突破！新型算法实现高精度山区地表温度遥感反演
突破！新型算法实现高精度山区地表温度遥感反演
昆明理工大学唐伯惠教授团队近期在山区地表温度遥感反演领域取得重要突破。他们开发了一种新型非线性通用分裂窗（NGSW）算法，能够在无需实时大气廓线数据的情况下，仅通过两个热红外通道的地表发射率和星上亮温数据，精确反演高空间分辨率山区地表温度（MLST）。
山区地形复杂，传统遥感反演方法往往因忽视地形影响而产生较大误差。唐伯惠团队的创新在于，他们基于天空可视因子（SVF）发展了一套山区热红外辐射传输模型，能够有效消除地形和邻近效应的干扰，准确恢复山区像元自身的热辐射特性。
研究团队采用Landsat-9 TIRS-2卫星数据进行验证，选取了云贵高原苍山洱海地区作为研究区域。结果显示，该算法反演的MLST产品在均质下垫面地表的表现优于官方提供的LST产品，并通过DART模型正向模拟进一步验证了其精度。
这项研究成果已发表于《中国科学：地球科学》中英文版2024年第11期，为山区热红外辐射传输过程的研究提供了新的理论依据。
图1 考虑地形和邻近效应的高空间分辨率山区地表温度NGSW定量遥感反演流程图
图2展示了在不同分组条件下，地表温度反演的均方根误差(RMSE)随SVF的变化情况。可以看到对于不同的SVF，地表温度反演的RMSE存在显著的变化。因此，在山区使用NGSW算法反演高分辨率地表温度时必须考虑地形和邻近效应的影响，地形和邻近效应对目标像元的热辐射影响不可忽略。
图2 不同分组条件下地表温度反演的均方根误差随SVF的变化
大气水汽含量的单位是g cm-2
接着，将发展的算法应用于Landsat-9卫星的TIRS2传感器的两个热红外通道数据。选择的研究区位于云贵高原上，包含了苍山洱海一体化保护区。苍山海拔落差大，气候垂直变化明显，从山麓至山顶具有亚热带、暖温带及寒温带三个垂直气候带，因而出现明显的植物垂直分布带谱，且苍山主峰终年积雪。苍山年平均气温为288.65K，年平均最高气温295.35K，年平均最低气温283.35K，全年降水量为1000~1100mm。从洱海表面至苍山顶峰，植被和植物种类的变化极为明显，有着明显的分层信息。
最后利用两种方法对本文反演的MLST产品进行精度验证：(1)将本文反演的MLST和Landsat-9 L2 LST产品对比分析，如图3所示本文算法获得的MLST比官方提供的LST产品在均质的下垫面地表更加合理；(2)在研究区中，选择了两个大小为100*100像元大小的子区域，利用DART模型正向模拟Landsat-9波段10大气层顶的星上亮温，对本文反演的MLST进行间接的精度验证，如图4所示利用本文算法获得的MLST具有较高的精度表现。
图3 两种地表温度产品对比
(a) Landsat-9 L2地表温度产品; (b) 本文方法反演的山区地表温度. 其中, Ao和Am分别表示Landsat-9L2地表温度产品和本文方法反演的地表温度的第一个对比区域, Bo和Bm分别表示Landsat-9 L2地表温度产品和本文方法反演的地表温度的第二个对比区域. GF-2影像分别对应两个对比区域的GF-2真彩色影像
图4 两个子区域的DART正向模拟的星上亮温和TIRS-2第10通道观测到的星上亮温对比散点图
(a) 子区域1; (b) 子区域2
研究结果详细地展示了本文算法能够精确的反演高空间分辨率山区地表温度，并且表明在利用卫星热红外数据遥感反演高空间分辨率山区地表温度时必须考虑山区复杂地形对热辐射的影响，方能生产高精度的山区地表温度产品。