韋高楊 劉劍洪 覃 紋 何鑫蘭 劉雨仙

利用Landsat-8 TIRS數(shù)據(jù)的甘蔗冠層溫度反演方法

韋高楊 劉劍洪 覃 紋 何鑫蘭 劉雨仙

（南寧師范大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣西 南寧 530001）

冠層溫度是甘蔗長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要參數(shù)，準(zhǔn)確估算甘蔗冠層溫度對(duì)甘蔗旱情監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)估算甘蔗產(chǎn)量，評(píng)估甘蔗品質(zhì)均具有重要意義。但生產(chǎn)實(shí)際中仍是以定點(diǎn)或手工方式觀測(cè)作物冠層溫度，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且無(wú)法滿(mǎn)足精準(zhǔn)糖業(yè)的時(shí)效性要求。熱紅外遙感技術(shù)可快速、無(wú)損獲取大面積地表溫度，但當(dāng)像元包含多種地物時(shí)，需要反演組分溫度，以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。文章以L(fǎng)andsat-8遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，采用雙源能量平衡模型（TSEB）、植被指數(shù)及地面定點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，反演甘蔗冠層溫度。試驗(yàn)分析表明，反演甘蔗冠層溫度與實(shí)測(cè)溫度具有較好的時(shí)空一致性，表明通過(guò)地表溫度分解的方法獲得的甘蔗冠層溫度具有可行性。文章方法可以為甘蔗干旱監(jiān)測(cè)及甘蔗育種提供數(shù)據(jù)支持。

甘蔗；定量遙感；冠層溫度反演；組分溫度

引言

甘蔗是我國(guó)最重要的食糖來(lái)源，也是廣西傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的家底產(chǎn)業(yè)，是廣西蔗農(nóng)增收脫貧的重要渠道。高產(chǎn)高糖是糖料蔗育種及栽培種植的長(zhǎng)期目標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、信息化和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要途徑。因此，及時(shí)掌握甘蔗長(zhǎng)勢(shì)信息是現(xiàn)代化甘蔗種植精細(xì)化管理的基礎(chǔ)。冠層溫度是甘蔗莖和葉表面的平均溫度，體現(xiàn)甘蔗冠層能量平衡和反應(yīng)了甘蔗與大氣能量交換，因而是甘蔗長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)及種植管理等應(yīng)用中的一個(gè)十分重要參數(shù)。傳統(tǒng)采用手工定點(diǎn)觀測(cè)方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)、精確及大面積同步觀測(cè)的現(xiàn)實(shí)需求。熱紅外衛(wèi)星遙感具有大面積同步獲取地表信息的優(yōu)勢(shì)，目前已有多種熱紅外遙感反演地表溫度的算法，其中比較成熟的地表溫度反演算法有覃志豪提出的單窗算法[1]、Juan C.Jiménez-Mu1oz單通道算法[2]、Rozenstein的劈窗算法[3]，但熱紅外遙感反演的是地表皮膚溫度，由于農(nóng)田冠層并不是一個(gè)明顯的實(shí)際表面，而是一個(gè)由作物葉莖及其間隙組成的混合體，并且，由于作物葉莖伸展的不同結(jié)構(gòu)，農(nóng)田作物冠層具有明顯的高低不平特征，粗糙度很大，因此反演的地表溫度多為混合像元的平均溫度，事實(shí)上有應(yīng)用價(jià)值的是像元內(nèi)的組分溫度。

組分溫度是設(shè)法將包含土壤和植被的混合像元中分離出植物冠層溫度和土壤表層溫度。徐希孺等[4]利用多角度熱紅外遙感來(lái)反演組分溫度，指出熱紅外多角度遙感為直接反演組分溫度提供了可能性。但利用方向熱輻射模型反演組分溫度的局限性主要體現(xiàn)在物理模型需要較多的精確參數(shù)，而且多角度遙感觀測(cè)到的信息比較有限。在此問(wèn)題上王錦地等[5]用熱輻射方向性模型反演組分溫度，提出了遙感反演中增加空間度量數(shù)據(jù)和參數(shù)空間信息量的方法并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)了反演代價(jià)函數(shù)，這為理論描述走向?qū)嵺`提供了基礎(chǔ)，但是該方法只是運(yùn)用了像元結(jié)構(gòu)參數(shù)加權(quán)的熱輻射方向性模型，沒(méi)有考慮到像元間多次散射的問(wèn)題。在此問(wèn)題上，王潤(rùn)科等[6]利用Landsat ETM+遙感數(shù)據(jù)，利用雙源能量平衡模型（TSEB）和作物綠色時(shí)葉面積指數(shù)計(jì)算研究區(qū)地表的熱通量，進(jìn)而反演成熟期甘蔗冠層溫度。這種算法是一種可靠的組分溫度分解的方法，其最大優(yōu)點(diǎn)是消除了把植被覆蓋度當(dāng)作輸入?yún)?shù)而帶來(lái)的計(jì)算誤差，而且不需要大量的更替運(yùn)算的情況下考慮了土壤和植被的凈輻射能量平衡，減少了累積誤差的產(chǎn)生。但在2003年5月之后，Landsat-7 ETM+影像出現(xiàn)很多條帶，其原因是機(jī)載掃描傳感器（SLC）發(fā)生故障，導(dǎo)致會(huì)丟失一些重要并且敏感的數(shù)據(jù)，因此，在做數(shù)據(jù)分析時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，影響Landsat ETM遙感影像的使用精度。本文利用Landsat-8遙感影像，運(yùn)用雙源能量平衡模型（TSEB）和作物綠色時(shí)葉面積指數(shù)計(jì)算研究區(qū)地表的熱通量，進(jìn)而反演成熟期甘蔗冠層溫度。

1　研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1　研究區(qū)概況

貴港市位于中華人民共和國(guó)廣西壯族自治區(qū)東南部，地處北緯22°39′～24°2′，北回歸線(xiàn)橫穿貴港市，其地勢(shì)平坦，日照充足，雨水充沛，交通便利，年平均氣溫在16℃～23℃，日均氣溫10℃，年日照時(shí)數(shù)達(dá)到1400 h～2000 h，而且處于潯郁平原的中部, 適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育，主要種植以水稻玉米為主的糧食作物，同時(shí)也是熱帶亞熱帶特色農(nóng)產(chǎn)品甘蔗的種植基地，發(fā)展糖業(yè)條件得天獨(dú)厚。甘蔗業(yè)是貴港市的產(chǎn)業(yè)支柱之一，成為了貴港市的特色資源，并且已成為當(dāng)?shù)馗收岱N植者的主要收入來(lái)源，也是當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，因此富有廣西壯族自治區(qū)“甘蔗之鄉(xiāng)”“蓮藕之鄉(xiāng)”等美譽(yù)。其中貴港市西江農(nóng)場(chǎng)主要地表覆蓋類(lèi)型為旱地，農(nóng)作物主要以甘蔗為主。因此，準(zhǔn)確獲取甘蔗冠層溫度可助力現(xiàn)代化甘蔗種植精細(xì)化管理，對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1　研究區(qū)示意圖

1.2　數(shù)據(jù)源

1.2.1遙感數(shù)據(jù)

本文選擇2019年10月2日覆蓋研究區(qū)的Landsat-8遙感影像，其成像寬幅為185 km×185 km，有30米可見(jiàn)光的空間分辨率，15 m空間分辨率的全色波段和100 m空間分辨率熱紅外數(shù)據(jù)，該衛(wèi)星攜帶兩個(gè)載荷：即具有2個(gè)熱紅外波段的熱紅外傳感器和9個(gè)波段運(yùn)轉(zhuǎn)的陸地成像儀（OLI），各傳感器波段信息如表1所示。

表1　Landsat-8傳感器波段信息

1.2.2氣溫?cái)?shù)據(jù)與其它數(shù)據(jù)

氣溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)組分溫度反演具有十分重要的作用，本文所采用的氣溫?cái)?shù)據(jù)主要來(lái)自貴港市氣象局，其數(shù)據(jù)來(lái)自氣象站（站名：59249）和貴港市港北區(qū)甘蔗氣象站（站名：GBGZ1），這兩個(gè)氣象站提供了研究區(qū)的甘蔗冠層溫度和土壤表面溫度。其它數(shù)據(jù)主要包括衛(wèi)星過(guò)境時(shí)研究區(qū)風(fēng)速、水汽壓、太陽(yáng)方位角、太陽(yáng)高度角等數(shù)據(jù)。其具體參數(shù)如表2所示。

表2 其他的輔助數(shù)據(jù)參數(shù)

2　研究方法

2.1　數(shù)據(jù)預(yù)處理

Landsat系列遙感影像會(huì)受到大氣傳輸、大氣水汽、大氣中的固體顆粒、太陽(yáng)輻射、衛(wèi)星姿態(tài)與軌道參數(shù)及傳感器特征的影響，因而需要對(duì)獲取的遙感影像進(jìn)行預(yù)處理。本文將采用ENVI5.3軟件對(duì)Landsat-8遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣矯正、鑲嵌、裁剪等操作。輻射定標(biāo)可以將Landsat-8無(wú)量鋼遙感圖像的數(shù)字量化值（DN）記錄信息轉(zhuǎn)換為輻射量等物理量，以進(jìn)行遙感定量分析。大氣中的光、水蒸氣和大氣分子等外部因素會(huì)影響遙感器的成像，而大氣校正可以減少或消除大氣對(duì)遙感影像的影響。

2.1.1輻射定標(biāo)

輻射定標(biāo)是將衛(wèi)星傳感器記錄的數(shù)字量化值或電壓轉(zhuǎn)換為地面反射率、或者是轉(zhuǎn)換為絕對(duì)輻射亮度值（輻射率）的過(guò)程。對(duì)Landsat-8遙感影像數(shù)據(jù)，通過(guò)輻射定標(biāo)將DN值轉(zhuǎn)化為熱輻射強(qiáng)度值，即：

2.1.2大氣校正

大氣校正的目的是為了方便衛(wèi)星可以獲得真實(shí)物理模型參數(shù)，消除大氣中的光、水蒸氣和大氣分子等外部因素對(duì)地面特征的反射的影響，本文使用ENVI5.3中的FLAASH大氣校正工具對(duì)圖像進(jìn)行大氣校正。

2.2　計(jì)算地表凈輻射

2.3　計(jì)算地表熱通量

式中，T為真太陽(yáng)時(shí)，單位為時(shí)。

利用土壤表面、甘蔗冠層和空氣溫度梯度傳輸網(wǎng)絡(luò)來(lái)計(jì)算顯熱通量，顯熱通量在土壤、甘蔗、大氣之間是平行的，三者之間沒(méi)有耦合被認(rèn)為是并聯(lián)阻抗。并聯(lián)阻抗土壤和甘蔗顯熱通量的計(jì)算公式如下：

2.4　組分溫度反演

對(duì)于甘蔗而言，冠層的潛熱通量可以根據(jù)Priestley- Taylor[15]公式可表示為

式中T為空氣溫度（℃）。

聯(lián)立方程（11）和（14），甘蔗冠層溫度可表示為：

3　結(jié)果與分析

3.1　甘蔗冠層溫度反演結(jié)果

以廣西貴港市西江農(nóng)場(chǎng)為研究區(qū)，運(yùn)用雙源能量平衡模型（TSEB）對(duì)2019年10月2日的Landsat-8遙感影像進(jìn)行甘蔗冠層溫度遙感反演。從圖2中可知最低溫度為302.75 K，最高溫度為305.03 K，其結(jié)果符合實(shí)際情況。

圖2 組分溫度反演結(jié)果

3.2　甘蔗冠層溫度反演結(jié)果驗(yàn)證

遙感反演組分溫度驗(yàn)算，其目的是為了評(píng)價(jià)反演溫度的精度。用遙感衛(wèi)星測(cè)量地面溫度比較難，地面溫度隨著時(shí)間的變化會(huì)有比較大的時(shí)間和空間上的變化。因此，要準(zhǔn)確驗(yàn)證Landsat-8影像反演的亞像元尺度溫度數(shù)據(jù)的精度難度較大。根據(jù)目前關(guān)于組分溫度反演驗(yàn)證方法的相關(guān)研究, 遙感反演組分溫度的驗(yàn)證方法主要有3種：組分溫度分布法、地面實(shí)測(cè)驗(yàn)證法、模型模擬法[18]。

3.2.1影像數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證法

將同時(shí)刻同區(qū)域的影像用劈窗算法進(jìn)行地表溫度反演，將其結(jié)果與組分溫度反演結(jié)果對(duì)比，用以確定組分溫度反演精度。

本文采用吳亮等[19]提出的劈窗算法，劃分溫度反演結(jié)果的等級(jí)，并用ArcGis10.1軟件的制圖功能進(jìn)行專(zhuān)題圖的制作，得到溫度反演圖（見(jiàn)圖3），并在專(zhuān)題圖中隨機(jī)選取若干的點(diǎn)進(jìn)行溫度對(duì)比，其結(jié)果如表3如示。

表3　組分溫度反演結(jié)果與劈窗算法反演結(jié)果對(duì)比

從溫度專(zhuān)題圖和表格數(shù)據(jù)可以看出，兩種算法反演出的溫度圖像在植物冠層溫度空間特征分布趨勢(shì)相近，溫度變化區(qū)間相近。地面溫度由高到低的順序依次是：裸土、城鎮(zhèn)、植被、水體。由于城鎮(zhèn)裸土和植被較少，加上城鎮(zhèn)人口和城鎮(zhèn)建筑密集，導(dǎo)致下墊面比熱容較小，太陽(yáng)吸收率高，從而城鎮(zhèn)溫度較高。

3.2.2地面實(shí)測(cè)驗(yàn)證法

地面實(shí)測(cè)法是指地面實(shí)測(cè)的溫度時(shí)間與衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間一致，用地面實(shí)測(cè)溫度與同一時(shí)刻過(guò)境衛(wèi)星影像的地表溫度對(duì)比。組分溫度遙感反演一般是反演出植被和土壤溫度，所以地面實(shí)地測(cè)量的是植物冠層溫度和土壤溫度。有研究表明，植物冠層溫度與氣溫比較相近，因而有不少的學(xué)者通過(guò)實(shí)測(cè)氣溫或從氣象站獲得氣溫?cái)?shù)據(jù)，從而可以從側(cè)面來(lái)反映和評(píng)價(jià)植物反演的精度。植被冠層溫度越接近氣溫被認(rèn)為反演效果越好[20]。本研究采用的是2019年10月2日的Landsat-8遙感影像。衛(wèi)星過(guò)境時(shí)，研究區(qū)的實(shí)測(cè)溫度如表4所示。

表4　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與組分溫度反演結(jié)果對(duì)比

根據(jù)遙感反演的結(jié)果與實(shí)測(cè)溫度對(duì)比，遙感反演的甘蔗溫度與實(shí)測(cè)溫度差別不大，遙感反演的甘蔗溫度變化區(qū)間合理。

4　結(jié)論

本文采用雙源能量平衡模型（TSEB）對(duì)2019年10月2日貴港市西江農(nóng)場(chǎng)Landsat-8遙感影像進(jìn)行溫度反演，得到了如下的結(jié)論：

（1）采用雙源能量模型（TSEB）反演甘蔗冠層溫度更加接近實(shí)際觀測(cè)溫度，對(duì)同時(shí)刻同區(qū)域的影像用劈窗算法進(jìn)行地表溫度反演對(duì)比，雙源能量模型反演的精度優(yōu)于劈窗算法反演溫度，其原因可能劈窗算法可能受到實(shí)際大氣復(fù)雜情況，大氣透過(guò)率難以獲取影響，因而雙源能量平衡模型反演精度更高。

（2）雙源能量平衡模型和劈窗算法反演溫度圖像在植物冠層溫度空間特征分布趨勢(shì)相近，溫度變化區(qū)間相近。而地面溫度由高到低的順序依次是: 裸土、城鎮(zhèn)、植被、水體。由于城鎮(zhèn)裸土和植被較少，加上城鎮(zhèn)人口和城鎮(zhèn)建筑密集，導(dǎo)致下墊面比熱容較小，太陽(yáng)吸收率高，從而城鎮(zhèn)溫度較高。

本研究存在也下幾點(diǎn)不足之處：（1）在研究區(qū)域，由于缺少氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)，本研究采用研究區(qū)內(nèi)的兩個(gè)氣象站數(shù)據(jù)來(lái)代替實(shí)測(cè)地面溫度。（2）組分溫度反演公式有些系數(shù)采取前人得到的經(jīng)驗(yàn)值，這些系數(shù)會(huì)對(duì)反演的溫度結(jié)果形成誤差。

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Inversion Method of Sugarcane Canopy Temperature Using Landsat-8 TIRS Data

Canopy temperature is an important parameter for sugarcane growth monitoring. Accurate estimation of sugarcane canopy temperature is of great significance for sugarcane drought monitoring, accurate estimation of sugarcane yield and evaluation of sugarcane quality. However, in practice, crop canopy temperature is still observed by fixed-point or manual methods, which is time-consuming and laborious and can not meet the timeliness requirements of precision sugar industry. Thermal infrared remote sensing technology can quickly and non destructively obtain the surface temperature of a large area, but when the pixel contains a variety of ground objects, it is necessary to retrieve the component temperature to meet the practical application needs. Based on Landsat-8 remote sensing image as the basic data source, the sugarcane canopy temperature was retrieved by using double source energy balance model (TSEB), vegetation index and ground fixed-point observation data. The experimental analysis shows that the inversion of sugarcane canopy temperature has good temporal and spatial consistency with the measured temperature, which indicates that the sugarcane canopy temperature obtained by the decomposition of land surface temperature is feasible. This method can provide data support for sugarcane drought monitoring and sugarcane breeding.

sugarcane; quantitative remote sensing; canopy temperature inversion; component temperature

TP701

A

1008-1151(2022)06-0005-05

2022-03-24

國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)項(xiàng)目（41661090）；廣西研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目（YCSW2021279）。

韋高楊（1996－），男，廣西貴港人，南寧師范大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院在讀碩士研究生，從事農(nóng)業(yè)遙感研究。