自然资源遥感, 2024, 36(3): 72-80 doi: 10.6046/zrzyyg.2023091

技术方法

全天候逐时百米尺度地表温度重建方法

颜佳楠,1,2, 陈虹,3, 张雨泽4, 吴骅1,5

1.中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室,北京 100101

2.中国科学院大学,北京 101408

3.中国自然资源航空物探遥感中心,北京 100083

4.中国交通通信信息中心交通安全应急信息技术国家工程研究中心,北京 100028

5.江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心,南京 210023

A method for reconstructing hourly 100-m-resolution all-weather land surface temperature

YAN Jianan,1,2, CHEN Hong,3, ZHANG Yuze4, WU Hua1,5

1. State Key Laboratory of Resources and Environment Information System, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China

2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101408, China

3. China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Natural Resources, Beijing 100083, China

4. National Engineering Research Center for Transportation Safety and Emergency Informatics, China Transport Telecommunications & Information Center, Beijing 100028, China

5. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China

通讯作者: 陈 虹(1982-),女,博士,高级工程师,主要从事热红外遥感研究。Email:chch1223@126.com

责任编辑: 李瑜

收稿日期: 2023-04-6   修回日期: 2023-05-11  

基金资助: 中国科学院战略性先导科技专项“基于无人机的黑土地数据监测与感知系统”(XDA28050200)
广西科技计划项目“基于高分遥感的公路地质灾害高风险区域监测预警技术研究”(桂科AB20159034)

Received: 2023-04-6   Revised: 2023-05-11  

作者简介 About authors

颜佳楠(1998-),女,硕士研究生,主要从事地表温度时空降尺度研究。Email: yanjn.20s@igsnrr.ac.cn

摘要

地表温度是区域和全球尺度地表过程的重要参数,通过热红外遥感可获取区域或全球尺度的地表温度的时空信息。然而,受到热红外传感器硬件特性以及热红外电磁波无法穿透云层的限制,目前无法获取兼顾高时空分辨率的地表温度。该研究提出了一种重建全天候100 m空间分辨率的逐小时地表温度的方法。方法主要包含3个步骤: ①在传统温度年循环模型的基础上,重建中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectroradiometer,MODIS)4时刻的云下地表温度; ②借助于温度的日变化趋势估计地表温度的日变化曲线,获取逐小时的地表温度; ③以光谱指数作为回归因子,利用极端梯度提升树对逐小时地表温度进行空间降尺度。研究结果表明,提出的重构方法可以获取时空连续的地表温度产品,提高了地表温度的空间分辨率,提供了更丰富的纹理信息。通过美国地表辐射观测网络(surface radiation budget network,SURFRAD)站点数据对逐时100 m尺度的地表温度进行验证,结果表明逐小时重建的地表温度与站点实测值的变化趋势大致相同,全天候逐小时地表温度重建方法精度较高,R2为0.95,均方根误差(root mean squared error,RMSE)为3.75 K,偏差(bias)为0.75 K。

关键词: 地表温度; MODIS; 云下地表温度重建; 降尺度; XGBoost

Abstract

Land surface temperature (LST) proves to be an important parameter in surface processes on regional and global scales, and its spatiotemporal information can be obtained through thermal infrared remote sensing. However, the constraints of thermal infrared sensors (TIRSs) themselves and the inability of thermal infrared electromagnetic waves to penetrate clouds render it impossible to obtain LST with a high spatiotemporal resolution currently. This study presents a method for reconstructing hourly LST at 100-m resolution in all weathers. This method consists of three main steps: ① cloudy LST at four moments is reconstructed using a moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS) based on the conventional annual temperature cycle (ATC) model; ② the daily variation curve of LST is estimated based on the daily trend in the skin temperature (SKT); ③ with spectral indices as regressors, spatial downscaling is conducted for the hourly LST using Extreme Gradient Boosting (XGBoost). The results show that the proposed reconstruction method can obtain spatiotemporally continuous LST products, improve the spatial resolution of LST, and provide more details. The validation of the hourly 100-m-resolution LST using data from the surface radiation budget network (SURFRAD) developed by the U.S. indicates that the reconstructed hourly LST exhibits roughly the same trend as the measured values of the SURFRAD. The method for reconstructing all-weather hourly LST boasts high accuracy, with R2 of 0.95, a root mean squared error (RMSE) of 3.75 K, and a bias of 0.75 K.

Keywords: LST; MODIS; cloudy LST reconstruction; downscaling; XGBoost

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本文引用格式

颜佳楠, 陈虹, 张雨泽, 吴骅. 全天候逐时百米尺度地表温度重建方法[J]. 自然资源遥感, 2024, 36(3): 72-80 doi:10.6046/zrzyyg.2023091

YAN Jianan, CHEN Hong, ZHANG Yuze, WU Hua. A method for reconstructing hourly 100-m-resolution all-weather land surface temperature[J]. Remote Sensing for Land & Resources, 2024, 36(3): 72-80 doi:10.6046/zrzyyg.2023091

0 引言

地表温度(land surface temperature,LST)作为区域和全球尺度地表水热过程的重要参数,被广泛应用于许多领域[1-2],例如城市热岛效应监测、监测火灾和土地覆盖变化、评估地表干旱和管理水资源等[3-8]。通过热红外遥感可获取区域或全球尺度的LST的时空信息。与地面测量的方式相比,遥感观测空间覆盖范围更广且可重复观测[9]。然而,受到热红外传感器硬件特性以及热红外电磁波无法穿透云层的限制,目前无法获取兼顾高时空分辨率的LST产品[10]。针对这个缺点,国内外学者在云下LST重建和LST空间降尺度这2个方面开展了大量的研究。

云下LST重建的方法可分为统计回归方法、基于LST时空信息的方法、基于地表能量平衡方程的方法、基于被动微波的方法和基于温度年循环(annual temperature cycle,ATC)模型的方法5类。统计回归方法通过建立晴空条件下LST和相关变量(如气温、风速)的回归方程来估算云下LST[11]。随着机器学习的发展,回归工具从简单的线性回归扩展到人工神经网络(artificial neural network,ANN)模型[12]、极端梯度提升树(extreme gradient boosting,XGBoost)模型[13-14]等机器学习方法。基于LST时空信息的方法中包含时间重建算法、空间插值算法以及同时利用LST时间信息和空间信息的算法。时间重建算法中常在邻近时刻寻找与目标时刻的缺失像元具有相似时间变化的晴空像元,并利用晴空像元的信息重建目标时刻的LST[15]。空间插值算法包括反距离加权[16]、样条函数[17]与克里金插值[18]等。由于时间重建算法与空间插值算法不适用于缺失值范围较大的情况,因而在其基础上,发展了同时利用时间信息与空间信息的算法[19-22]。以上2类通常仅使用晴空LST的信息,仅得到LST的理论晴空值。基于地表能量平衡方程的方法根据相邻的晴空LST和气象数据计算云下LST。Jin等[23]使用地表能量平衡方程计算晴空LST与云下LST之间的差异,估计云下LST。然而,地表能量平衡模型的参数化存在很大的不确定性[24]。基于被动微波的方法利用微波可以穿透云层的特点来获取云下LST[25-26]。Zhang等[27]结合重建的被动微波亮度温度与热红外数据估计1 km全天候LST。然而被动微波数据的空间分辨率较低,对结果精度有一定程度的影响。基于ATC模型的方法通过构建LST的年变化曲线来估计云下LST,该方法可使用较少的观测值来估计LST的时间序列,适用于LST存在大量缺失值的情况。Zou等[28]将气温和归一化差异植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)引入传统的ATC模型,构建LST的时间变化曲线。

常用的LST空间降尺度方法可以分为2种类型: 时空融合算法和基于回归的方法。时空融合算法结合2种LST产品的高时间分辨率和高空间分辨率的特点,获取高时空分辨率的LST产品。Gao等[29]提出的时空自适应反射率融合模型(spatial and temporal adaptive reflectance fusion model,STARFM)用一对初始时刻的高/低空间分辨率图像和一张目标时刻的低空间分辨率图像作为输入,高空间分辨率像元值由邻近且同质的相似像元加权而来。STARFM算法应用于森林地区、农田地区以及作物和森林的混合区域的结果表明,该算法可以精确估计高空间分辨率数据。然而STARFM算法基于地表覆盖类型和系统误差在初始时刻至目标时刻内保持不变的假设,因此该算法在极度异质性区域的精度有所降低[30]。为提高STARFM算法在异质性区域的精度,可在原先的基础上,再增加一对低/高空间分辨率图像,用于计算低/高空间分辨率图像之间的转换系数[31]。时空融合算法的输入数据条件较难满足,与之相比,基于回归的方法适用范围更广。该方法基于尺度不变的假设,获取低空间分辨率的尺度因子与LST之间的回归关系,并利用回归关系与高空间分辨率的尺度因子重建高空间分辨率的LST。热图像锐化算法(thermal sharpening,TsHARP)中使用简单的一次多项式作为回归工具,并选择植被覆盖度作为尺度因子,该模型在植被区域的精度较高[10]。为提高基于回归的方法在异质性区域的精度,有学者选择可见光—近红外波段的像元亮度值或反射率、光谱指数等作为尺度因子[32-36]。目前,基于回归的方法中的回归工具通常选择机器学习模型,例如ANN、随机森林模型和XGBoost模型[37-40]等。

围绕LST产品高时空分辨率不可兼得这一缺点,本文提出了一种具备高时空分辨率的LST重建方法,首先利用改进的ATC模型(modified annual temperature cycle,ATCM)重建中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectroradiometer,MODIS)4时刻的云下LST,借助大气再分析数据估计LST的逐小时变化曲线,最后选择光谱指数为尺度因子、XGBoost模型为回归工具将LST的空间分辨率提升至100 m。

1 研究区概况与数据源

1.1 研究区概况

考虑到地面站点数据的可获得性,为验证全天候逐时100 m尺度LST重构后的精度,本文选择美国地表辐射观测网络(surface radiation budget network,SURFRAD)6个地面站点所在区域作为研究区。研究区的假彩色合成影像如图1所示,SURFRAD 6个地面站点的信息如表1所示。

图1

图1   研究区Landsat8 B5(R),B4(G),B3(B)假彩色合成影像

Fig.1   Landsat8 B5(R), B4(G), B3(B) false color composed images in the study areas


表1   SURFRAD站点的详细信息

Tab.1  Detailed information of six SURFRAD sites

研究区
编号
站点代号站点名称经度/(°)纬度/(°)地表
类型
ABNDBondville-88.3740.05草地
BDRADesert Rock-116.0236.62灌木丛
CSXFSioux Falls-96.6243.73耕地
DGCMGoodwin Creek-89.8734.25草地
EFPKFort Peck-105.1048.31草地
FTBLTable Mountain-105.2440.13草地

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1.2 地面站点数据

地面站点数据用于验证全天候逐时100 m尺度LST重构的精度。本文选用的地面站点数据为SURFRAD数据(https://gml.noaa.gov/grad/surfrad/)。地面站点LST的测量精度约为0.5~0.8 K[41]。LST由SURFRAD提供的长波上/下行辐射数据计算得到,即

T=Fu-1-εbFdσεb14

式中: TLST; FuFd分别为长波上行和下行辐射,(W·m-2); σ为Stefan-Boltzmann常数,值为5.67×10-8 W•m-2•K-4; εb为宽波段发射率,可由ASTER波段10—14估计。计算公式为:

εb=0.197+0.025ε10+0.057ε11+0.237ε12+0.333ε13+0.146ε14

式中ε10,ε11,ε12,ε13ε14分别为ASTER第 10—14波段的发射率产品。观测数据每分钟记录一次,为避免异常值的影响,本文取整点时刻前后5 min观测值的平均值作为该整点时刻的验证数据。

1.3 遥感数据

本研究选用MODIS LST产品MOD11A1和MYD11A1(第6版)作为LST观测数据(https://lpdaac.usgs.gov/)。MOD11A1/MYD11A1的LST的精度约为2 K[42]。在大多数地区,MODIS可以在1 d内提供4次1 km空间分辨率的观测数据,Terra过境时间约为当地时间上午10:30和下午10:30,Aqua的过境时间为当地时间下午13:30和凌晨1:30。MOD11A1/MYD11A1中不仅提供LST,还提供LST的昼/夜观测时间。本研究下载了美国地区2019年全年的MOD11A1和MYD11A1数据。

大气再分析数据选择ERA5欧洲中期天气预报中心(european centre for medium-range weather forecasts,ECMWF)全球气候大气再分析资料的第五代产品[43](https://cds.climate.copernicus.eu/)。从中选择表皮温度(skin temperature,SKT)作为全天候逐小时LST重建方法的辅助数据,SKT的空间分辨率为0.25°,时间分辨率为1 h。本研究中下载了美国地区2019年全年逐小时SKT数据。SKT代表地表最上层的温度[44],其与MODIS反演获取的LST是同一个物理概念。因为ERA5的SKT是结合观测资料、气象模型和数据同化技术后计算出的LST,因此其不属于直接测量值,在观测资料较少等情况下会存在一定的误差。相较而言,ERA5的SKT的精度不如MODIS直接观测的LST产品的精度高,但可以认为其变化趋势基本正确,由此可以对全天逐小时LST变化进行重构。

光谱指数、高空间分辨率LST由Landsat8 OLI/TIR地表反射率产品计算得到。在谷歌地球引擎(Google Earth Engine,GEE)平台上下载Landsat8 C2L2遥感影像,具体时空信息如表2所示,通过质量控制标识进行去云操作,假定地表反射率在一定时间范围内不变,用前后几天的数据弥补Landsat8的缺失值。并通过公式计算光谱指数,获取的光谱指数与LST的空间分辨率为100 m,通过空间平均聚合处理将光谱指数的空间分辨率转换至1 km。

表2   研究区Landsat8影像的时空信息

Tab.2  Spatiotemporal information of Landsat8 images in the study areas

研究区
编号
站点
代号
中心经
度/(°)
中心纬
度/(°)
获取日期获取UTC
时间
ABND-88.1739.872019-07-1216: 29
BDRA-116.0336.582019-06-2418: 21
CSXF-96.4343.962019-05-1017: 10
DGCM-89.8934.302019-07-0316: 37
EFPK-105.0948.302019-03-1717: 46
FTBL-105.0739.942019-09-2717: 37

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2 研究方法

2.1 总体技术路线

全天候高时空分辨率LST重建的总体流程如图2所示。该模型主要包含3个关键步骤: 云下LST重建、逐小时LST重建以及基于XGBoost的LST降尺度。最后,使用站点实测LST对全天候逐时100 m尺度LST重构结果进行验证。此外,由于Landsat8 LST与MODIS LST产品在算法和观测时间上存在差异,因此在进行逐小时LST降尺度之前,需利用Landsat8 LST对重建的逐小时LST进行温度校正。具体操作是先将100 m空间分辨率的Landsat8 LST通过空间平均聚合升尺度至1 km空间分辨率。在MODIS LST时序图像中选择与Landsat8 LST过境时间最相近的图像,选择相同覆盖区的LST训练得到线性回归模型,使用线性回归模型对重建的LST时序图像进行温度校正。

图2

图2   总体技术路线

Fig.2   Flowchart of the downscaling all-weather hourly LST


2.2 云下LST的重建方法

在传统的ATC模型中引入ERA5的SKT作为辅助变量,并利用晴空LST观测值、对应的天数以及SKT数据估计ATCM模型的参数,最后在ATCM模型中代入参数以及缺失值时刻,估计有云时刻的LST。LST和SKT的周期性年变化可表示为地球公转带来的稳定变化和局部天气变化引起的非稳定变化之和[28],计算公式为:

TATCM=Tstable(d)+Tunstable(d)

式中: d为天数; Tstable(d)Tunstable(d)分别为温度的稳定变化量和非稳定变化量。温度稳定变化量Tstable(d)由ATC模拟。ATC模型假设每年温度的动态主要由大气顶部太阳辐射通量控制,该模型由一个正弦函数组成,其计算公式为:

Tstable(d)=T0+A·sin(2πdN+θ)

式中: T0,Aθ分别为温度的年平均值、振幅以及年温度变化的相位; N为一年中总天数。

云下LST的重建方法的假设是ERA5的LST整体趋势较为准确,其非稳定变化量与MODIS的LST非稳定变化量之间存在着线性关系。因此,LST的非稳定变化量以及ATCM模型的计算公式分别为:

TunstableLST(d)=k×TunstableSKT(d)+q
TunstableSKT(d)=TATCMSKT(d)-TstableSKT(d)
TATCM(d)=T0+A·sin(2πdN+θ)+[k×TunstableSKT(d)+q]

式中: kq为待求解参数; TunstableLST(d)为LST在第d天的非稳定变化量; TunstableSKT(d)为SKT在第d天的非稳定变化量,即SKT的观测值TATCMSKT(d)与SKT稳定变化量TstableSKT(d)之差。

2.3 逐小时LST的估计方法

经由ATCM模型云下LST重构处理,得到了MODIS 4时刻空间连续的LST。因此,1 d内可确保有4次的LST观测数据。假设MODIS 4个时刻的观测LST的精度较高,且LST的日变化曲线与大气再分析提供的SKT的日变化曲线之间存在一个系统性的缩放和平移量,那么LST的日变化可由SKT的日变化表示为:

TLST(t)=a×TSKT(t)+b

式中: TLST(t)TSKT(t)分别为LST和SKT在第t时刻的值; ab分别为缩放和平移系数。通过比对4个时刻的MODIS LST重构值以及再分析数据提供的SKT值,采用最小二乘方法即可拟合出缩放和平移系数。

2.4 基于XGBoost的LST降尺度模型

使用基于回归的降尺度方法对重构后的逐小时LST进行空间降尺度。基于回归的LST降尺度方法首先使用低空间分辨率的尺度因子与低空间分辨率的LST构建回归模型,由回归模型计算低空间分辨率LST的预测值以及残差,即观测值与预测值之差。计算公式为:

${{\overset{}{\mathop{T}}\,}_{\text{low}}}={{f}_{\text{low}}}\left( {{\rho }_{\text{low}}} \right)$,
ε︿low=Tlow-T︿low

式中: flow为构建的回归模型; ρlow为低空间分辨率尺度因子,本研究中采用光谱指数作为降尺度因子,所选的光谱指数包括: NDVI、归一化调节干旱指数(normalized multi-band drought index,NMDI)、归一化干旱指数(normalized difference drought index,NDDI)、改进的归一化水体指数(modified normalized difference water index,MNDWI)以及归一化建筑指数(normalized difference built-up index,NDBI),所选择的光谱指数能够提供地表状态信息包括植被覆盖度、干旱状态、水体信息与建筑物信息等,提高了降尺度模型在异质性区域的适用性; TlowT︿low分别为低空间分辨率LST观测值与低空间分辨率模型预测值; ε︿low为残差。

随后,基于尺度不变的假设[10],使用高空间分辨率降尺度因子作为回归模型的输入,得到高空间分辨率LST的预测值,即

${{\overset{}{\mathop{T}}\,}_{\text{high}}}={{f}_{\text{low}}}\left( {{\rho }_{\text{high}}} \right)+{{\overset{}{\mathop{\varepsilon }}\,}_{\text{high}}}$,

式中: ρhigh为高空间分辨率的降尺度因子; ε︿high为高空间分辨率残差,由低空间分辨率残差ε︿low双线性插值得到; T︿high为高空间分辨率LST预测值。

本研究中,使用XGBoost作为回归模型。XGBoost引入正则项和列采样,不仅增强模型的鲁棒性,防止模型过拟合,而且提高了模型的运行速度[45]。该模型已成功应用于地下水污染源监测[46]、山洪风险评估[47]以及降水短期预报[48]等领域。XGBoost的基本思想是利用K个回归树对样本进行预测,即

y︿=k=1Kfk(x)

式中: x为模型输入; y︿为模型预测值; fk为第k个回归树,其作用是将特征表示为叶子节点的权重。模型通过递增学习求解叶子节点的最优权重,获得模型的预测值。

3 结果与分析

3.1 LST重构结果时空规律分析

2019年7月12日BND站点所在研究区A的全天候逐时100 m尺度LST重构结果的空间分布如图3所示,分别以UTC时间命名。从逐小时LST的空间分布中可以看到LST随时间的变化。区域A的LST在00:00—10:00(UTC时间)呈降低趋势,在11:00—19:00呈升高趋势,在20:00—23:00呈降低趋势。按照LST的大小,可将时间段分为3段: ①00:00以及14:00—23:00,该时段LST的最小值为292.79 K,最大值为314.52 K,平均值为302.69 K; ②01:00—03:00以及13:00,该时段LST的最小值为290.39 K,最大值为300.47 K,平均值为294.57 K; ③04:00—12:00,该时段LST最小值为284.33 K,最大值为297.09 K,平均值为289.68 K。在00:00与23:00 LST较为接近,差值范围为0.5~5.5 K。从区域A的空间分布来看,区域A的西南方向温度最高,东北方向的温度最低。24 h中区域A的温差在5~17 K范围内波动。

图3-1

图3-1   研究区A的逐小时LST空间分布

Fig.3-1   Spatial distribution of hourly LST in area A


图3-2

图3-2   研究区A的逐小时LST空间分布

Fig.3-2   Spatial distribution of hourly LST in area A


3.2 LST重构结果验证

为了验证全天候逐小时LST降尺度方法在所选研究区的精度,本文利用6个站点的实际观测数据分析LST估计值与实际观测之间的差异。6个站点处LST估计值和实际值的逐小时曲线如图4所示,图中时间为UTC时间。从图4中看出,6个站点LST估计值与实际值的逐小时曲线取值大致相同,当站点处受云的影响较小时,LST在一天中呈先下降后上升再下降的趋势。当站点处受云的影响较大时,LST的波动较为明显。其中BND站点处的LST估计值曲线与实际值曲线最相近,TBL站点处的LST估计值与实际值在05:00—09:00区间内相差较大。

图4

图4   LST估计值和站点观测值的逐小时曲线

Fig.4   Hourly curves of estimated LSTs and actual LSTs at six stations


6个站点实测值与LST估计值的散点图如图5所示。从图5中可以看出,LST实测值与估计值大致分布在1∶1线附近,R2为0.95,均方根误差(root mean squared error,RMSE)为3.75 K,bias为0.75 K。

图5

图5   6个站点的实际值与LST估计值的散点图

Fig.5   Hourly curves of estimated LSTs and actual LSTs at six stations


6个站点处逐小时LST的估计值与观测值得到的评价指标如表3所示。从表3中看出,GCM站点与TBL站点处的拟合程度较低。其余4个站点处的LST的估计值与观测值的拟合程度较高,R2范围为0.86~0.93。造成该结果的原因是2019年7月3日GCM站点以及2019年9月27日站点所在位置受云的影响较大,站点实测的LST波动较大,而本文借助于4时刻的SKT估计逐小时LST,SKT数据在有云情况下波动较小,因此图5中GCM站点与TBL站点的LST实测值和LST估计值分布较为离散,R2值较低。此外,6个站点中DRA站点与TBL站点处的精度较低。DRA站点处的bias为3.48 K,RMSE为5.21 K,TBL站点处的bias为0.92 K,RMSE为5.91 K,而其他站点的RMSE在1.58~2.91 K之间。总体来说,全天候逐时100 m尺度LST重构的精度较高。

表3   6个站点逐小时LST的评价指标

Tab.3  Evaluation indicators of hourly LST at six sites

站点代号bias/KRMSE/KR2
BND0.461.580.93
DRA3.485.210.88
SXF-0.862.850.90
GCM1.772.910.34
FPK-1.241.710.86
TBL0.925.910.19

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4 结论

本文提出了一种重建全天候分辨率为100 m的逐小时LST的方法。该方法首先通过ATCM模型重建MODIS 4时刻的云下LST,其次利用一天中SKT的变化估计LST的日变化曲线,最后采用NDVI,NMDI,NDDI,MNDWI以及NDBI作为回归尺度因子,并利用基于XGBoost的LST降尺度算法将1 km空间分辨率的逐小时LST降尺度至100 m空间分辨率的LST。通过SURFRAD的站点数据全天候逐小时LST的结果进行分析,主要结论为:

1)降尺度后的逐小时LST不仅可以显示出更丰富的空间细节,而且可以展现出区域一天中LST的变化。

2)通过6个站点(BND,DRA,SXF,GCM,FPK和TBL)验证逐小时LST,得到R2为0.95,RMSE为3.75 K,bias为0.75 K。其中BND站点处的精度最高,R2为0.93,RMSE为1.58 K,bias为0.46 K,而TBL站点处的精度最差,RMSE为5.91 K。

总体而言,本文提出的全天候逐时100 m尺度LST重构方法不仅可以获取时空连续的LST,而且能够提高LST的空间分辨率,提供更丰富的纹理信息。

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Land surface temperature (LST) in coarse spatial resolution derived from thermal infrared satellite images has limited use in many remote sensing applications. In this study, we improve our previous approach (multiple remote-sensing index approach of random forest) to downscale LST derived from Landsat 8 and MODIS in an arid oasis - desert ecotone of Zhangye city by designing a normalized difference sand index (NDSI), by the removal of land cover datasets and by the input of SAVI, NDBI and NDWI to downscale LST. Our result demonstrates that NDSI can determine the characteristic of the desert region, and that the distribution of downscaled LST matches those of oasis-desert ecosystems. Relative to the ground observation of HiWATER, our approach also produces relatively satisfactory downscaling results at July 21 (2013), with R-2 and root-mean-square error of 0.99 and 1.25 K, respectively. Compared with other methods, our approach demonstrates higher accuracy and minimization of the retrieved Landsat 8 LST in the desert region. Optimal availability occurs in the vegetation and desert region. Our approach is suitable to LST downscaling in all seasons, especially in spring and summer. The model can further be applied in middle-high and middle-low spatial resolutions. The usefulness of the model is relatively satisfactory in the humid region (Nanjing city) but less accurate in the arid region.

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