趙 陽，亓進磊，黎 慧

阜陽師范大學(xué)歷史文化與旅游學(xué)院，安徽阜陽,236037

陸地表面溫度LST(Land Surface Temperature，地表溫度)作為常見的特征物理量，在地表與大氣能量交換過程中扮演著重要角色，在城市熱環(huán)境、地表輻射能量平衡、全球氣候變化和資源環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域都有著重要的研究價值[1-3]。較為傳統(tǒng)的LST獲取的方法需要耗費大量的人力物力，多是以點的數(shù)據(jù)形式對附近溫度進行推演，如果想要得到較為準(zhǔn)確的大范圍LST數(shù)據(jù)，需要區(qū)域內(nèi)大量數(shù)據(jù)觀測點的支持。近幾十年間，遙感衛(wèi)星影像的分辨率和精度都得到了大幅度的提升，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓寬。熱紅外遙感探測技術(shù)的發(fā)展更是使得大區(qū)域溫度的獲取和研究區(qū)域時空變化成為了可能，通過熱紅外遙感獲取地表熱紅外波譜的輻射能量信息，根據(jù)地表不同物體反射率的差異，使用相關(guān)的遙感影像處理軟件可以快速方便的獲取其熱力學(xué)溫度，在LST反演方面發(fā)揮著重要作用[4-5]。遙感影像一般是通過無量綱的數(shù)字量化值(Digital Number，DN)記錄的，不同地物反映到遙感衛(wèi)星傳感器上的DN值有所不同。在對遙感影像數(shù)據(jù)做定量化研究時，可以通過輻射定標(biāo)實現(xiàn)DN值與輻射亮度值、比輻射率和亮度溫度等物理量的轉(zhuǎn)化。基于熱紅外遙感的LST反演與應(yīng)用取得了一系列的研究成果，并取得了很好的溫度反演效果。

目前LST的遙感反演方法有單通道算法、多通道算法、多角度算法、多時相算法和高光譜反演算法等[1]。其中較為常用的是單通道算法和多通道算法，國內(nèi)外的眾多學(xué)者也相繼提出一系列的改進型算法，并在驗證過程中取得了很理想的溫度反演效果。本文主要使用Landsat 8數(shù)據(jù)與MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，而美國地質(zhì)調(diào)查局USGS(United States Geological Survey)指出Landsat 8 TIRS傳感器存在一定的問題，如第11波段會出現(xiàn)定標(biāo)不穩(wěn)定等，在對其進行定量研究時，會出現(xiàn)影像數(shù)據(jù)與真實溫度的差異，不建議使用(USGS，2014)。而分裂窗溫度反演算法過程中需要分別對兩個熱紅外影像進行輻射定標(biāo)和大氣校正，如果使用第10、11波段進行分裂窗算法，其反演結(jié)果誤差較大。因此，本文只利用Landsat 8第10波段熱紅外波段進行多種單通道溫度反演，以確保溫度反演結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本文主要使用四種算法，即大氣校正法[6-8]、普適性單通道算法[9]、覃志豪單窗算法[10]和胡德勇TIRS10_SC單通道算法[3]。通過對這四種單通道反演算法的研究對比，得到較為符合本研究區(qū)的溫度反演算法，為區(qū)域內(nèi)的城市熱島、溫度時序變化研究等提供依據(jù)。工作流程如圖1所示。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)

阜陽市位于淮北平原腹地，安徽省西北部，地跨東經(jīng)115°37′58″～115°59′46″、北緯32°46′17.6″～33°02′32.5″，下轄三區(qū)四縣一市，總面積9 775 km2，2016年統(tǒng)計年鑒顯示阜陽市戶籍總?cè)丝? 061.55萬人，常住人口799.1萬人，是安徽省人口最多的地級市。由于Landsat 8 遙感影像數(shù)據(jù)過境時間與圖幅鑲嵌裁剪等出現(xiàn)的誤差，為了確保反演數(shù)據(jù)的精度與準(zhǔn)確性，本文只以阜陽市市區(qū)為研究區(qū)域，研究區(qū)內(nèi)地形平坦，地面平均標(biāo)高海拔一般為28～31 m，主要的土地利用類型為建設(shè)用地、耕地、裸地等。

1.2 數(shù)據(jù)源

自從Landsat系列衛(wèi)星上空后，在獲取免費方便、數(shù)據(jù)持續(xù)更新時間長、中等分辨率和數(shù)據(jù)信息成熟等多方面優(yōu)勢下，使其在全球的教育教學(xué)和科研等方面取得重要地位。MODIS為低分辨率衛(wèi)星，憑借其數(shù)據(jù)獲取周期性短、獲取時間固定等優(yōu)勢，在全球大氣監(jiān)測、大范圍宏觀溫度反演等方面有著天然的優(yōu)勢。

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)及預(yù)處理

本文共使用了兩種遙感影像數(shù)據(jù)，具有相近過境時間的Landsat 8遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)和MODIS遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)(如表1)。使用的Landsat 8數(shù)據(jù)為2018年9月8日的Landsat8 OLI_RIRS C1 Level-1數(shù)據(jù)產(chǎn)品(經(jīng)過幾何校正的Landsat 8一級數(shù)據(jù)產(chǎn)品)，圖幅編號為LC81220372018251LGN00，數(shù)據(jù)條帶號為122，行編號為37，時間為當(dāng)?shù)貢r間10:48，選擇此數(shù)據(jù)的主要因素是無云層覆蓋有利于后期地表反射率的反演數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。Landsat 8上攜帶兩個傳感器，在本次研究中主要使用OLI的第3、第4、第5、第6波段數(shù)據(jù)和TIRS第10波段TIR1數(shù)據(jù)。MODIS數(shù)據(jù)主要采用的是與Landsat 8遙感數(shù)據(jù)時刻接近的MODIS Terra衛(wèi)星產(chǎn)品數(shù)據(jù)，主要使用MOD021KM產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行幾何校正和大氣水汽含量以及大氣透過率的估算，數(shù)據(jù)時間為當(dāng)?shù)貢r間11:55，當(dāng)天晴朗無云且與Landsat 8數(shù)據(jù)時間相隔67分鐘，由于當(dāng)天天氣晴朗無云，可以認(rèn)為這兩個數(shù)據(jù)的水汽含量相似，為下文的大氣透過率的反演精度提供了保障。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)相關(guān)參數(shù)

本文遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是通過ENVI、ArcMap等軟件實現(xiàn)的，其中對Landsat 8的OLI傳感器波段進行輻射定標(biāo)和FLAASH大氣校正，得到與實際地表相同的地表反射信息，然后根據(jù)校正好的遙感影像信息通過分類回歸決策樹CART(Classification And Regression Tree)對地表典型地物進行分類，最后根據(jù)分類結(jié)果對地表比輻射率進行估算；對第10波段TIR1數(shù)據(jù)進行輻射定標(biāo)，然后通過普朗克函數(shù)得出其亮度溫度值。值得注意的是由于使用的是經(jīng)過幾何校正的Landsat 8一級數(shù)據(jù)產(chǎn)品，第10波段TIR1數(shù)據(jù)已經(jīng)被重采樣為30 m的空間分辨率(與OLI波段分辨率保持一致)，這里不需要對其進行幾何校正。MODIS數(shù)據(jù)主要是通過第2波段與第19波段來估算研究區(qū)的大氣水汽含量，在進行估算前需要對數(shù)據(jù)進行配準(zhǔn)重采樣處理，使其與Landsat 8數(shù)據(jù)具有相同的分辨率和投影坐標(biāo)信息。

1.2.2 實測數(shù)據(jù)

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的氣象收集手段也發(fā)生著改變，氣象現(xiàn)代化不僅可以節(jié)省大量的人力物力讓大眾獲取更加實時準(zhǔn)確的氣象信息，還能在現(xiàn)代大數(shù)據(jù)的支持下讓數(shù)據(jù)預(yù)測變得觸手可及。至2015年，阜陽市全市共建成自動氣象站157個，氣象觀測網(wǎng)絡(luò)基本覆蓋轄區(qū)內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)對地表氣象數(shù)據(jù)全天候連續(xù)不斷采集，主要的氣象信息包括氣溫、風(fēng)向、降水量等，這些氣象站點對阜陽市的氣象準(zhǔn)確的監(jiān)測與預(yù)測起著重大的作用[11]。2017年阜陽市氣象局阜陽自動氣象站數(shù)據(jù)顯示平臺(http://fy.ahqx.gov.cn/amos/table.php)的開通，為地面實時實測氣象數(shù)據(jù)的方便獲取提供了可能。

本次研究所使用的Landsat 8遙感衛(wèi)星過境時刻為當(dāng)?shù)厣衔?0:48分，而阜陽市自動氣象站上傳頻率為每十分鐘一次，自動氣象站實測數(shù)據(jù)基本上可滿足本次研究需求，將以研究區(qū)內(nèi)的22個可用實測點數(shù)據(jù)與四種算法最終結(jié)果做對比分析。

2 四種單通道地表溫度反演算法

2.1 大氣校正法

輻射傳輸方程(大氣校正法)是根據(jù)輻射傳輸方程模型提出來的，是整個LST反演算法理論體系的基礎(chǔ)，作為最早的溫度反演算法之一，其具有很強的適用性，可以廣泛地應(yīng)用于各個熱紅外數(shù)據(jù)。

輻射傳輸方程法在使用的過程中需要使用相關(guān)的大氣模型軟件(LOWTRAN、MODTRAN或6S等)來模擬實時的大氣數(shù)據(jù)(包括不同高度的氣溫、氣壓、CO2含量等)，根據(jù)不同物理要素對地表熱輻射的不同影響，模擬得出數(shù)據(jù)相關(guān)路徑上的大氣透過率、大氣下行輻射和大氣下行輻射等大氣剖面參數(shù)，然后再從遙感衛(wèi)星傳感器接收到的輻射總量中減去受到這三部分影響的大氣影像，得到真實地表輻射值，如果在地表輻射率已知的情況下，通過普朗克函數(shù)求逆可以獲取真實的地表溫度值，相關(guān)的公式如下：

Lλ=[εB(TS)+(1-ε)L↓]τ+L↑

B(TS)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/(τ·ε)

TS=K2/ln[K1/B(TS)+1]

根據(jù)輻射傳輸方程，衛(wèi)星傳感器接收到的能量值Lλ(通過定標(biāo)的熱紅外輻射亮度值)與ε地表反射率、B(TS)同溫度下黑體熱輻射亮度值、L↓大氣向下輻射亮度、L↑大氣向上輻射亮度和τ大氣在熱紅外波段的透過率(大氣透過率)等有關(guān)。地表的真實溫度Ts(單位K)可以根據(jù)普朗克公式求逆得出。K1、K2為兩個常數(shù)值，對于Landsat 8數(shù)據(jù)而言，可以直接通過其元數(shù)據(jù)文件直接查到其對應(yīng)的K1、K2值，第10波段TIR1中K1=774.885 3 W/m2·μm·sr，K2=1 321.078 9 K。

2.2 覃志豪單窗算法

基于輻射傳輸方程的LST反演算法計算過程較為復(fù)雜且參數(shù)具有很強的不確定性，需要遙感衛(wèi)星過境時地區(qū)較為準(zhǔn)確的大氣輪廓信息數(shù)據(jù)，而大氣輪廓信息的獲取復(fù)雜且成本較高，一般只是使用全球標(biāo)準(zhǔn)大氣輪廓信息代替，導(dǎo)致LST反演產(chǎn)生的誤差較大。

單窗算法是覃志豪等[10]根據(jù)地表熱輻射傳導(dǎo)方程，在一系列的假設(shè)條件下，推導(dǎo)出一種適用于Landsat TM熱紅外波段影像簡單可行、反演精度較高的LST反演算法。該算法把大氣和地表的影響因素直接考慮到反演公式當(dāng)中，根據(jù)大氣透過率、地表比輻射率和大氣平均溫度三個參數(shù)進行LST的推算，根據(jù)之間相對應(yīng)的關(guān)系，將單窗算法表達為大氣透過率和大氣平均作用溫度的函數(shù)。公式如下：

TS=[a(1-C-D)+(b(1-C-D)+C+D)Tsen-DTa]/C

Ts為地表的真實溫度(單位K),C和D是地表反射率(ε)和大氣透過率(τ)所構(gòu)成的中間量，其中C=ε·τ，D=(1-τ)[1+(1-ε)τ]，Tsen是衛(wèi)星傳感器所探測到的像元亮度溫度(單位K)。a和b是根據(jù)回歸分析得到的兩個常量，在不同的溫度變化范圍下，表現(xiàn)的系數(shù)值和相關(guān)系數(shù)也有所不同。國內(nèi)外眾多的學(xué)者[12]根據(jù)大氣輻射傳輸軟件LOWTRAN模擬Landsat 8不同溫度范圍內(nèi)TIR1(第10波段)的反演回歸系數(shù)得出：溫度范圍越小所對應(yīng)的相關(guān)性越強。根據(jù)阜陽市夏季實際情況，選擇a10=-62.806，b10=0.434，相關(guān)系數(shù)的平方(r2)為0.999 2。大氣平均作用溫度Ta與近地表溫度T0(一般距地面2 m處)之間呈一定的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)熱紅外波段大氣平均作用溫度估算方程，在中緯度夏季大氣模式下，Ta=16.011 0+0.926 21T0。

2.3 Jiménez-Muoz普適性單通道算法

Ts=γ[(ψ1Lsen+ψ2)/ε+ψ3]+δ

γ≈Tsen2/(bλLsen)

δ≈Tsen-Tsen2/bλ

Ts為地表真實溫度(單位K)；Lsen是傳感器探測的輻射亮度值；ε地表反射率；Tsen是衛(wèi)星傳感器所探測到的像元亮度溫度(單位K)，λ是遙感影像熱紅外波段的中心波長；bλ為常數(shù)，在TIRS10波段為1 324；ψ1、ψ2、ψ3是大氣功能參數(shù)，與大氣水汽含量有關(guān)，在大氣參數(shù)(τ、L↓、L↑)已知的情況下，大氣功能參數(shù)可用式計算：

ψ1=1/τ,ψ2=-L↓-L↑/τ,ψ3=L↓

一般情況下，實時的大氣參數(shù)很難獲取，Jiménez-Muoz等人選取GAPRI數(shù)據(jù)庫中的4 838條大氣輪廓數(shù)據(jù)，通過大氣輻射傳輸軟件MODTRAN4.0模擬計算大氣剖面參數(shù)，得出相應(yīng)的系數(shù)矩陣，推出Landsat 8中三個大氣函數(shù)與大氣水汽含量之間的二次多項式。具體方程式如下，其中ω為大氣水汽含量：

ψ1=0.040 19ω2+0.029 36ω+1.015 23

ψ2=-0.383 33ω2-1.502 94ω+0.203 24

ψ3=0.009 18ω2+1.360 72ω-0.275 14

2.4 TIRS10_SC算法

TIRS10_SC算法是胡德勇等人[3]綜合TIRS 10特性和熱輻射傳輸方程，建模地表溫度和亮度、大氣平均作用溫度、大氣透過率和地表發(fā)射率等參數(shù)之間的關(guān)系，提出的針對Landsat 8 TIRS第10波段的單窗算法。

φ1=ε·τ

φ2=(1-τ)[1+(1-ε)τ]

T10為TIRS 10的亮溫值(單位K)；K2可以通過元數(shù)據(jù)文件查到，對于Landsat 8，K2=1 321.078 9 K；Ta為大氣平均作用溫度，通過表根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料可以得到。

3 單窗算法參數(shù)的量化

3.1 亮度溫度的推算

當(dāng)某一波段下一個物體的輻射亮度與絕對黑體的輻射亮度值相同時，則該黑體的物理溫度就稱為該波段下該物體的亮度溫度(簡稱“亮溫”)，所以亮溫只是衡量物理溫度的一個指標(biāo)，并不能代替物體真實的物理溫度值。亮溫計算只要分為兩個步驟，首先要將衛(wèi)星獲取的影像像元DN值轉(zhuǎn)化為與之相對應(yīng)的大氣層上界熱輻射強度(Ii)，然后根據(jù)Planck函數(shù)利用熱輻射強度推算出該物體的亮溫值，公式如下：

Ti=Ki2/ln(1+Ki1/Ii)

Ti為物體的亮度溫度，i表示熱紅外遙感第幾波段，Ki1、Ki2分別代表兩個常數(shù)值，對于Landsat 8第10波段TIR1數(shù)據(jù)而言，K10 1=774.885 3 W/m2·μm·sr，K10 2=1 321.078 9 K，可用通過ENVI軟件中的定標(biāo)工具(Radiometric Calibration)直接將遙感影像的DN值定標(biāo)為亮度溫度值。

3.2 大氣水汽含量反演

水汽是影響大氣透過率的重要因素，在LST反演過程中，大氣水汽含量估算的準(zhǔn)確度直接影響到最后研究結(jié)果的精度。由于實時的大氣剖面數(shù)據(jù)獲取困難，水汽含量一般直接通過MOTRAN、6S等大氣模型軟件用標(biāo)準(zhǔn)大氣進行模擬。由于Landsat 8數(shù)據(jù)水汽反演的不成熟與其局限性，本文采用了與Landsat8衛(wèi)星數(shù)據(jù)過境時間相近的MOD05_L2數(shù)據(jù)進行大氣水汽含量的反演。

MODIS包含36個波段，其中17、18和19波段為大氣吸收波段，2和5波段為大氣窗口波段。Kaufman等[13]指出使用MODIS數(shù)據(jù)通道比值法進行大氣水汽含量的反演，可以部分有效地去除地表反射率隨波長變換對大氣透過率產(chǎn)生的影響，提高反演精度。根據(jù)毛克彪研究結(jié)果[14-15]，選取MOD05_L2第2波段和第19波段數(shù)據(jù)進行通道比值法來反演大氣水汽含量，具體公式如下：

ω=[α-ln(ρ19/ρ2)/β]2

其中，ω表示大氣水汽含量(g/cm2)；ρ2、ρ19分別表示MODIS第2波段和第19波段的地表反射率；α和β是兩個校正系數(shù)，根據(jù)阜陽市的實際情況，本文選擇混合型地表的參數(shù)，其中α=0.02，β=0.651(Kaufman等[13])。根據(jù)公式與相關(guān)系數(shù)計算得出阜陽市的大氣水汽含量影像，如圖2。

圖2 大氣水汽含量影像

3.3 大氣透過率反演

Rozenstein等[12]通過LOWTRAN軟件模擬分析Landsat 8 熱紅外波段在不同水汽范圍內(nèi)大氣透過率與水汽含量之間的關(guān)系，得出在不同大氣模式下Landsat 8熱紅外波段大氣透過率估算方程，如表2所示。

表2 Landsat 8 0.5-3.0g/cm2水汽范圍內(nèi)大氣透過率與水汽含量的關(guān)系

本研究區(qū)域范圍在北緯32°～33°，屬于中緯度地區(qū)，且研究時間位于夏季，所以采用中緯度夏季的大氣模式，得出第10波段的大氣透過率與大氣水汽含量之間的關(guān)系：τ10=-0.113 4ω+1.033 5。根據(jù)大氣水汽含量得出大氣大氣透過率影像，如圖3。

圖3 大氣透過率影像

3.4 地表反射率的估算

在LST反演過程中，地表反射率的估算是反演的重點，主要有差值法、獨立溫度光譜指數(shù)法(TISI)和NDVI門檻值(NDVITHM)等方法。對于Landsat 系列影像圖像，地表反射率主要取決于地表的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和遙感的波段區(qū)間。地球表面不同區(qū)域的地表結(jié)構(gòu)雖然很復(fù)雜，但從衛(wèi)星像元的尺度來看，可以大體視作由4 種類型構(gòu)成:水面、建筑、裸土和植被。建筑包括城市和農(nóng)莊，主要由道路、各種建筑和房屋組成;植被包括林地和農(nóng)田等。使用回歸決策樹CART方法，通過各種歸一化的指數(shù)(NDVI、MNDWI和NDBI等)閾值對地表進行分類，如圖4所示。

圖4 決策樹模型分類流程圖

為了得到更精確的地表反射率數(shù)據(jù)，宋挺等[12]根據(jù)不同典型地物的比輻射率特征以及參照ASTER提供的常用地表比輻射率光譜庫(http://speclib.jpl.nasa.gov)設(shè)定landsat 8第10通道比輻射率值如下：ε10w=0.996 83，ε10v=0.986 72，ε10s=0.967 67，ε10m=0.964 885，ε10w、ε10v、ε10s和ε10m分別表示第10波段下典型水體、植被、裸土和建筑的地表比輻射率(圖5)。根據(jù)覃志豪等[15]提出的地表比輻射率的估算方法，將數(shù)據(jù)像元分為自然表面像元、城鎮(zhèn)像元等分類進行運算，算出不同混合像元的地表比輻射率，具體的公式如下：

圖5 分類影像

自然表面像元：εi=PvRvεiv+(1-Pv)Rsεis+dε

城鎮(zhèn)像元：εi=PvRvεiv+(1-Pv)Rmεim+dε

式中，Pv為植被覆蓋率，Pv=(NDVI-NDVIs)/(NDVIv-NDVIs)，其中NDVIv與NDVIs分別為植被和裸土的NDVi值，在沒有明顯的完全植被或裸土像元時，本文用NDVIv=0.7和NDVIs=0.05來近似估算植被覆蓋度(圖6)。在地表高低相差較大的情況下，可取dε=0。由于熱輻射相互作用在植被與裸土各占一半時達到最大，提出如下經(jīng)驗公式來估算dε：

圖6 地表比輻射率影像

當(dāng)Pv<0.5時，dε=0.003 8Pv;當(dāng)Pv>0.5時，dε=0.003 8(1-Pv)

當(dāng)Pv<0.5時，dε最大，dε=0.001 9

Rv、Rm、Rs分別表示植被、建筑物和裸土的溫度比率，覃志豪等根據(jù)主要地表類型的溫度差異進行模擬，得出自然表面比輻射率的估算經(jīng)驗公式：

Rv=0.933 2+0.058 5Pv

Rm=0.988 6+0.128 7Pv

Rs=0.990 2+0.106 8Pv

4 地表溫度反演結(jié)果對比

反演算法精度可以通過獲取地面實測值或其他標(biāo)準(zhǔn)值進行驗證，本文利用阜陽市自動氣象站的實測數(shù)據(jù)來驗證4種算法反演地表溫度的精度。逐一計算各個參數(shù)之后，進行4種算法的地表溫度反演，反演結(jié)果影像(取置信區(qū)間99.9%以去除差異值)如圖7-10所示。

根據(jù)2018年9月8日4種算法溫度反演結(jié)果與地面實測溫度數(shù)據(jù)對比(如表3所示)可以看出，大氣校正法、Qin_SC、J&M_SC10和TIRS10_SC的溫度反演結(jié)果與地面實測溫度相比的絕對誤差的平均值分別為0.95 ℃、2.04 ℃、0.94 ℃和2.09 ℃。

表3 2018年9月8日4種算法溫度反演結(jié)果與地面實測溫度數(shù)據(jù)對比

如表4所示，大氣校正法與J&M_SC10算法反演結(jié)果相近且誤差相對較小，兩種算法的最大絕對誤差都為2.58 ℃，大氣校正法與J&M_SC10算法絕對誤差的最小值分別為0.05 ℃和0.06 ℃；而Qin_SC算法與TIRS10_SC算法的誤差較大，Qin_SC算法的最大絕對誤差為4.61 ℃，TIRS10_SC算法的最大絕對誤差為4.78 ℃。通過對比不難發(fā)現(xiàn)，大氣校正法和J&M_SC10算法均比較適合阜陽市地區(qū)的地表溫度反演，反演結(jié)果與實際溫度相差較小。四種算法反演溫度與溫度站實測數(shù)據(jù)不盡相同，尤其是Qin_SC算法與TIRS10_SC算法明顯高于實測地表溫度，由圖也可以看出，Qin_SC算法與TIRS10_SC算法比大氣校正法與J&M_SC10算法明顯高2 ℃左右，分析原因主要有：(1)相關(guān)算法參數(shù)的不同。大氣校正法與J&M_SC10算法所考慮的參數(shù)大致相同，反演結(jié)果相近，TIRS10_SC算法是輻射傳輸方程與Qin_SC算法的改進型，所以TIRS10_SC算法與Qin_SC算法考慮的因素參數(shù)較為相近，從而導(dǎo)致了四種算法反演溫度兩兩相近的結(jié)果；(2)數(shù)據(jù)時間的差異。實測數(shù)據(jù)為當(dāng)?shù)貢r間10:50，Landsat 8影像數(shù)據(jù)為當(dāng)?shù)貢r間10:48，MODIS影像數(shù)據(jù)為當(dāng)?shù)貢r間11:55，時間相差所導(dǎo)致的反演精度變化在所難免；(3)算法計算參數(shù)的不確定性。在參數(shù)的計算過程中，很多的經(jīng)驗公式只是提供典型的夏冬季節(jié)，沒有更多更加精確的時間經(jīng)驗公式選擇，從而加大了各項參數(shù)在估算過程中的誤差導(dǎo)致最后算法LST反演結(jié)果的誤差增大。

表4 4種算法最大值、最小值和平均值對比

5 結(jié) 論

本文使用阜陽市2018年9月8日阜陽市地區(qū)的Landsat 8遙感數(shù)據(jù)和MODIS數(shù)據(jù)，通過大氣校正法、覃志豪單窗算法(Qin_SC)、Jiménez-Muoz 普適性單通道算法(J&M_SC10)和胡德勇單窗算法(TIRS10_SC)四種算法進行LST反演對比。通過四種反演算法結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比，可以明顯看出：大氣校正法與J&M_SC10算法LST反演結(jié)果較為理想，絕對誤差的最小值分別為0.05 ℃和0.06 ℃，與地面實測溫度相比的絕對誤差的平均值分別為0.95 ℃、0.94 ℃，比較適用于阜陽市地區(qū)；而Qin_SC算法與TIRS10_SC算法LST反演結(jié)果誤差較大，與地面實測溫度相比的絕對誤差的平均值均大于2 ℃，與地面實測數(shù)據(jù)有較大的出入，在用于阜陽市地區(qū)時需要對其進行改進。

本文只是使用四種算法的計算公式做對比，其中所有的參數(shù)計算都是基于其中的經(jīng)驗公式，沒有使用相關(guān)的大氣模型軟件(LOWTRAN、MODTRAN或6S等)對阜陽市這一特定地區(qū)進行大氣參數(shù)的模擬，公式中所使用的相關(guān)的參數(shù)值也無法與阜陽市的具體實際情況相匹配，導(dǎo)致研究有些許誤差，這是以后改進的重點。