藏东南冰川地区250 m空间分辨率全天候地表温度生成

遥感全天候地表温度产品在多云雾地区意义重大,对冰川泥石流多发的藏东南地区极具应用价值,但遥感全天候地表温度空间分辨率不足限制了其在精细化灾害监测中的应用。以藏东南冰川地区为研究区,采用高程、坡度、坡向、地表覆盖类型、植被指数、地表反射率、积雪指数作为全天候地表温度的影响因子,结合移动窗口,进行多种地表温度降尺度方法的对比,进而使用最优的降尺度方法将现有的遥感全天候地表温度产品（TRIMS LST）的空间分辨率从1 km提升至250 m。利用地面站点实测数据的评价结果表明,基于梯度提升决策树（LightGBM）的降尺度方法得到的250 m空间分辨率全天候地表温度的均方根误差在白天/夜间为2.25 K/2.15 K,优于基于多元线性回归和随机森林的降尺度方法,且比原始1 km分辨率全天候地表温度的精度高0.25 K左右。基于Q指数与SIFI指数的图像质量评价结果表明,降尺度得到的250 m地表温度不仅在空间格局和幅值上与原始1 km遥感全天候地表温度一致,而且补充了大量的地表温度空间细节信息。生成得到的250 m分辨率的地表温度对于藏东南冰川地区的灾害分析具有积极的意义。     

基于随机森林算法的地表温度降尺度研究

地表温度(land surface temperature,LST)是地面能量平衡等模型中的重要参数之一。高时间分辨率的遥感LST可通过降尺度处理实现空间分辨率的提高,这对详细的LST时空分布监测具有重要意义。以北京市为研究区,选择Landsat8 OLI/TIRS数据,通过改进的单窗(improved mono-window,IMW)算法反演LST作为验证数据,在计算归一化差值植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)和归一化差值建筑指数(normalized difference built-up index,NDBI)等多种遥感指数并模拟至1 000 m空间分辨率的基础上,联合空间分辨率为1 000 m的MODIS/LST产品,利用随机森林(random forest,RF)模型实现LST(100 m空间分辨率)降尺度,并与多因子回归方法和基于植被指数的LST锐化算法(TsHARP)2种常用降尺度方法进行对比。实验结果表明:以模拟Landsat/LST作为降尺度数据源,RF方法降尺度LST的均方根误差(root-mean-square,RMSE)为2.01 K,与多因子回归方法和TsHARP算法相比,精度分别提高了0.16 K和0.44 K;针对MODIS/LST降尺度时,RF方法的RMSE为2.29 K,与多因子回归方法和TsHARP算法相比,精度分别提高了0.42 K和0.50 K;针对不同地表类型,RF算法降尺度效果不同,其中高植被覆盖区表现最优,RMSE为1.81 K;城镇表面因其空间异质性,RMSE则达到了2.75 K。     

面向城区和山区的ERA5再分析地表温度降尺度

地表温度是陆面过程动态模拟、区域和全球变化分析等研究领域的重要参数,如何获得高时空分辨率地表温度数据一直是研究热点问题。选择河北省张家口市城郊区、山区两个区域作为试验研究区,在ERA5 0.1°分辨率地表温度订正基础上,构建随机森林降尺度模型以实现多层级分辨率的地表温度降尺度,并与Landsat 8 TIRS反演地表温度进行对比分析,以探讨再分析地表温度在不同分辨率、不同下垫面类型上的降尺度效果。结果表明：不同分辨率的降尺度结果都能够准确表达地表温度相对高低的空间分布特征,纹理精度显著提高,但降尺度误差随着空间分辨率提高而逐渐增大,城郊区和山区的降尺度均方根误差变化范围分别为1.16—1.79 ℃、1.61—2.49 ℃,地表温度高值与低值区域分别存在着低估和高估现象;随机森林降尺度模型中的参数重要性随尺度变化不大,总体表现为两个区域中植被指数NDVI的重要性都比较大,而海拔高度在山区区域对降尺度模型的影响更大。     

多尺度地理加权回归的地表温度降尺度研究

由于星载热红外传感器研发技术的局限性,单一传感器尚不能提供兼具高频次、高空间分辨率地表温度数据。协同其他遥感辅助数据,对低空间分辨率、高时间频次地表温度产品开展降尺度研究成为了解决这一难题的有效途径。然而由于现有地表温度降尺度方法未充分考虑不同地表状态参数对地表温度空间分异格局的尺度影响差异,降尺度后的地表温度数据在异质性景观区域存在精度较差和空间纹理不清晰的问题。鉴于此,本文以北京和张掖地区的8期MODIS地表温度产品为例,通过引入多尺度地理加权回归MGWR（Multiscale Geographically Weighted Regression）来分析归一化植被指数NDVI、数字高程模型DEM、坡度和经纬度对地表温度空间格局影响的尺度差异,提出一种针对MODIS地表温度产品的空间降尺度算法,并与TsHARP算法、多元线性回归算法、地理加权回归算法和随机森林回归算法进行定量对比。结果表明,基于MGWR模型的地表温度降尺度转换函数能够良好地揭示多种地表状态参数与地表温度间的不同作用关系,其中NDVI和坡度对地表温度分布具有全局影响,DEM和经纬度对地表温度呈现出了局域性作用。与4种代表性方法相比,基于MGWR算法降尺度后的100 m分辨率地表温度数据具有更好的空间纹理,在城镇和沙漠等温度异质性明显地区保障了清晰的景观纹理;另外,对于所选研究区的8期MODIS地表温度产品而言,利用MGWR算法降尺度后的地表温度均拥有更好的精度,在0—1 K误差级别下的面积占比均大于57%,均方根误差RMSE（Root-Mean-Square Error）均小于2.85 K,决定系数R²（coefficient of determination）均大于0.88。     

面向开采扰动的离子型稀土矿区地表温度降尺度方法

离子型稀土的开采活动会导致矿区地表极其剧烈的生态扰动,并且会造成当地的生态环境问题,而矿区地表热环境分异变化能较好地反映矿区的生态扰动特点,是一种辨识地表生态扰动的重要参数。离子型稀土矿区存在矿点分散且单个矿点面积较小的特征,因此获取实用性强且空间分辨率更高的地表温度数据对稀土矿区生态环境的监测具有重要价值。构建了一种综合图像融合算法、线性光谱混合模型的地表温度降尺度模型。以赣州市辖区内的定南县岭北离子型稀土矿区作为研究区域,以Landsat 8卫星影像作为主要数据源,首先选取同一年份两个季相的数据,综合图像融合算法和线性光谱混合模型,将地表温度空间分辨率降至15 m;然后对降尺度后的地表温度结果进行定性定量的分析并检验其精度。结果表明,分解前、后矿区地表温度的空间分布和走向整体一致,降尺度后的地表温度能够更细致地反映矿区地表特征和空间差异性,研究区内两个季相的降尺度结果整体均方根误差分别为1.459 K、1.196 K,绝对误差分别为1.128 K、0.952 K,精度较高,表明该方法对于提升离子型稀土矿的地表温度空间分辨率有较好的适用性。     

地表温度日变化模型偏差系数解算的地表温度降尺度

地表温度LST（Land Surface Temperature）是全球气候变化研究的关键参数,遥感是获取全球和区域尺度地表温度的一种切实可行手段,但现有的单一传感器无法提供高时空分辨率的LST数据,限制了遥感地表温度数据的深入广泛应用。现有的降尺度方法难以生成无缝高时空分辨率的地表温度数据,且降尺度效果易受高空间分辨率LST数据缺失及有效时刻分布影响。本文提出了一种基于地表温度日变化模型DTC（Diurnal Temperature Cycle）偏差系数解算的地表温度降尺度方法,采用FY-4A、MODIS和Landsat 8的LST数据生成晴空及多云条件下逐小时100 m的无缝LST数据。方法主要包含4部分：（1）利用空值重建方法获取无缝的FY-4A的LST数据;（2）建立FY-4A LST数据的DTC模型;（3）采用时空融合模型对MODIS的LST数据进行空间降尺度;（4）解算DTC模型偏差系数,获取逐小时100 m分辨率的无缝LST数据。实验结果表明,本文提出的方法具有较高的降尺度精度,可获得晴空及多云条件下无缝高时空地表温度数据,且高空间分辨率的地表温度数据缺失和有效时刻分布对本文方法降尺度结果影响较小。     

地理要素对地表温度降尺度算法的多维响应

针对如何克服不同传感器地表温度的时空分辨率矛盾的问题,该文利用随机森林(RF)算法、BP神经网络(BP)算法和多元回归(MLR)算法,直接将原始1km分辨率的MODIS LST降尺度至250m分辨率,并评估地理要素对不同降尺度算法的多维响应。结果表明:①在不同海拔、坡度、坡向和土地利用类型中,RF算法的降尺度效果均为最佳;②在降尺度模型中考虑经纬度、地形因子等地理要素能显著提升降尺度效果;③降尺度效果随海拔升高先增后减,随坡度增加先增后降,从不同坡向看,降尺度效果分异明显,从不同土地利用类型看,林地、草地的降尺度精度最高,耕地次之,水域和建筑用地降尺度精度最低。     

利用Landsat TM影像进行地表温度像元分解

提出了一种基于Landsat TM的地表温度二次像元分解方法,将地表温度的空间分辨率从120 m提高到30 m。首先,利用地表类型的线性统计模型（E-DisTrad）获取初次分解子像元的地表温度,计算得到初次分解子像元的辐亮度;然后,利用面向对象的图像分割方法获取二次分解子像元的权重,实现对地表温度的二次分解;最后,采用升尺度再分解的验证方法进行精度分析,并选取了北京市TM影像进行实例分析。实验结果表明,二次像元分解模型不仅能有效地提高地表温度的空间分辨率,反映出不同地表类型地表温度的空间差异性,而且保证了像元分解前后能量值的一致性,非常适合于复杂地表覆盖地区的热红外波段遥感影像数据的降尺度处理。     

多尺度城市地表温度降尺度方法

针对目前星载热红外传感器的空间分辨率低,无法满足城市尺度的生态环境研究需求的现状,该文选择地表覆盖类型复杂的区域,根据研究区土地覆盖类型,选取归一化植被指数(NDVI)、城市不透水面指数(ISA)、改进的归一化差异水体指数(MNDWI)等因子加入DisTrad模型,采用移动窗口逐步回归统计地表温度和因子的线性关系,利用半方差曲线函数和均方根误差综合确定最优移动窗口的大小,以提高地表温度降尺度精度。研究结果表明:改进的DisTrad模型在地表覆盖类型复杂区域,具有良好的降尺度目视效果,且具有较高的降尺度精度,尤其在低植被覆盖的建筑区、水体区域具有更高的精度。     

光谱指数趋势面的城市地表温度降尺度转换

针对城市及周边区域建造区和自然地表交织分布的特点,探讨了利用归一化植被指数(NDVI)和归一化建造指数(NDBI)构造趋势面的地表温度(LST)降尺度方法,以北京市市区及周边较平坦区域为例实现了LST自960 m向120 m的降尺度转换。分析了LST空间分布特征及NDVI、NDBI对地物的指示性特征;以北京市四至六环为界分析NDVI、NDBI趋势面对地表温度的拟合程度及各自的适用区域;在120 m、240 m、480 m和960 m 4个尺度上评价了NDVI、NDBI和NDVI+NDBI趋势面对LST的拟合程度和趋势面转换函数的尺度效应;对NDVI、NDBI和NDVI NDBI等3种方法的降尺度结果分覆盖类型、分区域对比评价。实验结果表明结合两种光谱指数的NDVI NDBI方法降尺度转换精度有所改善,改善程度取决于地表覆盖类型组合。     

耦合MOD16和SMAP的微波土壤湿度降尺度研究

局域尺度上的水文或农业应用亟需较高空间分辨率的土壤湿度(SM)数据,微波土壤湿度空间降尺度是实现这一需求的重要途径。其中"光学/热红外与微波数据融合"的降尺度方法展现出了较大的应用潜力,然而这类方法依赖于遥感地表温度LST (Land Surface Temperature)或由LST分解得到的SM指数,受限于LST"云污染"、LST与SM解耦效应和LST分解不确定性等问题。为规避上述问题,本文通过构建3种地表蒸散效率LEE(Land surface Evapotranspiration Efficiency)与SM的降尺度函数关系(指数、余弦、余弦平方),利用MODIS地表蒸散数据(MOD16A2)计算得到的LEE (空间分辨率500 m)实现了SMAP土壤湿度产品(空间分辨率36 km)的空间降尺度。研究从动态范围、能量守恒、SM地面稀疏验证站、SM地面核心验证站等角度对降尺度算法进行评价分析。结果表明,本算法有效增加了原SM产品的空间细节特征、保持了原SM产品的动态范围并且降尺度前后能量守恒;与地面验证数据的对比分析表明,降尺度结果有效保持了原SM与地面实测数据的良好一致性;敏感性分析表明,余弦平方函数对MOD16A2产品误差的敏感性相对最小。     

城市地表温度空间降尺度研究—以北京市为例

地表温度LST（Land Surface Temperature）是城市热环境研究的重要参数之一,城市下垫面极为复杂,LST空间差异性较高。高空间分辨率LST对精细化城市热环境监测和缓解具有重要意义。目前大部分城市遥感LST降尺度研究仍以二维角度为主,缺乏建筑三维结构的考虑。本研究同时考虑地表二维和三维指标,构建基于随机森林方法的降尺度模型,开展MODIS 1 km LST降尺度研究（100 m）,并探讨二维和三维建筑形态对LST影响的空间尺度效应。另外,为了弥补随机森林模型缺乏物理基础的不足,参考热辐射传输方程,将方程中传感器接收的辐亮度和与大气透过率相关的大气可降水量,加入降尺度模型构建中。为了更好利用真实观测的MODIS 1 km LST验证降尺度结果,故将MODIS LST和所有指标因子升尺度至5 km,开展5 km LST降尺度至1 km研究,进一步研究探讨大气顶层辐亮度和大气可降水量对LST降尺度的影响。研究结果表明：（1）随机森林模型中增加辐亮度和大气可降水量前后,通过将5 km LST降尺度后1 km LST与原始MODIS 1 km LST相比,RMSE和R²分别由3.1 K和0.5提高至0.38 K和0.94。（2）当随机森林模型中增加建筑形态指标后,模型的袋外分数OOB_score由0.46提高至0.49,模拟的100 m LST与ASTER LST产品比较,R²有所降低,可能的原因是ASTER 和MODIS LST的反演方法和传感器不同,造成两者在100 m尺度下的对比性差一些。但是当驱动因子中增加MOD02和MOD05后,RMSE和R²由2.4 K和0.29提高至1.2 K和0.68,进一步说明MOD02和MOD05在1 km LST降至100 m过程中,起到至关重要作用。（3）在1 km和100 m尺度下,增加建筑形态后,模型OOB_score均有提高,并且建筑形态指标的重要性有所不同,在100 m尺度下独立建筑形态的影响程度有所增加。综上,MODIS LST在城市地区降尺度研究中需要考虑大气顶层辐亮度、大气可降水量和建筑形态的影响,并且不同的建筑形态对LST的重要性存在空间尺度效应。     

利用Landsat 7与GF-1 WFV影像反演地表温度

地表温度在地气循环系统中具有重要作用,是目前地理学研究的重点。然而目前的国产高分辨率影像缺少热红外波段,且具有热红外波段的影像分辨率较低。基于此,本文利用低分辨率影像降尺度方法反演高分辨率影像的地表温度。首先通过Landsat 7影像的热红外波段,提取典型地物的地表温度;对GF-1 WFV影像进行预处理后,利用全约束最小二乘法对高分辨率影像进行混合像元分解;根据平均温度模型,得到高分辨率影像的地表温度,并进行降尺度,通过Landsat 7影像进行精度验证。验证结果显示,均方根误（RMSE）为1.40℃,平均绝对误差（MAE）为0.44℃,精度较高。     

地理国情普查数据的空间尺度转换研究

为了实现地理国情普查中不同尺度地表覆盖分类数据的交叉验证,文章选择郑州、西安等10个地理国情普查试点作为试验区,分析了不同地类在精度损失、景观格局等方面存在的尺度效应,并以林地为例,在空间分辨率6~2 000m的范围内,构建了空间尺度转换模型,估测精度可达92.63%。结果表明:地表覆盖分类数据进行尺度转换时,各种地类都会存在相应的精度损失;基于分辨率、景观格局指数构建的尺度转换模型,可以有效校正粗分辨率地表覆盖数据的尺度误差,为地理国情普查与监测中的质量控制提供参考。     

基于升尺度的陆地表面温度反演方法研究

非同温混合像元红外辐射存在尺度效应,基于尺度的基本影响因素,本文利用大气校正法进行地表温度反演,用最邻近法进行地表温度的升尺度,分析尺度对反演精度的影响。结果表明:用该方法进行地表温度反演精度较高,有85.15%像元的精度在2℃以内,但是水体反演精度较差。尺度对地表温度反演有一定影响,如何确定合适的尺度和研究出针对水体表面温度反演较好的方法是今后研究的重要方向。     

Landsat 8 地表温度产品降尺度深度学习方法研究

以光谱指数为趋势面因子的降尺度方法被广泛用于遥感地表温度尺度转换中,但面临构建的光谱指数难以凸显地表温度分布规律、浅层的统计模型难以精准刻画趋势面因子与地表温度之间的复杂关系的不足。为此,本文以Landsat 8 ARD 地表温度产品为降尺度对象,以Landsat 8 OLI原始数据为潜在趋势面因子,构建地表温度降尺度残差网络（LSTDRN）的深度学习模型;探索适用于Landsat 8地表温度产品空间降尺度的趋势面波段或组合,并在不同季节、不同地表类型下与经典传统方法TsHARP进行定量比较。结果表明：LSTDRN方法利用Landsat 8 OLI原始单波段作为趋势面因子就能有较好的降尺度效果,增加潜在趋势面因子的组合数量并不能提高降尺度效果。不同地表覆盖类型实验中,LSTDRN方法降尺度效果整体优于经典传统方法,且以近红外波段、红光波段和归一化植被指数为趋势面因子时,近红外波段降尺度效果定量评价表现最佳;不同地表覆盖类型的LSTDRN降尺度效果排序为：植被>建筑>水体,而经典传统方法则没有表现出明显的差异。不同季节实验中,LSTDRN方法在春夏冬3季的降尺度效果的定量评价表现明显好于经典传统方法,两类方法的秋季降尺度结果相当。因此,提出的LSTDRN对Landsat 8遥感地表温度产品具有较好的降尺度效果,整体优于经典传统方法且稳定性更强。     

FY-3D MERSI-II地表温度遥感反演与验证

地表温度是是决定地表辐射能量收支的重要变量,在岩石圈、水圈、生物圈和大气圈的能量平衡和水量平衡研究中起着重要作用。利用热红外遥感技术可实现区域和全球尺度地表温度的快速获取,其受到了研究者的广泛关注。目前,FY-3D是国内光谱分辨率最高的对地观测卫星,极大的提高了对地观测能力,其搭载的中分辨率光谱成像仪（MERSI-II）经过大幅升级改进,性能有了显著提升,热红外数据的空间分辨率达到了250 m。本文使用大气辐射传输模型MODTRAN 5模拟了MERSI-II传感器热红外通道星上观测数据。在此基础上,构建了通用劈窗地表温度反演模型,结合ASTER GED全球地表发射率产品以及MERSI-II自身大气水汽反演算法,发展了地表温度遥感反演方法。最后,利用2019-08内蒙古乌海沙漠地区及美国SURFRAD多个站点的实测地表温度数据对本文提出的方法进行了验证。研究结果表明,相较地表实测数据,构建的劈窗算法反演的地表温度RMSE在1.6—2.6 K,反演精度达到了预期目标,还具有较高的空间分辨率,可以用于业务化的地表温度的反演,同时也说明其辐射定标精度有了一定保证,有效满足了区域和全球尺度地表温度遥感监测应用需求。     

高分五号全谱段光谱成像仪地表温度与发射率反演

地表温度在全球能量平衡和气候变化研究中具有重要意义。中国新一代高分辨率卫星高分五号卫星(GF-5)搭载的全谱段成像光谱仪有4个40 m空间分辨率的热红外波段,可以提供高空间分辨率的地表温度信息。本文提出了适用于全谱段成像光谱仪的温度与发射率分离TES(Temperature and Emissivity Separation)算法同时反演地表温度和发射率,为了提高大气校正精度,算法加入了水汽缩放WVS(Water Vapor Scaling)大气校正方法。首先利用Seebor V5.0全球大气廓线库构建模拟数据对算法精度进行了评价;然后利用张掖地区11景ASTER影像作为替代数据和同步的地面实测数据对算法精度进行了验证。模拟数据结果表明加入WVS方法后TES算法反演地表温度的RMSE由2.59 K降低到1.54 K,4个波段地表发射率的RMSE分别从0.122、0.12、0.102和0.037降低到0.042、0.04、0.028和0.026;地表验证结果表明本文算法反演的地表温度与站点实测值具有更好的一致性,平均Bias由1.08 K降低到0.47 K,RMSE由2.17 K降低到1.7 K;反演的各波段地表发射率与地面实测结果误差均小于1%。因此,本文提出的温度与发射率分离算法具有较高精度,可以利用GF-5数据获取高精度高空间分辨率的地表温度和发射率数据,服务于其他相关研究。     

非均匀地表蒸散遥感研究综述

本文评述了目前常用的遥感估算地表蒸散方法,包括地表能量平衡模型、Penman-Monteith类模型、温度—植被指数特征空间方法、Priestley-Taylor类模型和其他方法。然而使用这些方法估算地表蒸散时会面临严重的尺度效应,而产生尺度效应的根本原因之一是地表异质性,在分析了非均匀下垫面对水热通量遥感反演造成的影响后,介绍了面积加权、校正因子补偿与温度降尺度3种尺度误差纠正方法;并从地面观测实验的角度简述了非均匀下垫面水热通量真实性检验的研究;最后探讨了将来建立更具时空代表性的非均匀下垫面地表蒸散遥感估算模型可能会面临的一些挑战。     

长波红外空间光学遥感器高精度辐射定标技术

为了满足中国环保、国土、农业、气象、减灾等行业对地表温度遥感高精度监测的需求,近些年来中国长波红外空间光学遥感器空间分辨率从公里尺度提高到十米尺度分辨率,定量化应用的需求也越来越高。高精度的辐射定标是保证红外数据定量化应用的关键,本文通过全链路分析了影响辐射定标精度的因素,结合某型号任务的研制过程的具体实际,分析了主要影响因素的优化方法,包括星上定标方案优化、提高星上定标黑体控温精度和标定精度、提升长波探测器性能、提高长波探测器焦面控温精度等措施提高相机的性能和输出稳定性,并通过该型号真空辐射定标试验对辐射定标精度、系统定标响应情况进行了验证,试验结果绝对辐射定标精度为0.8 K@300 K,达到国内空间分辨率小于100 m的同类长波红外空间光学遥感器的较高水平。本文介绍的长波红外空间光学遥感器性能提升方法可为今后同类遥感器的研制及辐射定标提供参考借鉴,同时提供的定标试验验证结果也可以为同类红外卫星在轨应用提供参考。