自然资源遥感, 2023, 35(4): 1-8 doi: 10.6046/zrzyyg.2022338

综述

日平均气温遥感估算方法综述

王岩,1, 汪利诚1, 武晋雯,2,3

1.沈阳建筑大学交通与测绘工程学院,沈阳 110168

2.中国气象局大气环境研究所,沈阳 110166

3.辽宁省农业气象灾害重点实验室,沈阳 110166

A review of the estimation methods for daily mean temperatures using remote sensing data

WANG Yan,1, WANG Licheng1, WU Jinwen,2,3

1. School of Transportation and Geomatics Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China

2. Institute of Atmospheric Environment, CMA, Shenyang 110166, China

3. Key Laboratory of Agrometeorological Disasters, Shenyang 110166, China

通讯作者: 武晋雯(1980-),女,硕士,研究员,主要从事生态环境领域的遥感应用研究。Email:pipi824@126.com

责任编辑: 陈理

收稿日期: 2022-08-16   修回日期: 2023-02-13  

基金资助: 中青年科技创新人才支持计划项目“阴影校正及颜色纹理耦合对火烧迹地信息提取的影响研究”(RC210431)
风云卫星应用先行计划二期项目“FY-3E微光成像仪在东北地区干旱和火点监测中的应用研究”(FY-APP-2021.0302)
辽宁省民生科技计划项目“农业气象信息化防灾减灾关键技术集成与体系构建”(2021JH2/10200024)
辽宁省教育厅科学研究项目“基于多源数据融合的建筑物三维重建关键问题研究”(lnjc202015)
中央级公益性科研院所结余资金项目“基于深度学习和多源遥感数据的东北地区干旱监测研究”(2022YIAEJY3)

Received: 2022-08-16   Revised: 2023-02-13  

作者简介 About authors

王岩(1979-),男,硕士,副教授,主要从事精密工程测量及多源数据的融合与应用研究。Email: wyan413@163.com

摘要

日平均气温作为反映气候特征的重要指标,在城市热岛效应、农业生态环境等众多领域发挥着举足轻重的作用。气象站实测的日平均气温应用在大区域模型时,在空间上缺乏一定的代表性。相比之下,日平均气温遥感反演结果更能够满足大范围监测的需要,但同时也存在着精度和质量上的限制和挑战。首先,总结了几种目前广泛使用的日平均气温遥感估算算法,如多元线性回归方法、机器学习法和基于特征空间外推法; 其次,基于日平均气温遥感估算的原理和过程,系统分析了云、气溶胶等不确定因素的影响,并提出了相应的解决方案; 最后,对日平均气温遥感估算的发展趋势进行了展望,并指出了不同过境时刻影像融合和多源数据融合是提升云干扰下日平均气温遥感估算精度的重要途径。

关键词: 日平均气温; 遥感反演; 估算方法; 云影响

Abstract

Daily mean temperatures, as a primary indicator reflecting climatic characteristics, play a decisive role in monitoring urban heat island effects and agroecological environments. However, daily mean temperatures measured at meteorological stations lack spatial representativeness in regional-scale models. By contrast, the inversion results of daily mean temperatures using remote sensing data can better accommodate the large-scale monitoring needs, but with insufficient accuracy and quality. This study presented several common estimation methods for daily mean temperatures using remote sensing data, including multiple linear regression, machine learning, and feature space-based extrapolation. Then, based on the principle and process for estimation of daily mean temperatures using remote sensing data, this study systematically analyzed the effects of uncertainties such as clouds and aerosols and offered corresponding solutions. Finally, this study predicted the development trend of such estimation methods. Additionally, this study posited that image fusion and multi-source data fusion at different transit times can significantly improve the estimation accuracy under cloud interference.

Keywords: daily mean temperature; inversion of remote sensing data; estimation method; cloud interference

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王岩, 汪利诚, 武晋雯. 日平均气温遥感估算方法综述[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(4): 1-8 doi:10.6046/zrzyyg.2022338

WANG Yan, WANG Licheng, WU Jinwen. A review of the estimation methods for daily mean temperatures using remote sensing data[J]. Remote Sensing for Land & Resources, 2023, 35(4): 1-8 doi:10.6046/zrzyyg.2022338

0 引言

日平均气温作为气象站测定的关键要素之一,是反映气候特征的重要指标,同时也是城市热岛效应、农业生态环境等众多研究领域的重要指标。温度异常会导致低温冷害、高温热害、森林火灾以及干旱等农业灾害频发[1-4]; 甚至会影响病虫害、流行病菌等的繁殖和传染[5-6],对粮食安全和人民健康造成严重危害。

日平均气温作为衡量大气温度的关键指标,一直广泛应用在农学、生态学等众多领域。学者们经常用日平均气温的累积值,定量地描述植物生长所需的热量[7-8]。目前大多都是以日为研究单位,构建作物生长模型,以日平均气温为衡量作物生长状况的变量,来研究土壤水分、植被覆盖等分布状况和变化趋势[9-11]; 以日平均气温的累积值作为判断作物不同生育期界限的积温指标[7]、作为衡量作物生长状况的重要指标。气象学中将每日2时、8时、14时、20时4个时刻气温的平均值作为每日平均气温[12]。目前,遍布在全球的气象站点能够不间断地提供较为准确的气温数据,这也为日平均气温的获取提供了可靠的数据支持,但是所有站点并不是均匀排列的,导致在空间上很难描述日平均气温的异质性。空间插值作为研究者们常用的日平均气温估算方法,能够实现数据由点向面尺度的转换。尽管空间插值的精度不断改进提高[13-14],但是利用有限的台站数据进行日平均气温反演精度仍然满足不了区域尺度研究需要。

随着卫星遥感领域的高速发展,遥感技术可以实时、动态、宏观监测大区域尺度地理状况的特点,已在霜冻、高温热害等农业灾害空间监测研究中得到充分体现[15-17]。近年来,随着基于遥感数据反演地表温度(land surface temperature,LST)算法的精度不断提高[18-20],通过研究日平均气温和LST之间的相关特性来估算日平均气温成为目前研究的新方向。本文通过文献综述,总结了近年来国内外日平均气温所存在的问题和具体的解决方案,最后论述了各种日平均气温遥感估算方法的优缺点,并对未来发展方向和内容进行了展望。

1 日平均气温遥感估算研究进展

热红外数据虽然很难直接反演得到日平均气温,但可以利用本身波段观测值(亮度温度)或者以波段观测值为基础,利用相关反演算法获取的LST这2种方式间接估算日平均气温,如表1所示。

表1   日平均气温遥感估算方法一览表

Tab.1  List of methods for estimating daily mean temperature by remote sensing

模型类型算法类型适用范围文献来源
多元线性回归法全子集回归方法适合平原地区的日平均气温的估算,山区估算误差较大姚永慧等[21];
Colombi等[22];
Zhang等[23];
Benali等[24];
Yang等[25];
Golkar等[26]
标准化回归系数方法
机器学习方法随机森林适用于山区,地形起伏大,复杂的地区日平均气温估算Agathangelidis等[27]; Li等[28]; Moser等[29];
Zhang等[30]; Ho等[31]
支持向量机
神经网络
特征空间外推法NDVI-LST梯形空间外推法适用于中、高植被覆盖区域的日平均气温的估算Sun等[32]; Zhu等[33];侯英雨等[34]
NDVI-LST三角形特征空间外推法

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1.1 多元线性回归法

随着对地气温热交换原理的不断探究[35],许多研究者通过开发不同的统计模型来提高日平均气温估算精度,其中最主要的就是多元线性回归模型,即

T=a0+a1x1+a2x2+a3x3++anxn+ε

式中: T为平均气温; a0,a1,a2,a3,…,an分别为模型回归系数; x1,x2,x3,…,xn分别为影响日平均气温的变量因子,如LST、经纬度、高程、下垫面类型(植被指数)、太阳天顶角等[36-37]; ε为扰动项。随着研究不断深入,发现儒略日、夜间LST等在日平均气温估算中的重要性相比纬度、太阳天顶角等辅助数据要略高一些。Janatian等[37]利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)日间和夜间时间产品和儒略日、海拔和波段反射率等共11个影响因子建立统计模型,进行气温的估算,实验结果证明,夜间产品数据、海拔和儒略日是研究气温变化最有效的变量。为了处理单时相遥感数据与对应的日平均气温地面监测数据构建的反演模型估算结果无法大范围使用且估算误差较大等问题,研究者们提出了分季度、分时相建模,以满足不同情况下的日平均气温反演需求。Vancutsem等[36]将日间MODIS LST数据与日最高气温实测值进行相关性分析,结果表明,随着季节性的变化,太阳辐射和云量等不断变化,两者的差异也不断变化,表明了地区不同或季节发生改变都会使LST和气温之间的相关性发生显著变化; 祝善友等[38]将极轨气象卫星热红外数据和对应的气象台站监测数据进行耦合,创建分季度和分时相的2种气温估算模型,最后综合两者的优势,建立较为稳定和适用的模型。

为了进一步降低日平均气温遥感估算误差,研究者们进行了多次模型算法的改进。姚永慧等[21]先估算日间和夜间LST的平均值,再将平均值作为输入参数代入多元线性回归模型中,日平均气温估算的标准误差在2.22~3.05 ℃之间; Colombi等[22]基于LST数据求出卫星过境时刻的瞬时气温,然后依据瞬时气温与日平均气温之间的相关关系推出日平均气温,估算的均方根误差RMSE为1.89 ℃; Zhang等[23]通过实验也证明耦合日间和夜间的LST进行平均气温的估算结果更加准确(残差标准偏差小于3.22 ℃),但会导致可利用的像素大大降低,并提出利用夜间LST进行平均气温的估算适用性更好; Benali等[24]将夜间LST数据作为唯一变量输入日平均气温估算模型中,日平均气温估算误差RMSE为1.5 ℃,相比单独使用日间LST估算的结果(RMSE为2.4 ℃)更精确; Yang等[25]和Golkar等[26]同样证明了利用夜间LST数据进行日平均气温的估算结果更加准确。

1.2 机器学习方法

近年来,随着研究范围的不断扩大,机器学习方法在气温估算的研究中广为关注,如神经网络、支持向量机和随机森林等。在利用遥感数据估算气温的方法中,机器学习方法已经被证明在具有复杂和异质景观地区,融合LST和其他变量进行气温遥感估算的实用性。

神经网络是一个不断学习的系统,根据逻辑规则进行信息的推理,通过调节系统内部节点与节点之间的关联关系,进行信息的高效处理。在气温遥感估算的研究中通常需要考虑众多影响因子,神经网络学习方法具备处理复杂问题的能力,近年在气温估算中被广为使用。Agathangelidis等[27]利用多时相MSG-SEVIRI遥感数据,采用多项式回归和人工神经网络的方法,将LST和气温观测值相结合估算希腊雅典的气温,RMSE为1.0~2.0 ℃。

支持向量机是机器学习的一种,具有很强的稀疏性和稳健性。近年来,被广泛用在气温遥感估算相关研究中。使用支持向量机来模拟卫星遥感数据与气象台站观测数据之间的关系,基于支持向量机的监督模式识别方法,进行气温反演。Li等[28]使用随机森林和支持向量机 2种机器学习方法,基于MODIS LST数据进行气温动态估算的算法精度比较,实验证明这2种机器学习算法都能够提供很好的结果。与支持向量机相比,随机森林在很少的参数设置和可变性下具有更大的优势; 相反,支持向量机具有更大的机动性来调整核函数,以更好地处理多种复杂的数据集。Moser等[29]将基于支持向量机监测陆地和海洋表面温度的方法推广到气温估算上,提出了基于支持向量机的卫星影像周期气温估算新方法。气温估算平均绝对误差MAE为2.37 ℃。

随机森林是由多个决策树共同构成的分类器,是目前最盛行的回归算法之一,已经在遥感信息处理中得到广泛的使用。近年来,随着对气温估算结果的精度要求越来越高,随机森林已经开始用于气温的遥感估算当中。随机森林方法最早是由Zhang等[30]和Ho等[31]用于气温估算,Ho等[31]使用2种机器学习方法支持向量机和随机森林以及普通最小二乘回归,根据陆地卫星数据绘制温哥华的城市气温变化图,RMSE为2.31 ℃; Zhang等[30]根据气温估算精度随着MODIS LST项和其他项之间的组合不同、数据质量差异不同而不断变化的规律,利用随机森林机器学习方法动态整合可用的LST项来估算青藏高原的日平均气温,有效地提高了青藏高原低云干扰下气温遥感估算的准确性,日平均气温遥感估算误差RMSE为2.0 ℃; Xu等[39]采用多元线性回归和随机森林2种统计方法,根据MODIS数据估算哥伦比亚省2003—2012年夏季日最高气温,结果显示这2种方法都适用于复杂地形山区的气温估算,RMSE分别为2.41 ℃和2.02 ℃; 邢立亭等[40]基于随机森林算法,利用MODIS LST数据估算兰州市日最高和最低气温,估算误差MAE分别为1.344 ℃和1.218 ℃。

1.3 特征空间外推法

日平均气温遥感估算通常有2种形式,一种是利用热红外数据反演的LST与日平均气温之间的相关性推算出来; 另一种则是利用Prince等[41]最早提出的三角形或梯形特征空间,将LST变化与归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)联系起来估算日平均气温。由于LST对植被覆盖区土壤含水量的敏感程度远远低于裸土区,所以LST与NDVI在空间上呈三角形或梯形关系。如图1所示,其中横轴代表NDVI,纵轴代表LST,AB对应植被指数较低的裸土情况,CD则对应浓密植被冠层下的情况,ACBD相交于O点,OA称为干边,OB称为湿边,两线之间的斜线代表土壤的不同植被状态。

图1

图1   NDVI-Ts特征空间示意图[41]

Fig.1   Schematic diagram of NDVI-Ts characteristic space[41]


1.3.1 瞬时气温的估算

Zhu等[42]采用温度植被指数分析法(temperature vegetation indes,TVX),将LST和植被指数之间的负相关系阈值降至0.1后,成功利用TVX方法基于MODIS陆地卫星估算了日最高和最低气温,估算误差MAE分别为3.03 ℃和2.37 ℃。Nemani等[43]研究认为LST随着NDVI的增大而降低,在全覆盖条件下,植被冠层的温度和空气温度几乎相等,因此基于NDVI和LST两者的空间特征关系估算近地表气温; 侯英雨等[34]通过分析NDVI和LST之间的相关关系,建立了梯形空间特征模型,对中、高植被区域的近地表气温进行了估算,稀疏植被区域和中高植被区域的近地表气温反演绝对误差分别为1.5~1.8 ℃和1.61 ℃,但随着NDVI的不断变化,地表水分的易变性增强,NDVI和LST之间的三角形或梯形关系不明确,这种情况下很难保证TVX关系的准确性; Sun等[44]提出了利用MODIS昼夜LST数据和增强植被指数(enhanced vegetation index,EVI),从昼夜LST差值和光谱植被指数特征空间改进TVX方法估算气温,结果表明该方法在EVI和昼夜LST差值较大的地区适用性相对来说较高,估算误差RMSE为2.38 ℃左右。另外,在研究特征空间的干边时,通常都是通过回归等经验方案直接从遥感散点图中得到,所以研究结果通常具有一定的主观性和不确定性。为了克服这些缺点,Sun等[44]开发了一种高级温度干燥指数,通过表面能量平衡原理确定理论干边,但是该方法需要输入大量参数,结果的误差来源较多,难以控制; Zhu等[42]针对这个问题提出了一种新的指数——修正温度植被干度指数,以减少参数化方案对干边的依赖,气温估算误差RMSE 为2.28 K,与Zhu等[33]和Sun等[44]反演精度相当。

1.3.2 日平均气温的估算

通过建立LST和植被指数之间的三角形或梯形特征空间关系,达到LST向瞬时气温空间转换的目的,而瞬时气温又与日平均气温高度相关,所以学者们在瞬时气温向日平均气温的时间转换上也做了很多研究,Colombi等[22]基于日间和夜间LST数据求出卫星过境时刻瞬时气温,然后利用正弦曲线近似拟合气温日变化规律,最后通过模拟的气温日变化曲线,估算日平均气温,但是卫星的过境时刻和日最高最低气温出现的时刻常常是不重叠的,日变化曲线拟合误差较大; Zhu等[42]考虑了日长和最低最高气温出现时间的滞后性等,对简单的正弦拟合曲线做了调整,气温估算误差MAE为2.54 ℃。除了依赖于正弦曲线拟合,Sun等[44]提出了一种结合昼夜LST数据和EVI数据估算日平均气温的方法,该方法摆脱了TVX法的局限性,完全独立于辅助数据,分别对平原、山区和高山区3个不同区域进行日平均气温的估算,RMSE分别为1.84 ℃,2.34 ℃和2.45 ℃,具体算法如表2所示。

表2   特征空间外推估算气温方法一览表

Tab.2  List of methods for air temperature estimation extrapolated from characteristic space

特征空间模型模型算法算法精度文献来源
TVXTs=at,i+bt,iNDVITt,i=at,i+bt,iNDVImaxTa,t=Tmin+(Tmax-Tmin)sin[π(t+tdl2-12)/(tdl+2tTmax)]RMSE为3.43 ℃
MAE为2.54 ℃
Zhu等[33]
NDVI-LST空间三角形和梯形TLSTNDVIi,max=b1+c1+NDVIiTLSTNDVIi,min=b2+c2+NDVIiTa=TLSTNDVIi-TLSTNDVIi,minTLSTNDVIi,max-TLSTNDVIi,min(Ta,max-Ta,min)稀疏植被覆盖区
MAE为1.5~1.8 ℃
中高植被覆盖区MAE为1.61 ℃
侯英雨等[34]
EVI-LST空间三角形和梯形Tamean=1-EVIc1-EVI(Tsday-Tsnight)+Tsnight平原区RMSE为1.84 K
山区RMSE为2.34 K
高山区RMSE为2.45 K
Sun等[44]

①式中: Ts为地表温度; NDVI为归一化植被指数; NDVImax为区域最大归一化植被指数值; at,ibt,i分别为系统常量; TmaxTmin分别为最高温度和最低温度; t为具体时刻,h; Ta,tt时刻对应的空气温度; tdl为日间时长; tTmax为太阳正午和最高气温之间的滞后时间; 当NDVIi为区域最大归一化植被指数值时,TLSTNDVIi,maxTLSTNDVIi,min分别对应最大和最小空气温度; 当NDVIi为区域最小归一化植被指数值时,TLSTNDVIi,maxTLSTNDVIi,min分别对应最大和最小裸土地表温度; b1,b2,c1c2分别为常量; TLSTNDVIi为某一区域对应的地表温度; TaNDVIi下的空气温度; Ta,maxTa,min分别为最大和最小空气温度; Tamean为日平均气温; EVI为增强植被指数; EVIc为多年浓密冠层EVI平均值; TsdayTsnight分别为日间和夜间的LST。

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2 存在问题及展望

2.1 云干扰的影响

LST数据产品的质量不仅跟反演的精度有关,而且跟云干扰的程度和范围有很大关系。Bisht等[45]使用MODIS云产品为MODIS卫星过境时刻内的云覆盖区域提供有关云顶温度、云分数、云发射率和云光学厚度等信息,结合地面测量数据进行统计回归,估算近地表气温,全覆盖范围近地表气温估算误差RMSE为2.76 ℃,整体上基本实现了只利用遥感数据就能获取较为精确的全覆盖近地表气温。

利用LST数据估算日平均气温时,仅使用晴空像元可以得到较高的估算精度,但会造成像元的大量缺失,对数据连续性造成很大影响,需要对云干扰像元进行空间插值,直接利用气象台站观测值进行插值误差较大,Zhu等[42]基于MODIS数据产品,对中国柴达木盆地东部和美国南部大平原2个气候条件完全不同地区的晴空和多元条件下的气温进行估算,结果表明,晴空条件下的估算误差RMSE分别为1.95 ℃和2.5 ℃; 多云条件下的估算误差RMSE分别为3.42 ℃和2.91 ℃。特别是多云条件下的估算精度已达到了与传统利用气象站数据进行空间插补方法相当的水平,有很大的应用前景。

云干扰导致数据的大量缺失,限制了很多温度相关的应用研究,特别是积温的计算方法,从而限制了以积温作为评价指标的作物农业灾害监测方法的研究。针对云干扰下的气温遥感估算,研究者们尝试利用微波遥感进行研究[46-48],但是微波遥感空间分辨率较低、时间连续性较差,这些都严重阻碍了微波遥感在气温估算研究中的进展。针对这些问题,学者们也提出了综合微波和热红外数据进行LST的估算[49],但是时空差异极大地限制了两者在LST估算中的应用,如何降低两者LST反演的差异是提高最后气温估算精度的关键。所以,如何提高云干扰下的日平均气温遥感估算精度仍然值得进一步的探究。

2.2 大气效应

LST遥感估算的准确性直接影响到日平均气温估算的精度,多通道算法是目前应用最广泛的LST遥感估算方法之一,该算法对传感器限制条件少且不依赖于大气廓线数据,所以一直被广泛使用[50-52]。多通道算法是基于不同通道对水汽吸收具有不同的特性,利用相近或相邻热红外通道信息线性化处理辐射传输方程。但是,季节和区域的变化会对该方法的处理结果精度造成很大的影响。相比其他季节,夏季的校正精度较高一些; 与低纬度地区的亮度温度与水汽之间的函数关系相比,中、高纬度地区要稳定一点。因此,在实际的LST反演时,根据区域和季节的不同,建立不同的模型,以保证大气校正的准确性。

多通道算法在校正大气水汽吸收时,对于气溶胶的影响基本都是忽略不计的,但大气气溶胶对辐射传输过程会造成很大的影响: 太阳总辐射量减少、LST降低等。随着城市工业化发展进程不断加快,大气气溶胶含量不断升高,气溶胶对LST反演算法性能影响不容忽视。近年来,研究者们也不断尝试各种算法来降低LST反演时气溶胶的影响[53-55]

2.3 大气环流的影响

太阳辐射、下垫面性质和大气环流是空气温度的3大驱动因子。研究区的气象条件和地表性质是决定近地表气温的主要因素,而大气环流下的水平平流是决定它们的外来因素。在太阳辐射和下垫面2个驱动因子影响下得到的空气温度仅具有局地代表性,想要获取区域尺度上真实的空气温度还必须加权计算大气环流下的水平平流驱动因子形成的外来空气温度。Zhang等[56]考虑局部驱动力和水平平流的影响,利用遥感数据和气象数据估算地面气温,发现估计值与气象站测量值有很强的相关性,实验3 d气温估算RMSE分别为0.42 K,0.35 K和0.20 K。如何充分认识和利用大气环流驱动力实现气温数据的高精度估算很值得做进一步的探究。

2.4 气温日变化模型的优化

气温日变化情况随着地理位置和季节的不同会随之改变。目前大多数的研究都是基于简单的正弦曲线来进行气温日变化的研究。而日平均气温的估算和日最高、最低气温密不可分,由于每日最高、最低温度出现的时间和卫星数据采集时间不一致,因此利用LST数据模拟气温日变化曲线仍需进一步研究,日平均气温遥感反演的关键是如何精确地估算卫星过境时刻的LST数据和日最高、最低气温之间的关联关系。

2.5 温度真实性检验

目前广泛使用的多元线性回归方法、机器学习法和基于特征空间外推法等日平均气温遥感估算方法,在日平均气温空间异质性的描述上都表现出较强的适用性,但是其估算结果的真实性还有待考证。结合以往的研究发现,日平均气温遥感估算结果的真实性检验还停留在只利用地面站点观测值作为像元尺度真值对基于遥感数据的估算结果进行验证,但是绝对理想的地面站点是不存在的,真实性检验的参考值并不是像元尺度的绝对真值,验证结果受到多个不确定的影响: ①地面观测数据和不同分辨率遥感数据本身的误差; ②数据源之间在空间位置上匹配误差; ③不同数据源的空间尺度效应的影响; ④各种不同误差的传递影响。

基于遥感的估算结果真实性检验还受限于地面数据的真实性和可利用性,整体的研究还处于定性阶段,定量刻画还是十分的困难。利用气象站实测的日平均气温作为真值进行估算结果的真实性检验,并不能很好地反映气温空间上的异质性。由于地面站点测量仪器的不同,测量误差的不统一,数据观测时间的差异性等,缺乏一个完整、统一、连续、可信度高的参考数据集,日平均气温真值的获取难度极大,怎么进行地面优化采样,对不确定性进行分析,提高像元尺度“真值”的估算能力,在不确定性最小的原则下怎样找到最合适的数据和升尺度方法获取最接近空气温度真值的参考值是很值得进一步研究的。

3 结论

综上所述,日平均气温遥感估算方法主要是依靠热红外数据间接反演得到,但热红外数据受气候影响较大,每种估算方法的精度都会受到一定的影响。多因子统计法的精度基本能够满足日常需求,操作简单,但模型对研究条件要求高,不同地区或时间跨度都可能会对估算的精度造成影响。近年来,机器学习方法在气温估算中广泛使用,该方法对数据具有很好的包容性,具备处理复杂和异质性数据的能力,适用于处理不同地区,甚至地理环境变化较大区域的气温估算,且估算精度高。但对于统计建模者来说,机器学习内部就是一个黑匣子,无法控制模型的内部操作,只能在不同的参数和随机分配之间进行不断的尝试。机器学习方法对现有数据的模拟效果很好,但是用于预测和估计时,其精度可能会突然下降,会导致建模时出现过度拟合。特征空间外推法所需要的参数少(仅需遥感变量),方法操作简单,但是该方法只适用于植被覆盖率高的地区,在植被覆盖率低的城市地区则并不适用。而且,LST和NDVI之间的线性关系受季节性、土壤湿度和土地覆盖等许多因素影响,但对于定量能量平衡建模困难,景观复杂、异质的城市,多元回归模型和机器学习方法就能很好估算气温,对于异常值和缺失值的处理也更加准确,基本不会出现过度拟合现象。

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李海楠, 朱丽杰, 李明倩, .

东北地区大豆冷害指标构建及变化特征

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Li H N, Zhu L J, Li M Q, et al.

Construction of soybean chilling damage indicator and its evolution characteristics in Northeast China

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王培娟, 霍治国, 陈鹏狮.

东北地区春玉米不同发育阶段热量指数时空特征

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根据中国东北三省82个气象站1961&mdash;2015年逐日平均气温和50个农业气象站1981&mdash;2013年春玉米发育期资料,研究了东北地区春玉米不同发育阶段热量指数的时空特征。结果表明:时间上,春玉米不同发育阶段的热量指数均表现为显著增加的趋势,增加速率最快的是三叶拔节期,达0.20 a<sup>-1</sup>,最慢的是开花乳熟期,为0.09 a<sup>-1</sup>;除出苗三叶期外,各发育阶段均有半数以上的站点通过了0.1的显著性检验,其中三叶拔节期和全生育期通过0.1显著性检验的站点高达95%以上。空间上,近55年中国东北春玉米热量指数在全生育期和不同发育阶段均表现出西南地区高、中部和北部地区低的空间分布格局,热量指数的变化速率则表现出北部较快、南部较慢的空间分布特征;随着年代际的推移,春玉米全生育期表现出热量指数较小的区域在逐渐缩小、热量指数较大的区域在逐渐扩大的时空分布特征。

Wang P J, Huo Z G, Chen P S.

Spatiotemporal dynamics of heat index for spring maize at different developmental stages in Northeast China

[J]. Chinese Journal of Ecology, 2018, 37(5):1450-1458.

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Zhu W, Lyu A, Jia S, et al.

Development and evaluation of the MTVDI for soil moisture monitoring

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曹娟, 张朝, 张亮亮, .

基于Google Earth Engine和作物模型快速评估低温冷害对大豆生产的影响

[J]. 地理学报, 2020, 75(9):1879-1892.

DOI:10.11821/dlxb202009005      [本文引用: 1]

作为中国商品粮的主要生产基地,东北地区频发的低温冷害给中国粮食安全带来了严重的影响,及时、准确和大范围评估低温冷害灾损是降低损失、快速恢复生产的重要前提。本文以鄂伦春为例,提出了一种快速评估低温冷害对大豆生产影响的新方法。首先诊断出该地区典型冷害事件发生的年份为1989年、1995年、2003年、2009年和2018年;然后基于本地化后CROPGRO-Soybean模型设置512组低温冷害和田间管理组合模拟情景;其次构建了1600组包括3个变量(有效积温距平值(CDD)、模拟的叶面积植被指数(LAI)和产量)的冷害脆弱性模型;最后依托Google Earth Engine(GEE)平台逐像元提取大豆关键生育期早晚窗口内最大的宽动态植被指数(WDRVI)及对应的日期(DOY),将WDRVI转化为大豆种植格点的实际LAI,结合构建的冷害脆弱性模型逐像元计算出产量和减产率。主要发现如下:① 校准后的CROPGRO-Soybean模型能较为准确地模拟不同冷害情景下的大豆生长发育过程;② 大豆遭受全生育期的降温情景(1~3 ℃)的减产幅度比局部降温情景(4个生育期随机生成连续5日温度为0 ℃)的减产幅度大;③ 历史冷害年1989年、1995年、2003年、2009年平均减产率约为9.6%、29.8%、50.5%和15.7%,与实际6.4%、39.2%、47.7%和13.2%的减产率相比,冷害灾损评估结果具有较好的精度且误差均在一倍方差以内;④ 运用该方法评估2018年冷害田间尺度的产量损失,并利用Sentinel-2A影像进行10 m高精度制图。结果显示,该方法能够快速、准确地评估不同尺度的低温冷害灾损情况,为作物估产以及农作物灾害损失评估的业务化运行提供了新的思路。

Cao J, Zhang Z, Zhang L L, et al.

Damage evaluation on soybean chilling injury based on Google Earth Engine(GEE) and crop growth model

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日平均气温的两种计算方法比较

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基于ANUSPLIN软件的逐日气象要素插值方法应用与评估

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Application and assessment of spatial interpolation method on daily meteorological elements based on ANUSPLIN software

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Duan S B, Li Z L, Zhao W, et al.

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刘晓菲, 张朝, 帅嘉冰, .

黑龙江省冷害对水稻产量的影响

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Liu X F, Zhang Z, Shuai J B, et al.

Effect of chilling injury on rice yield in Heilongjiang Province

[J]. Acta Geographica Sinica, 2012, 67(9):1223-1232.

DOI:10.11821/xb201209007      [本文引用: 1]

This study is focused on indexes for the rice chilling injury in Heilongjiang Province during 1960-2009. Firstly, we compared a new derived climate data weighted by rice planting density with the traditional method, and found that the new one is more reasonable to assess the impact of climate change on crop yields. Considering the frequency and intensity of rice chilling in the province, secondly, chilling indexes defined by meteorological, national and international levels were assessed. The result showed that the meteorological standards were suitable for the delayed injury, while the international one, so-called sum of Growing Degree Day below threshold (GDD<sub>n-</sub>), characterized best the chilling sterile injury for rice. The explanation ability of the rice yield time series model including both injury types as two independent variables reached approximately 92% (p < 0.05). Finally, we concluded that the contribution rates of human and weather factors to rice yields are about 87.2% and 12.8% respectively, and a slight increasing trend for sterile chilling injury was found during heading to flowing period in recent years, indicating a high chilling risk for rice planting in Heilongjiang Province in the future global warming.

胡列群, 武鹏飞, 李新建, .

基于ETM+影像的棉花低温冷害遥感监测方法研究

[J]. 中国农学通报, 2011, 27(4):459-463.

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Hu L Q, Wu P F, Li X J, et al.

The remote sensing monitoring method analysis of cold damage cotton based on ETM+ images

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DOI:10.11924/j.issn.1000-6850.2010-2799      [本文引用: 1]

In order to timely monitor the cold damage conditions of cotton by remote sensing, arrange disaster relief and assessment, cotton image characteristic parameter and vegetation index change were analyzed. Applied July 25, 2001 and August 10, 2001 ETM+ data, the NDVI of DN values, radiance and planetary reflectance were formed through the geometric correction, radiometric correction and conversion of planetary reflectivity. Then, the cotton field characteristic parameter and spectral signatures change situation were analyzed on July 28, 2001 to August 1, 2001. The results showed that the previous image of the DN value, radiance, mean planetary albedo were higher than that of the subsequent image 29.07%, 30.1%, 3.15%, the previous image physical quantities were larger 67.5%, 40.3%, 33.3% than the subsequent image in the variance, while the values of mean NDVI decreased 21.6%, 19.57%, 12.79%. High-resolution remote sensing data can be indirectly affected by low-temperature injury changes in cotton fields. It is an effective method to monitor the strong low-temperature injury and provide quantitative indexes for disaster assessment.

覃志豪, Zhang M H, Arnon Karnieli.

用NOAA-AVHRR热通道数据演算地表温度的劈窗算法

[J]. 国土资源遥感, 2001, 13(2):33-42.doi:10.6046/gtzyyg.2001.02.07.

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Split window algorithms for retrieving land surface temperature from NOAA-AVHRR data

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Wan Z, Zhang Y, Zhang Q, et al.

Validation of the land-surface temperature products retrieved from Terra Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer data

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程元良, 吴骅, 李召良, .

FY-3D MERSI-Ⅱ地表温度遥感反演与验证

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Cheng Y L, Wu H, Li Z L, et al.

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姚永慧, 张百平, 韩芳.

基于Modis地表温度的横断山区气温估算及其时空规律分析

[J]. 地理学报, 2011, 66(7):917-927.

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Yao Y H, Zhang B P, Han F.

MODIS-based air temperature estimation in the Hengduan Mountains and its spatio-temporal analysis

[J]. Acta Geographica Sinica, 2011, 66(7):917-927.

DOI:10.11821/xb201107005      [本文引用: 2]

Climatic conditions are difficult to obtain in high mountain areas due to few meteorological stations and, if any, their poorly representative locations in valleys. Fortunately, remote sensing data can be used to estimate near-surface air temperature (Ta) and other climatic conditions. This paper makes use of recorded meteorological data and MODIS data on land surface temperature (Ts) to estimate monthly mean air temperatures in the Hengduan Mountains. A total of 64 weather stations and 84 MODIS images for seven years (2001 to 2007) are used for analysis. Regression analysis and spatio-temporal analysis of monthly mean Ts vs. monthly mean Ta are carried out, showing that recorded Ta is closely related to MODIS Ts in the study region (mean R<sup>2</sup> = 0.72) and the mean standard error of 2.07 oC. The regression analysis of monthly mean Ts vs. Ta for every month of all the stations shows that monthly mean Ts can be used to accurately estimate monthly mean Ta (R<sup>2</sup> ranging from 0.63 to 0.90 and standard error between 2.22 oC and 3.05 oC). Thirdly, the retrieved monthly mean Ta for the whole study region varies between -2.25 oC (in January, the coldest month) and 15.64 oC (in July, the warmest month), and for the warm (growing) season (May-September), it is from 10.44 oC to 15.64 oC. Finally, the elevation of isotherms is greater in the central mountain ranges than that in the outer margins; the 0 oC isotherm occurs at elevations of about 4700&plusmn;500 m in October, and it drops to 3500&plusmn;500 m in January, and ascends back to 4700&plusmn;500 m in May next year, which means that monthly mean Ta in the areas below 5200 m is above 0 oC for 6 to 12 months. This clearly indicates that MODIS data could be used to have an accurate estimation of air temperature in mountain regions.

Colombi A, Michele C, Pepe M, et al.

Estimation of daily mean air temperature from modis lst in alpine areas

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张丽文, 黄敬峰, 王秀珍.

气温遥感估算方法研究综述

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气温作为重要的气候资源之一,在植被长势、农业灾害和气候变化研究中发挥着举足轻重的作用。目前大尺度农业、气候模型都需要空间分布的气温作为输入参数。除了用有限的台站数据空间插值获取气温栅格化数据外,遥感技术更为连贯精细的气温空间观测提供了有力的数据支持。为服务区域尺度气温相关的科研及业务工作,论文首先介绍了目前国内外气温遥感估算的主要方法,包括简单统计法、高级统计法、温度-植被指数分析法(TVX法)、地表能量平衡法及大气温度廓线外推法。再根据实际应用需要,重点总结比较了最高、最低和平均气温及不同时空尺度气温的遥感估算特点。最后讨论了气温遥感估算在实际应用中存在的问题并探讨了未来的研究趋势。

Zhang L W, Huang J F, Wang X Z.

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A remote sensing method for estimating surface air temperature and surface vapor pressure on a regional scale

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DOI:10.3390/rs70506005      URL     [本文引用: 1]

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