利用Landsat-8 TIRS數據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

利用Landsat-8 TIRS數據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

（南寧師范大學地理科學與規劃學院，廣西 南寧 530001）

冠層溫度是甘蔗長勢監測的一個重要參數，準確估算甘蔗冠層溫度對甘蔗旱情監測、精準估算甘蔗產量，評估甘蔗品質均具有重要意義。但生產實際中仍是以定點或手工方式觀測作物冠層溫度，費時費力且無法滿足精準糖業的時效性要求。熱紅外遙感技術可快速、無損獲取大面積地表溫度，但當像元包含多種地物時，需要反演組分溫度，以滿足實際應用需求。文章以Landsat-8遙感影像為基礎數據源，采用雙源能量平衡模型（TSEB）、植被指數及地面定點觀測數據，反演甘蔗冠層溫度。試驗分析表明，反演甘蔗冠層溫度與實測溫度具有較好的時空一致性，表明通過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測及甘蔗育種提供數據支持。

甘蔗；定量遙感；冠層溫度反演；組分溫度

引言

甘蔗是我國最重要的食糖來源，也是廣西傳統優勢產業和經濟發展的家底產業，是廣西蔗農增收脫貧的重要渠道。高產高糖是糖料蔗育種及栽培種植的長期目標，是實現農業現代化、信息化和鄉村振興戰略的重要途徑。因此，及時掌握甘蔗長勢信息是現代化甘蔗種植精細化管理的基礎。冠層溫度是甘蔗莖和葉表面的平均溫度，體現甘蔗冠層能量平衡和反應了甘蔗與大氣能量交換，因而是甘蔗長勢監測及種植管理等應用中的一個十分重要參數。傳統采用手工定點觀測方式費時費力，無法滿足實時、精確及大面積同步觀測的現實需求。熱紅外衛星遙感具有大面積同步獲取地表信息的優勢，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，由于農田冠層并不是一個明顯的實際表面，而是一個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構，農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，事實上有應用價值的是像元內的組分溫度。

組分溫度是設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在物理模型需要較多的精確參數，而且多角度遙感觀測到的信息比較有限。在此問題上王錦地等[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據和參數空間信息量的方法并在此基礎上改進了反演代價函數，這為理論描述走向實踐提供了基礎，但是該方法只是運用了像元結構參數加權的熱輻射方向性模型，沒有考慮到像元間多次散射的問題。在此問題上，王潤科等[6]利用Landsat ETM+遙感數據，利用雙源能量平衡模型（TSEB）和作物綠色時葉面積指數計算研究區地表的熱通量，進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，其最大優點是消除了把植被覆蓋度當作輸入參數而帶來的計算誤差，而且不需要大量的更替運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生。但在2003年5月之后，Landsat-7 ETM+影像出現很多條帶，其原因是機載掃描傳感器（SLC）發生故障，導致會丟失一些重要并且敏感的數據，因此，在做數據分析時會產生一定的誤差，影響Landsat ETM遙感影像的使用精度。本文利用Landsat-8遙感影像，運用雙源能量平衡模型（TSEB）和作物綠色時葉面積指數計算研究區地表的熱通量，進而反演成熟期甘蔗冠層溫度。

1　研究區與數據

1.1　研究區概況

貴港市位于中華人民共和國廣西壯族自治區東南部，地處北緯22°39′～24°2′，北回歸線橫穿貴港市，其地勢平坦，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℃，年日照時數達到1400 h～2000 h，而且處于潯郁平原的中部, 適宜農作物生長發育，主要種植以水稻玉米為主的糧食作物，同時也是熱帶亞熱帶特色農產品甘蔗的種植基地，發展糖業條件得天獨厚。甘蔗業是貴港市的產業支柱之一，成為了貴港市的特色資源，并且已成為當地甘蔗種植者的主要收入來源，也是當地經濟發展的重要基礎，因此富有廣西壯族自治區“甘蔗之鄉”“蓮藕之鄉”等美譽。其中貴港市西江農場主要地表覆蓋類型為旱地，農作物主要以甘蔗為主。因此，準確獲取甘蔗冠層溫度可助力現代化甘蔗種植精細化管理，對精準農業發展有著重要的現實意義。

圖1　研究區示意圖

1.2　數據源

1.2.1遙感數據

本文選擇2019年10月2日覆蓋研究區的Landsat-8遙感影像，其成像寬幅為185 km×185 km，有30米可見光的空間分辨率，15 m空間分辨率的全色波段和100 m空間分辨率熱紅外數據，該衛星攜帶兩個載荷：即具有2個熱紅外波段的熱紅外傳感器和9個波段運轉的陸地成像儀（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氣溫數據與其它數據

氣溫數據對組分溫度反演具有十分重要的作用，本文所采用的氣溫數據主要來自貴港市氣象局，其數據來自氣象站（站名：59249）和貴港市港北區甘蔗氣象站（站名：GBGZ1），這兩個氣象站提供了研究區的甘蔗冠層溫度和土壤表面溫度。其它數據主要包括衛星過境時研究區風速、水汽壓、太陽方位角、太陽高度角等數據。其具體參數如表2所示。

表2 其他的輔助數據參數

2　研究方法

2.1　數據預處理

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

2.1.1輻射定標

輻射定標是將衛星傳感器記錄的數字量化值或電壓轉換為地面反射率、或者是轉換為絕對輻射亮度值（輻射率）的過程。對Landsat-8遙感影像數據，通過輻射定標將DN值轉化為熱輻射強度值，即：

2.1.2大氣校正

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

2.2　計算地表凈輻射

2.3　計算地表熱通量

式中，T為真太陽時，單位為時。

利用土壤表面、甘蔗冠層和空氣溫度梯度傳輸網絡來計算顯熱通量，顯熱通量在土壤、甘蔗、大氣之間是平行的，三者之間沒有耦合被認為是并聯阻抗。并聯阻抗土壤和甘蔗顯熱通量的計算公式如下：

2.4　組分溫度反演

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

式中T為空氣溫度（℃）。

聯立方程（11）和（14），甘蔗冠層溫度可表示為：

3　結果與分析

3.1　甘蔗冠層溫度反演結果

以廣西貴港市西江農場為研究區，運用雙源能量平衡模型（TSEB）對2019年10月2日的Landsat-8遙感影像進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，其結果符合實際情況。

圖2 組分溫度反演結果

3.2　甘蔗冠層溫度反演結果驗證

遙感反演組分溫度驗算，其目的是為了評價反演溫度的精度。用遙感衛星測量地面溫度比較難，地面溫度隨著時間的變化會有比較大的時間和空間上的變化。因此，要準確驗證Landsat-8影像反演的亞像元尺度溫度數據的精度難度較大。根據目前關于組分溫度反演驗證方法的相關研究, 遙感反演組分溫度的驗證方法主要有3種：組分溫度分布法、地面實測驗證法、模型模擬法[18]。

3.2.1影像數據對比驗證法

將同時刻同區域的影像用劈窗算法進行地表溫度反演，將其結果與組分溫度反演結果對比，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，劃分溫度反演結果的等級，并用ArcGis10.1軟件的制圖功能進行專題圖的制作，得到溫度反演圖（見圖3），并在專題圖中隨機選取若干的點進行溫度對比，其結果如表3如示。

表3　組分溫度反演結果與劈窗算法反演結果對比

從溫度專題圖和表格數據可以看出，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相近，溫度變化區間相近。地面溫度由高到低的順序依次是：裸土、城鎮、植被、水體。由于城鎮裸土和植被較少，加上城鎮人口和城鎮建筑密集，導致下墊面比熱容較小，太陽吸收率高，從而城鎮溫度較高。

3.2.2地面實測驗證法

地面實測法是指地面實測的溫度時間與衛星過境時間一致，用地面實測溫度與同一時刻過境衛星影像的地表溫度對比。組分溫度遙感反演一般是反演出植被和土壤溫度，所以地面實地測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，因而有不少的學者通過實測氣溫或從氣象站獲得氣溫數據，從而可以從側面來反映和評價植物反演的精度。植被冠層溫度越接近氣溫被認為反演效果越好[20]。本研究采用的是2019年10月2日的Landsat-8遙感影像。衛星過境時，研究區的實測溫度如表4所示。

表4　實測數據與組分溫度反演結果對比

根據遙感反演的結果與實測溫度對比，遙感反演的甘蔗溫度與實測溫度差別不大，遙感反演的甘蔗溫度變化區間合理。

4　結論

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

（1）采用雙源能量模型（TSEB）反演甘蔗冠層溫度更加接近實際觀測溫度，對同時刻同區域的影像用劈窗算法進行地表溫度反演對比，雙源能量模型反演的精度優于劈窗算法反演溫度，其原因可能劈窗算法可能受到實際大氣復雜情況，大氣透過率難以獲取影響，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相近，溫度變化區間相近。而地面溫度由高到低的順序依次是: 裸土、城鎮、植被、水體。由于城鎮裸土和植被較少，加上城鎮人口和城鎮建筑密集，導致下墊面比熱容較小，太陽吸收率高，從而城鎮溫度較高。

本研究存在也下幾點不足之處：（1）在研究區域，由于缺少氣象站觀測數據，本研究采用研究區內的兩個氣象站數據來代替實測地面溫度。（2）組分溫度反演公式有些系數采取前人得到的經驗值，這些系數會對反演的溫度結果形成誤差。

[1]覃志豪，Zhang Minghua，Arnon Karnieli，等. 用陸地衛星TM6數據演算地表溫度的單窗算法[J]. 地理學報，2001(4): 456-466.

[2] Jimenez-Munoz J C, Cristbal J, Sobrino J A, et al. Revision of the single-channel algorithm for land surface temperature retrieval from Landsat thermal-infrared data[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2009, 47(1): 339-349.

[3] Rozenstein O, Qin Z, Derimian Y, et al. Derivation of land surface temperature for Landsat-8 TIRS us sing a split window algorithm[J]. Sensors, 2014, 14 (4): 5768-5780.

[4] 徐希孺，陳良富，莊家禮. 基于多角度熱紅外遙感的混合像元組分溫度演化反演方法[J]. 中國科學(D輯: 地球科學)，2001(1): 81-88.

[5] 王錦地，李小文，孫曉敏，等. 用熱輻射方向性模型反演非同溫像元組分溫度[J]. 中國科學E輯: 技術科學，2000(S1): 54-60.

[6] 王潤科，王建，李弘毅，等. 基于Landsat ETM+遙感數據的組分溫度反演方法研究[J]. 遙感技術與應用，2019，34(3): 571-582.

[7] 郭鵬，武法東. 利用Landsat-8數據估算干旱區晴天太陽瞬時和日間凈輻射[J]. 干旱區地理，2018，41(1): 32-37.

[8] Campbell G S, Norman J M. An introduction to environmental biophysics[M]. New York: Springer Science and Business Media, 2000.

[9] Kustas W P, Norman J M. Evaluation of soil and vegetation heat flux predictions using a simple two-source model with radiometric temperatures for partial canopy cover[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 1999, 94 (1): 13-29.

[10] Norman J M, Kustas W P, Humes K S. Source approach for estimating soil and vegetation energy fluxes in observations of directional radiometric surface-temperature[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 1995, 77(3-4): 263-293.

[11] Santanello J A, Friedl M A. Diurnal covariation in soil heat flux and net radiation[J]. Journal of Applied Meteorology, 2003, 42(6): 851-862.

[12] Song L, Kustas W P, Liu S , et al. Applications of a thermal-based two-source energy balance model using Priestley-Taylor approach for surface temperature partitioning under advective conditions[J]. Journal of Hydrology, 2016, 540: 574-587.

[13] 王存良. 電離層電子濃度計算模型中有關太陽參數的計算[J]. 中國電子科學研究院學報，2013，8(1): 86-90.

[14] 李守波，趙傳燕. 基于能量平衡的關川河流域蒸散發的遙感反演[J]. 遙感技術與應用，2006(6): 521-526.

[15] Priestley C H B, Taylor R J. On the assessment of surface heat flux and evaporation using large-scale parameters[J]. Monthly Weather Review, 1972,100(2): 81-92.

[16] Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop evapotranspiration-Guidelines for computing crop water requirements-FAO Irrigation and drainage paper 56[J]. Fao Rome, 1998, 300(9): D5109.

[17] 白燕英，高聚林，張寶林. 基于NDVI與EVI的作物長勢監測研究[J]. 農業機械學報，2019，50(9): 153-161.

[18] 張舒婷，段四波，幸澤峰，等. 地表組分溫度遙感反演算法研究進展[J]. 中國農業信息，2019，31(1): 11-23.

[19] 吳亮，姚昆. 基于劈窗算法的Landsat 8影像地表溫度反演[J]. 電力大數據，2018，21(4): 18-25.

[20] Zhao W, Li A, Bian J, et al. A Synergetic algorithm for mid-morning land surface soil and vegetation temperatures estimation using MSG-SEVIRI Products and TERRA-MODIS Products[J]. Remote Sensing, 2014, 6(3): 2213-2238.

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

國家自然科學基金地區項目（41661090）；廣西研究生教育創新計劃資助項目（YCSW2021279）。

韋高楊（1996－），男，廣西貴港人，南寧師范大學地理科學與規劃學院在讀碩士研究生，從事農業遙感研究。