中國區域Landsat地表溫度產品

中國區域Landsat地表溫度產品
作者：張兆明　何國金　彭燕　龍騰飛　王猛猛　魏明月
2020年6月3日

本作品收錄於《中國科學數據》

張兆明, 何國金, 彭燕, 等. 中國區域Landsat地表溫度產品[J/OL]. 中國科學數據, 2020. (2020-05-25). DOI: 10.11922/csdata.2020.0030.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：地表溫度是一個重要的陸地表面參數，廣泛應用於農業、林業、生態、全球變化等領域。衛星遙感技術為獲取大區域地表溫度信息提供了有效手段。Landsat數據熱紅外波段具有較高的空間分辨率且具有長期的數據積累，為全球變化等需要長時間序列對比分析的研究提供了理想的數據源。基於Landsat數據和普適性單通道算法生產了中國區域長時間序列地表溫度產品。可為資源調查、生態環境監測、全球變化研究等相關領域的研究和應用提供數據產品支撐。

關鍵詞：地表溫度；定量反演；陸地衛星；中國區域

Abstract & Keywords

Abstract: Land surface temperature is an important land surface parameter, which is widely used in agriculture, forestry, ecology, global change and other fields. Satellite remote sensing technology provides an effective way to obtain large-scale surface temperature information. The thermal infrared band of Landsat data has high spatial resolution and long-term data accumulation, which provides an ideal data source for studies such as global changes that require long-term sequence data accumulation. Based on Landsat data and generalized single channel algorithm, long time series surface temperature product of China is produced, which can provide data product support for researches and applications in related fields.

Keywords: land surface temperature; quantitative retrieval; Landsat satellite; China

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	中國區域Landsat地表溫度產品
數據作者	張兆明、何國金、彭燕、龍騰飛、王猛猛、魏明月
數據通信作者	何國金（hegj@aircas.ac.cn）
數據時間範圍	1986–2019年
地理區域	中國
空間分辨率	120/100/60 m
數據量	360 GB
數據格式	*.TIF
數據服務系統網址	http://databank.casearth.cnhttp://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/985
基金項目	中國科學院A類先導專項（XDA19090300）
數據庫（集）組成	按照影像行列號（path/row）和獲取時間存放在不同的文件夾中，每個文件夾包含數據文件（TIF格式）、質量文件（QA）以及元數據文件（XML格式）。

Dataset Profile

Title	Landsat surface temperature product over China
Data corresponding author	He Guojin (hegj@aircas.ac.cn)
Data authors	Zhang Zhaoming, He Guojin, Peng Yan, Long Tengfei, Wang Mengmeng, Wei Mingyue
Time range	1986–2019
Geographical scope	China
Spatial resolution	120/100/60 m
Data volume	360 GB
Data format	*.TIF
Data service system	http://databank.casearth.cn http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/985
Source of funding	Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDA19090300)
Dataset composition	The dataset consists of data file in TIFF format, Quality Attribute file, and metadata file in XML format.

引 言

地表溫度是表徵地物在熱波段發射特徵的物理量，從衛星數據的熱紅外波段像元值經過輻射定標、大氣校正和比輻射率校正等定量處理可以反演得到地表溫度。自1982年以來，Landsat系列衛星持續獲取了大量的時間序列熱紅外數據，尤其是Landsat 5衛星持續高質量運行三十多年的時間，積累了大量的熱紅外數據。和其他長時間序列衛星數據（比如TERRA/AQUA MODIS數據和NOAA AVHRR數據）相比，Landsat熱紅外數據不僅持續時間長，更重要的是空間分辨率大大提高（空間分辨率為60 m/100 m/120 m）。Landsat 4/5/7衛星都只有一個熱紅外波段，Landsat 8衛星雖然具有兩個熱紅外波段（第10和第11波段），但是第11波段的定標誤差偏大，不能應用於定量地表溫度反演。因此從Landsat系列衛星數據反演地表溫度只能利用單通道算法，需要發展高精度且實用性強的單通道地表溫度反演算法進行Landsat數據地表溫度產品生產^[1]。

1 數據採集和處理方法

1.1 數據採集方法

選擇中國遙感衛星地面站接收的Landsat衛星數據，包括Landsat 5/7/8衛星數據，空間範圍覆蓋中國全境，時間範圍從1986年至今。儘可能選擇無雲、高質量的影像數據，所有數據均做過高精度的正射校正處理。

1.2 數據處理方法

在Landsat衛星數據輻射定標的基礎上利用普適性單通道算法反演地表溫度。普適性單通道算法需要地表比輻射率和總大氣水蒸汽含量兩個關鍵的輸入參數。地表比輻射率通過NDVI（normalized difference vegetation index，歸一化差值植被指數）閾值法來獲取。總大氣水蒸汽含量無法從Landsat衛星數據自身來獲取，需要藉助外源數據。對於2000年以前接收的Landsat數據，利用NCEP再分析資料來獲取總大氣水蒸汽含量；對於2000年以後接收的Landsat數據，則利用MODIS大氣水蒸汽含量產品（空間分辨率為1 km），從而協同兩種衛星數據的優勢實現地表溫度的高精度反演^[2]。

利用普適性單通道算法反演地表溫度的主要過程如下^[3][4]：

圖片 （1）

式中，TS 是地表溫度，Li 是i波段的輻射亮度，εi 是i波段的比輻射率， γ 和 δ 是普朗克方程相關的係數，計算公式為：

圖片 （2）

圖片 （3）

其中，Ti 是i波段的星上亮度溫度，圖片，c2=1.4387685，λ是有效波長。對於Landsat 4 TM 第6波段，bγ =1290 K；對於Landsat 5 TM 第6波段，bγ =1256 K ；對於Landsat 7 ETM+ 第6波段，bγ =1277 K；對於Landsat 8 TIRS 第10波段，bγ =1324 K。ψ1 、ψ2 和ψ3 為3個大氣功能參數，均由大氣水蒸汽含量（w）計算得到，計算公式如式4和表1。

圖片 （4）

表1 Landsat系列衛星數據對應的大氣功能參數計算係數

傳感器\通道	cij	j =1	j =2	j =3
Landsat 4 TM 6	i =1	0.06674	−0.03447	1.04483
	i =2	−0.50095	−1.15652	0.09812
	i =3	−0.04732	1.50453	−0.34405
Landsat 5 TM 6	i =1	0.08158	−0.05707	1.05991
	i =2	−0.58853	−1.08536	−0.00448
	i =3	−0.06201	1.59086	−0.33513
Landsat 7 ETM+ 6	i =1	0.06982	−0.03366	1.04896
	i =2	−0.51041	−1.20026	0.06297
	i =3	−0.05457	1.52631	−0.32136
Landsat 8 TIRS 10	i =1	0.04019	0.02916	1.01523
	i =2	−0.38333	−1.50294	0.20324
	i =3	0.00918	1.36072	−0.27514

2 數據樣本描述

數據產品按照影像行列號（path/row）和獲取時間存放在不同的文件夾中，文件夾中包含數據文件（TIFF格式）、數據質量文件（Quality Attribute，QA）和元數據文件（XML格式）。數據文件的空間分辨率分別為120 m（對應於Landsat 5衛星第6波段）、100 m（對應於Landsat 8衛星第10波段和第11波段）和60 m（對應於Landsat 7衛星第6波段）。為了降低存儲空間，將地表溫度反演結果的單位轉換為開爾文（K），並將浮點型乘以10變成16位整型進行存儲，背景填充值為-9999，同時所有的柵格圖像均進行了「LZW」的無損壓縮。

3 數據質量控制和評估

制定了Landsat地表溫度產品生產標準，規範了產品的坐標系與投影方式、產品格式、命名規則、文件組成及元數據標準，確保數據產品生產的標準化。制定了Landsat地表溫度產品質量檢驗規範，規定了產品質量檢驗的過程和方法，保證產品的質量。基於SURFRAD（surface radiation budget network）地表實測數據的驗證結果表明，在總大氣水蒸汽含量位於0.5至3 g/cm2區間時，Landsat地表溫度產品的RMSE（Root Mean Square Error，均方根誤差）為1.96 K^[5]。

4 數據價值

地表溫度是一個常用的陸地表面參數，廣泛應用於農業、林業、生態、全球變化等領域。利用遙感技術反演地表溫度具有明顯的優勢，目前可用的星載熱紅外遙感數據非常有限，且空間分辨率往往不高，在可用數據源中，Landsat數據熱紅外波段具有較高的空間分辨率且具有長期的數據積累。中國區域Landsat地表溫度產品基於1986年以來的全部高質量的Landsat數據，產品具有高精度的幾何定位、歸一化的波譜量綱，可為資源調查、生態環境監測、全球變化研究等相關領域的研究和應用提供數據產品支撐。

5 數據使用方法和建議

本數據集可通過地球大數據科學工程（CASEarth）Databank在線服務網址（http://databank.casearth.cn）获取数据。用户注册成功并登录系统后，进入平台产品查询界面（图1），产品类型选择“LST”（图1红框位置所示），用户可根据行政区、地图选择以及行列号等方式查询下载所需要的数据。后续作者会持续更新我国区域的地表温度产品，以提供更好的、持续的数据共享服务。若平台系统中暂时缺少用户所需的数据或者有与本数据相关的其他数据需求，可通过咨询本文作者进行申请。

圖片

圖1 CASEarth Databank 在線服務地表溫度產品查詢界面示意圖（地圖送審中）

參考文獻

1. HE G J, ZHANG Z M, JIAO W L, et al. Generation of ready to use (RTU) products over China based on Landsat series data[J]. Big Earth Data, 2018, 2: 56-64. DOI: 10.1080/20964471.2018.1433370
2. ZHANG Z M, HE G J. Generation of Landsat surface temperature product for China, 2000–2010[J]. International Journal of Remote Sensing, 2013, 34(20): 7369-7375.
3. JIMENEZ-MUNOZ J C, SOBRINO J A, SKOKOVIC D, et al. Land Surface Temperature Retrieval Methods From Landsat-8 Thermal Infrared Sensor Data[J]. Ieee Geoscience and Remote Sensing Letters, 2014,11: 1840-1843.
4. JIMENEZ-MUNOZ J C, CRISTOBAL 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.
5. ZHANG Z M, HE G J, WANG M M, et al. Validation of the generalized single-channel algorithm using Landsat 8 imagery and SURFRAD ground measurements[J]. Remote Sensing Letters, 2016, 7(8): 810-816.

數據引用格式

張兆明, 何國金, 彭燕, 等. 中國區域Landsat地表溫度產品[DB/OL]. Science Data Bank, 2020. (2020-05-20). DOI: 10.11922/sciencedb.985.