对该算法进行了定量评估。
1.研究领域和数据来源
1.1研究区域
石河子市位于新疆维吾尔自治区北部，天山中部北坡（84°45-86°40E，43°20-45°20N; 300-500米） ; 图。1）。 从南到北，地形分别为天山地区，山前山地丘陵地带，山前平原和阿瓦瓶平原。 该地区的特点是温带大陆性气候。 年平均气温为6.5°C-7.2°C，七月最高，一月最低。 年平均降水量125.0-207.7毫米，年平均蒸散量为1000-1,500毫米。 由于石河子地区是一个典型的干旱灌溉农业区，利用遥感技术开展区域尺度LST回收研究，对该地区生态建设和农业可持续发展具有积极意义。
1.2数据源和预处理
在这项研究中，USGS提供的Landsat-8 L1T数据是2013年9月4日13:04获得的，轨道数为144/29，图像均值为1％。美国国家航空航天局提供当日的MODIS LST /发射率产品（MOD11A1），航迹号为h24v04，空间分辨率为1 km。此外，自动气象站（AWS）观测数据，如研究区域周围的地表蒸气压根据卫星传播时间从当地气象局网站收集。
对于数据预处理，实现了三个程序。首先，通过参考头文件信息对OLI图像进行辐射校准和大气校正。在此过程中，由传感器记录的数字编号（DN）值被转换为表观反射率和OLI和TIRS数据的卫星亮度温度。然后TIRS数据以30米的分辨率重新采样。其次，通过MODIS重复投影工具（MRT）进行MODIS LST产品的格式转换和投影转换（从正弦投影到UTM / WGS1984）。原始的DN值也被转换成LST。最后，通过根据研究区域的矢量边界裁剪上述图像来收集LST重新确定和验证所需的数据。
- LST基于Land-sat-8 TIRS数据的检索方法
2.1地表热辐射传递方程
传感器接收到的热辐射主要包括三部分：大气衰减后的表面热辐射，大气热辐射上升和大气热辐射下沉，大气衰减后被地表反射并最终被遥感器接收到（秦 等人，2001a）。 因此，地表热辐射的传递方程可以表示为Eq。1。
Bi (Ti ) i ( )[i Bi (Ts ) (1 i ) I i ] Ii . (1)。其中，Bi（Ti）是由传感器接收的辐射强度; 我是传感器频道编号; Ti是亮度温度; tau;i（theta;）是通道i在视角theta;处的大气透过率; εi是地面发射率; Ts是LST; Bi（Ts）是表面温度为Ts时的地面辐射强度; Iiuarr;和Iidarr;分别代表上升和下降的大气辐射强度。
Qin et al。 （2001a）发现用上升的大气辐射替代下行大气辐射对Ts的估计值的影响不大。 因此，上述方程可简化为方程2。
|
Bi (Ti ) ii ( ) Bi (Ts ) [1 i ( )][1 (1 i )i ( )] Bi (Ta ). |
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(2) |
其中，Ta是上升有效平均大气温度，Bi（Ta）是上升有效平均大气温度Ta时的大气热辐射强度。
因此，LandSat-8波段10和11可以分别表示为Eq 3和Eq 4。
B10 (T10 ) 1010 ( ) B10 (T10 ) [1 10 ( )]
[1 (1 10 )10 ( )] B10 (Ta ), （3）
B11 (T11 ) 1111 ( ) B11 (T11 ) [1 11 ( )] ，（4）
2.2分裂窗口算法
分裂窗算法是迄今为止最成熟的LST重新求解方法，它是McMillin（1975）首次提出的基于AVHRR热红外数据估算海面温度的方法。 之后，它被Price等人应用于检索LST。（1984）。 其基本原理是，两个通道的亮度温度之间的差异将产生关于大气衰减的信息，如下所示：
[1 (1 11 )11 ( )] B11 (Ta ).
(Li T j T )Bi (T ) / T.
其中，Bi（Tj）和Bi（T）表示两个相邻热红外光谱窗处的辐射强度具有不同的吸收特性。 在过去的三十年中，全世界的学者都提出了10多种分裂窗口算法。 通过实验比较，Qin et al
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