新聞動態(tài)李娜等-TGRS：可持續(xù)發(fā)展科學(xué)衛(wèi)星1號地表溫度反演新算法
地表溫度（LST）是影響地-氣相互作用和地表能量平衡過程的重要物理參量，利用衛(wèi)星熱紅外數(shù)據(jù)反演地表溫度是目前最為有效的手段。最近發(fā)射的可持續(xù)發(fā)展科學(xué)衛(wèi)星1號（SDGSAT-1）是全球首顆專門服務(wù)《聯(lián)合國2030年可持續(xù)發(fā)展議程》的科學(xué)衛(wèi)星，也是中國科學(xué)院發(fā)射的首顆地球科學(xué)衛(wèi)星。該衛(wèi)星可以提供白天和夜間的熱紅外數(shù)據(jù)，空間分辨率為30米，且具有3個熱紅外波段，是目前公開免費(fèi)下載數(shù)據(jù)中分辨率高且最為精細(xì)的熱紅外遙感數(shù)據(jù)源之一。針對常用衛(wèi)星如NOAA、MODIS、ASTER和Landsat等熱紅外數(shù)據(jù)的LST反演，主要采用一些傳統(tǒng)的算法如單通道算法、劈窗算法、溫度與發(fā)射率分離算法等，SDGSAT-1地表溫度反演也多采用上述算法。但是這些地表溫度反演算法受到大氣水汽含量的影響，反演結(jié)果會產(chǎn)生較大誤差。目前針對SDGSAT-1地表溫度反演算法的研究較為匱乏，特別是水汽的影響也沒有進(jìn)行系統(tǒng)評估。
針對上述問題，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所博士研究生李娜在王云鵬研究員和廣東省科學(xué)院廣州地理研究所許劍輝副研究員的指導(dǎo)下，針對SDGSAT-1提出了改進(jìn)的三通道劈窗算法，采用TIGR全球大氣廓線數(shù)據(jù)輸入MODTRAN軟件，建立模擬數(shù)據(jù)庫，擬合算法系數(shù)，并在此基礎(chǔ)上考慮了大氣水汽含量的對熱紅外數(shù)據(jù)反演的影響。
為了驗收該方法的有效性及精度，本研究進(jìn)行了系統(tǒng)的驗證，包括模擬數(shù)據(jù)集驗證、中國的黑河流域氣象觀測站和美國的SURFRAD氣象觀測網(wǎng)的實測站點驗證，同時也與Landsat和ECOSTRESS地表溫度產(chǎn)品進(jìn)行了交叉驗證，并在中國黑河流域的張掖地區(qū)進(jìn)行了LST的反演和熱環(huán)境的初步分析。
圖1?模擬數(shù)據(jù)集驗證
（1）劈窗算法；（2）三通道劈窗算法；（3）改進(jìn)的三通道劈窗算法(本研究)
圖2?中國黑河流域氣象觀測站的實測站點驗證
（1）劈窗算法；（2）三通道劈窗算法；（3）改進(jìn)的三通道劈窗算法（本研究）
圖3?美國SURFRAD氣象觀測網(wǎng)的實測站點驗證
（1）?劈窗算法；（2）三通道劈窗算法；（3）改進(jìn)的三通道劈窗算法（本研究）
圖4?黑河流域水體地表溫度空間分布圖（a）SDGSAT-1；（b）Landsat；（c）ECOSTRESS；（d） Google 地圖；（f）Landsat與SDGSAT-1地表溫度差值（ΔTs?= LSTLandsat-LSTSDGSAT-1）；（g） ECOSTRESS 與SDGSAT-1 地表溫度差值（ΔTs?= LSTECOSTRESS-LSTSDGSAT-1）和（e）ΔTs分布直方圖。
模擬數(shù)據(jù)集驗證（圖1）和實測站點驗證（圖2和圖3）結(jié)果表明，總體上改進(jìn)的三通道劈窗算法的精度優(yōu)于劈窗算法和三通道劈窗算法。交叉驗證（圖4）結(jié)果表明，通過改進(jìn)的三通道劈窗算法反演的SDGSAT-1地表溫度與Landsat和ECOSTRESS地表溫度產(chǎn)品，在空間分布上具有較高的一致性，尤其與Landsat地表溫度差值較小（接近50%的像元地表溫度差值分布在1K以內(nèi)），且SDGSAT-1地表溫度具有更精細(xì)的空間紋理特征，為熱環(huán)境的精細(xì)分析提供了新的方法。上述方法應(yīng)用于我國黑河流域的張掖地區(qū)的LST反演，并進(jìn)行了初步的熱環(huán)境分析，可以看出改進(jìn)的三通道劈窗算法反演的SDGSAT-1地表溫度與土地利用類型在不同時間、不同季節(jié)都具有很強(qiáng)的相關(guān)性特征（圖5）。
圖5?改進(jìn)的三通道劈窗算法反演的SDGSAT-1白天/夜間地表溫度與土地利用類型的箱型小提琴圖（a）春季；（b）夏季；（c）秋季和（d）冬季。
本算法對傳統(tǒng)LST反演算法進(jìn)行了改進(jìn)，特別是考慮了大氣水汽的影響，提供了LST反演精度，為SDGSAT-1地表溫度的準(zhǔn)確反演、LST產(chǎn)品的生成及高分辨率熱紅外遙感的應(yīng)用和城市熱環(huán)境的精細(xì)研究提供了新的視角。
本研究成果近期發(fā)布在遙感領(lǐng)域國際重要期刊《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》上，共同作者還包括廣東省科學(xué)院廣州地理研究所覃志豪研究員、鐘凱文研究員、李旭碩士、中國科學(xué)院華南植物園秦伯雄助理研究員及中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所付東杰研究員。本研究得到了國家自然科學(xué)基金（No. U1901215，41901371）的資助。
論文信息：Li Na (李娜), Xu Jianhui (許劍輝), Li Xu (李旭), Qinu Boxiong (秦伯雄), Wang Yunpeng (王云鵬), Fu Dongjie (付東杰), Zhong Kaiwen (鐘凱文), Qin Zhihao (覃志豪). 2025, A Novel Land Surface Temperature Retrieval Algorithm for SDGSAT-1 Images. IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, 63, 1–18.
論文鏈接：https://doi.org/10.1109/TGRS.2024.3514359
