黄河三角洲Sentinel...度时空连续海陆表面温度反演_张赟.pdf

测绘通报年第期引 文 格 式：张赟，李 鹏，李 振 洪，等黄 河 三 角 洲-高 精 度 时 空 连 续 海 陆 表 面 温 度 反 演 测 绘 通 报，（）：-：-黄河三角洲-高精度时空连续海陆表面温度反演张 赟，李鹏，李 振 洪，王 厚 杰，（中 国 海 洋 大 学 海 洋 地 球 科 学 学 院 河 口 海 岸 带 研 究 所，海 底 科 学 与 探 测 技 术 教 育 部 重 点 实 验 室，山 东 青 岛；青 岛 海 洋 科 学 与 技 术 国 家 实 验 室 海 洋 地 质 过 程 与 环 境 功 能 实 验 室，山 东 青 岛；中 国 科 学 院 精 密 测 量 科 学 与 技 术 创 新 研 究 院 大 地 测 量 与 地 球 动 力 学 国 家重 点 实 验 室，湖 北 武 汉；长 安 大 学 地 质 工 程 与 测 绘 学 院，陕 西 西 安）摘 要：海 陆 表 面 温 度 是 理 解 全 球 变 化 与 人 类 活 动 的 关 键 参 数。针 对 已 有 温 度 反 演 产 品 海 陆 边 界 时 空 不 连 续 的 问 题，本 文 采 用-海 陆 表 面 温 度 辐 射 计（）光 学 与 热 红 外 影 像，通 过 植 被 指 数 阈 值 法 逐 像 元 计 算 陆 表 与 海 表 发 射 率，基 于 分 裂 窗 算 法反 演 得 到 黄 河 三 角 洲 陆 海 表 面 时 空 连 续 温 度 产 品。结 合 地 面 温 度 观 测 和 欧 洲 中 期 天 气 预 报 中 心 提 供 的 全 球 中 等 分 辨 率 数 值 大 气再 分 析 产 品，验 证 了 本 文 陆 海 温 度 产 品（均 方 根 误 差 优 于.）反 演 精 度 高 于 现 有 公 开 的 全 球 产 品，可 为 全 球 时 空 连 续 温 度 产 品反 演 提 供 参 考。关 键 词：-；海 表 温 度；陆 地 温 度；地 表 发 射 率；黄 河 三 角 洲中 图 分 类 号：文 献 标 识 码：文 章 编 号：-（）-，（，；，；，；，）：（）（），-（）（）-，-（），.-：-；陆 表 温 度（，）和 海表 温 度（，）在 地 球 表 面 与大 气 相 互 作 用 过 程 中 发 挥 着 重 要 作 用，对 于 农 业 气象、生 态 水 文、全 球 变 化 与 应 对 等 领 域 研 究 而 言 是基 础 数 据 源-，因 此 科 学 准 确 地 反 演 海 陆 表 面 温度 具 有 很 强 的 现 实 性。星 载 热 红 外 遥 感 获 取 地 表 温 度 的 研 究 始 于世 纪年 代，国 内 外 学 者 利 用 对 大 气 辐 射 传 输收 稿 日 期：-；修 回 日 期：-基 金 项 目：国 家 自 然 科 学 基 金（-；）；大 地 测 量 与 地 球 动 力 学 国 家 重 点 实 验 室 开 放 基 金（-）；河 口 海 岸 学国 家 重 点 实 验 室 开 放 基 金（-）作 者 简 介：张 赟（），女，硕 士 生，主 要 从 事 河 口 海 岸 带 环 境 遥 感 研 究。-：通 信 作 者：李鹏。-：年第期 张 赟，等：黄 河 三 角 洲-高 精 度 时 空 连 续 海 陆 表 面 温 度 反 演方 程 的 近 似 和 假 设，先 后 提 出 了 多 种 地 表 温 度 反演 算 法。其 中，分 裂 窗 算 法 利 用 两 个 相 邻 通 道存 在 对 大 气 吸 收 作 用 不 同 的 特 点，将 两 个 通 道 的亮 温 进 行 线 性 组 合 即 可 消 除 大 气 的 影 响。分 裂 窗算 法 由 最 初 海 表 温 度 反 演 逐 渐 应 用 到 陆 表 温 度 反演，相 比 均 匀 的 海 表，陆 表 地 物 类 型 复 杂 导 致 发 射率（，）变 化 较 大。文 献通 过 改 进 发 射 率 项 有 效 缩 小 此 类 误 差，成 功 地将 多 通 道 算 法 运 用 到 农 田 地 区 的反 演。文 献提 出 了 一 种 适 用 于 欧 空 局-海 陆 表 面温 度 辐 射 计（，）的 地 表 温 度 反 演 的 分 裂 窗 算法，对 比 了 两 个 观 测 角 度 的 亮 温 在 不 同 土 地 覆 被类 型 上 的 差 异，发 现 裸 地 的 地 表 亮 温 差 的 标 准 差最 大，而 常 绿 阔 叶 林 的 地 表 亮 温 在 不 同 观 测 角 度变 化 较 小。文 献 推 导 出 一 种 基 于 模 型-数 据-知 识 驱 动和 深 度 学 习 的反 演 方 法，该 方 法 不 需 要和透 射 率 等 先 验 知 识，只 需 要 将 亮 温 作 为 输 入 参 数。文 献 验 证 了种海 表 温 度 反 演 算 法 的 精度，在 选 用 海 表 发 射 率 灰 体 模 型 时，分 裂 窗 算 法 的 精 度 最 高。文 献 基于 中 分 辨 率 成 像 光 谱 仪（）产 品，分 析 了年 间 我 国 东 海 海 表 温 度 时 空 演 化 规 律，结 果 表 明 东 海总 体 呈 上 升 趋 势。目 前，陆 表 或 海 表 温 度 产 品 相 对 独 立，彼 此 关联 性 不 强，空 间 连 续 的 温 度 产 品 有 助 于 深 入 理 解全 球 变 化 与 人 类 活 动 相 关 的 地 球 系 统 过 程、模式 与 机 制-，但 是 相 关 研 究 仍 然 较 少，因 此 基 于数 据 的 海 陆 连 续 温 度 反 演 具 有 重 要 的 应 用价 值。本 文 以 黄 河 三 角 洲 为 研 究 区 域，以-为 主 要 数 据 源，通 过 植 被 指 数 阈 值 法 与 分 裂窗 算 法 逐 像 元 计 算 地 表 发 射 率 和 海 陆 表 面 温 度，并进 一 步 探 讨 地 表 温 度 与 土 地 覆 被 类 型 的 相 关 性 与时 空 动 态 变 化 特 征。研 究 区 域 与 数 据 源.研究区域黄 河 三 角 洲 位 于 山 东 省 东 营 市 黄 河 入 海 口，东邻 莱 州 湾，北 靠 渤 海 湾，属 于 温 带 季 风 型 大 陆 性气 候，四 季 分 明，雨 热 同 期。土 地 覆 被 类 型 主 要为 农 田、湿 地、水 体 和 城 镇。地 理 位 置 分 布 如 图所 示。图研 究 区 示 意.数据源.-数 据-卫 星 于年月日 发 射，搭载 海 陆 色 度 仪（，）和 海 陆 表 面 温 度 辐 射 计（），提 供 全 球多 光 谱 中 分 辨 率 海 洋 与 陆 地 表 面 观 测。共 有个 波 段，包 含 可 见 光、近 红 外、中 红 外 波 段（分 辨率）和 热 红 外 波 段（分 辨 率）。本 文 采 用年 间 冬 季（、月）和 夏 季（、月）的辐 射 与 亮 度 温 度（，）-影 像 共 计景，均 为 无 云数 据。.数 据本 文 在 估 算 地 表 发 射 率 的 过 程 中 使 用 了 先 进星 载 热 发 射 和 反 射 辐 射 计（，）全 球 发 射 率 数 据 集（，）。美 国 航 空 航 天 局 发 射 的卫 星，包 含个 热 红外 通 道（.、.、.、.和.）发 射 率 平均 值 和 标 准 差、归 一 化 差 分 植 被 指 数（）平 均 值和 标 准 差、经 度、纬 度 及 观 测 次 数 等，采 用分 幅，有 和 两 种 空 间 分 辨 率。.再 分 析 数 据 集欧 洲 中 期 天 气 预 报 中 心（）发 布 的 全 球中 等 分 辨 率 数 值 大 气 再 分 析 产 品（）可 以 提 供年 至 今 的 大 气 和 地 表 参 数，空 间 分 辨 率 为.，时 间 分 辨 率 为。本 文 采 用相 对 湿度、气 温 数 据 计 算 大 气 水 汽 含 量，并 结 合温 度 产 品 对 本 研 究 海 表 温 度 结 果 进 行 验 证。.地 面 站 点 实 测 数 据采 用 山 东 省 东 营 市 地 面 气 象 站 点 实 测 数 据 验 证陆 表 温 度 精 度，该 数 据 来 自 国 家 气 象 科 学 数 据 中 心，测绘通报年第期站 点 地 理 坐 标 为（.，.），海 拔 为。研 究 方 法技 术 路 线 如 图所 示，主 要 包 括 数 据 获 取、数 据预 处 理、海 陆 表 面 温 度 反 演、结 果 分 析部 分。以 目视 解 译 方 法 提 取 的 瞬 时 海 岸 线 进 行 海 陆 分 离，用 海陆 表 面 湿 度 参 量 计 算 得 到 大 气 水 汽 含 量，最 后 通 过分 裂 窗 算 法 反 演 黄 河 三 角 洲 海 陆 表 面 温 度。分 裂窗 算 法 的 公 式为 （）（）（）（）（）式 中，和为第、两 个 热 红 外 通 道 的星 上 亮 温；为 观 测 天 顶 角方 向 上 的 总 大 气 水 汽含 量；（，）为 算 法 系 数；为 两 个 通 道的 平 均 发 射 率（）；为 两 个 通 道的 发 射 率 差（）。根 据 东 营 气 象 站 点 和再 分 析 数 据 集 提 供的 空 气 温 度 和 空 气 湿 度 计 算 得 到 大 气 水 汽 含 量。由 图可 知第、波 段 和第、波 段 的 波 长 范 围 相 近，存 在 近 似 线 性 关 系。因 此可 利 用 产 品 估 算第、热 红 外通 道 的 海 陆 表 发 射 率。图技 术 流 程图 第、通 道 和第、通 道 的光 谱 响 应 函 数结 果 与 讨 论.陆表温度结果与同类产品对比选 取景 无 云 遥 感 影 像反 演 结 果 与产 品 进 行 差 分 对 比，结 果 如 图所 示。可 以 发现，反 演 的与 产 品 的 陆 表 温 差 值 集中 在 至 以 内，在 城 乡 建 筑 区、大 型 基 础 设施、河 口 地 区 温 差 相 对 较 大（可 达）。图将 反 演 的与 产 品 的 陆表 温 度 值 差 分，结 合 全 球 分 辨 率 土 地 覆 被 数 据（）可 以 发 现，在 耕 地 和 草 地 区域 温 差 较 小，平 均 变 化 在 之 间；相 反，在 人工 建 筑 区 域 温 差 较 大，最 大 可 达。如 图所 示，分 别 对反 演 结 果 和产 品 创 建 陆 表 温 度 随 机 点 并 生 成 拟 合 图，计 算均 方 根 误 差（）和 相 关 系 数，结 果 表 明 两 个年第期 张 赟，等：黄 河 三 角 洲-高 精 度 时 空 连 续 海 陆 表 面 温 度 反 演不 同 日 期 对 应 的与 产 品 的 相 关 性较 高（约.），均 在.以 内，与 文 献 的 验 证 结 果 一 致。图 年月日 与年月日 反 演 的与 产 品 对 比图不 同 土 地 覆 被 类 型 反 演 的与 温 差 分 布 图反 演 的与 产 品 相 关 性测绘通报年第期.海表温度结果与同类产品对比选 取景 无 云 遥 感 影 像反 演 结 果 与产 品 进 行 对 比，结 果 如 图所 示。可 以 发 现，反演 得 到 的与 产 品 的 海 表 温 差 值 在.之 间。对反 演 结 果 和 产 品 创 建 海 表 温 度 随 机 点 并 生 成 拟 合 图，计 算和 相 关 系 数（如 图所 示）。结 果 表 明，两 个不 同 日 期 对 应 的与 产 品 的 相 关 性 极高（约.），约 为.。图 年月日 与年月日 反 演 的与 产 品 对 比图反 演 的与 产 品 相 关 性.反演结果与地面实测数据对比冬 季月 和 夏 季月 反 演 的 黄 河 三 角 洲 海 陆表 面 温 度 的 空 间 分 布，如 图所 示。图海 陆 表 面 温 度 分 布年第期 张 赟，等：黄 河 三 角 洲-高 精 度 时 空 连 续 海 陆 表 面 温 度 反 演（）在 冬 季，该 海 域的