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自然资源遥感  2023, Vol. 35 Issue (1): 198-204    DOI: 10.6046/zrzyyg.2021414
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基于ASTER数据的地表温度遥感反演与产品检验——以黑河流域为例
马俊俊1,2(), 王春磊3, 黄晓红1,2()
1.华北理工大学人工智能学院,唐山 063210
2.华北理工大学河北省工业智能感知重点实验室,唐山 063210
3.自然资源部咨询研究中心,北京 100100
The remote sensing inversion and validation of land surface temperature based on ASTER data: A case study of the Heihe River basin
MA Junjun1,2(), WANG Chunlei3, HUANG Xiaohong1,2()
1. School of Artificial Intelligence, North China University of Technology, Tangshan 063210, China
2. Hebei Provincial Key Laboratory of Industrial Intelligent Perception, North China University of Technology, Tangshan 063210, China
3. Consulting & Research Center of Ministry of Natural Resources, Beijing 100100, China
全文: PDF(2769 KB)   HTML  
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

针对黑河流域的地表类型特点和大气特征,基于 ASTER发射率产品和植被覆盖度法(vegetation cover method,VCM)计算了研究区地表发射率,并利用改进的多层前馈神经网络(multilayer feedforword neural network,MFNN)算法估算了区域大气水汽含量,通过对输入参数分组构建系数查找表,发展了适用于ASTER数据遥感反演地表温度的分裂窗算法。为检验算法的适应性和精度,利用黑河流域2019年的地表温度实测数据和MODIS温度产品对算法进行评价。结果表明,与站点数据相比,均方根误差在1.81~3.01 K之间; 在与MODIS数据产品交叉验证中,本文提出的算法误差和偏差相对较小,均方根误差在1.11~1.75 K之间。总体来说,利用本算法反演得到的温度产品精度可满足气象气候学研究的需要,算法的构建思路也可为类似的热红外传感器提供借鉴。

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马俊俊
王春磊
黄晓红
关键词 ASTER数据地表温度交叉检验    
Abstract

Given the land surface types and atmospheric features of the Heihe River basin, this study calculated the surface emissivity of the study area using the ASTER Global Emissivity Database and the vegetation cover method (VCM) and estimated the atmospheric water vapor content using the improved multilayer feed-forward neural network (MFNN). Moreover, by establishing the coefficient lookup table of input parameter groups, this study developed an ASTER data-based split-window algorithm for the remote sensing inversion of land surface temperature. To validate the applicability and accuracy of the split-window algorithm, this study elevated the algorithm using the measured site data on the land surface temperature of the Heihe River basin in 2019 and MODIS instruments. Compared with the site data, the results of the split-window algorithm had root mean square errors of 1.81~3.01 K. In the cross-validation using the MODIS instruments, the split-window algorithm had relatively small errors and deviations, with root mean square errors of 1.11~1.75 K. Overall, the accuracy of the land surface temperature obtained from the inversion using the split-window algorithm can meet the needs of meteorological and climatological studies. Moreover, the development philosophy of the split-window algorithm can be used as a reference for similar thermal infrared sensors.

Key wordsASTER data    land surface temperature    cross-validation
收稿日期: 2021-11-19      出版日期: 2023-03-20
ZTFLH:  TP79  
基金资助:国家自然科学基金项目“沙尘气溶胶影响下的地表长波辐射遥感估算”(41801264);河北省自然科学基金项目“沙尘气溶胶影响下的地表温度反演研究”(D202009074)
通讯作者: 黄晓红(1973-),女,博士,教授,主要研究方向为信号与信息处理。Email: tshxh@163.com
作者简介: 马俊俊(1997-),女,硕士研究生,主要研究方向为热红外遥感。Email: 3149536029@qq.com
引用本文:   
马俊俊, 王春磊, 黄晓红. 基于ASTER数据的地表温度遥感反演与产品检验——以黑河流域为例[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(1): 198-204.
MA Junjun, WANG Chunlei, HUANG Xiaohong. The remote sensing inversion and validation of land surface temperature based on ASTER data: A case study of the Heihe River basin. Remote Sensing for Natural Resources, 2023, 35(1): 198-204.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/zrzyyg.2021414      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2023/V35/I1/198
站点名称 下垫面 经纬度/(°) 海拔/m
张掖湿地站 芦苇湿地 E100.4464, N38.9751 1 460
垭口站自动气象站 高寒草甸 E100.2421, N38.0142 4 148
混合林站 胡杨与柽柳 E101.1335,N41.9903 874
黑河遥感站 人工草地 E100.4756, N38.8270 1 560
景阳岭站 高寒草甸 E101.1160, N37.8384 3 750
花寨子荒漠站 盐爪爪山前荒漠 E100.3201, N38.7659 1 731
大沙龙 沼泽化高寒草甸 E98.9406, N38.8399 3 739
荒漠站 红砂荒漠 E100.9872, N42.1135 1 054
Tab.1  气象站点信息表
Fig.1  回归系数率定流程图
隐藏层节点 输入层节点
7 8 9 10
15 0.47 0.460 0.430 0.450
18 0.41 0.370 0.380 0.369
20 0.44 0.375 0.373 0.377
Tab.2  WVC估算均方根误差
状态 ε [ 0.94,1.0 ] , T [ 290,310 ] K
水汽分组/(g·cm-2) W V C [ 0.0,1.5 ] W V C [ 1.0,2.5 ]
LST值的范围/K [290.0,307] [290.4,307.83]
均值/K 298.5 299.12
两组LST偏差/K 0.36
均值差值/K 0.62
Tab.3  水汽值敏感性分析表
站点 样本数 RMSE/K 均值偏差/K
地面
实测值
MODIS
获取值
地面
实测值
MODIS
获取值
张掖湿地站 116 3.01 1.11 -1.08 0.12
垭口站自动气象站 109 2.15 1.75 -0.36 0.55
混合林站 118 2.38 1.46 -0.26 1.92
黑河遥感站 118 2.54 1.11 0.98 -0.33
景阳岭站 108 2.80 1.48 -1.42 0.08
花寨子荒漠站 139 1.81 1.18 -0.29 -0.35
大沙龙 121 2.48 1.21 -0.87 -0.13
荒漠站 104 2.42 1.68 -1.31 0.64
Tab.4  遥感反演值与地面实测和MODIS产品比对结果
Fig.2  模型反演值与实测值散点图
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