Landsat卫星是全球唯一能够提供中高尺度长时间序列热红外光谱数据的卫星，其地表温度产品(LC2L2ST)的正式发布，无疑将为全球地表温度变化研究提供更便捷的数据。但目前对该地表温度产品质量的相关研究还比较少，由于Landsat自2022年起已不再提供除该产品之外的其他地表温度数据，因此有必要对该产品质量进行评估。本文采用已被广泛应用于不同卫星地表温度数据交互对比的MODIS地表温度产品来对Landsat 地表温度新产品进行对比，以查明二者间的定量关系，评估该产品的相对质量。本文采用同日过空影像，选用不同季节、地点和土地覆盖类型的试验区进行二者地表温度产品间的交互对比。所选的4个试验区距离跨度大，涉及南北方、东西部区域和三大温度带(亚热带、中温带、暖温带)的植被、水体、建筑、荒漠土地类型。共采用20对质量完好、涵盖各个季节，具有较好代表性的同步影像(图1，表1)。其中，敦煌试验区是国家卫星辐射定标场。 ![]()
图1 4个试验区的Landsat地表温度影像
表1 LC2L2ST与MODIS LST同步影像对
- 基于18对试验影像构建两组地表温度间的关系转换方程，并用2对未加入试验的影像对转换方程进行验证。
1. ROI样区均值的比较结果
表2 基于ROI的LC2L2ST和MODIS LST统计特征![]()
图3 4个试验区两种温度产品的散点分析图
(1) LC2L2ST与MODIS地表温度具有很强的相关性，4个试验区的决定系数R2皆大于0.98，拟合线靠近1:1线。
(2) Landsat地表温度新产品比MODIS平均高0.9℃，二者的ME均值介于0.33~1.47℃，MAE均值介于0.94~1.99℃，RMSE均值介于1.23~2.49℃之间。LC2L2ST的温度动态范围和标准差都大于MODIS。
(3) 虽然LC2L2ST总体高于MODIS LST，但在低温区，LC2L2ST略低于MODIS LST；随温度的升高，LC2L2ST逐渐高于MODIS LST，且幅度逐渐增大，表现在图3左侧图的拟合线逐渐偏离1:1线，并位于1:1线上方，右侧图的拟合线逐渐上扬。
(4) 二者在4个试验区的表现也有所不同，福州、敦煌的散点拟合线最接近1:1线，故二者的ME最小；而太湖、银川偏差散点图的拟合线上扬角度更大(图3d、f)，说明其偏差的上升幅度更大。在以荒漠为主的敦煌、银川试验区的夏季高温季节，LC2L2ST可高于MODIS LST近7℃(图3f、h)，明显大于福州和太湖试验区的5℃。2. 定量关系转换模型的构建与验证
进一步将4个试验区共560个ROI均值散点合并进行回归分析(图4)，构建了LC2L2ST与MODIS LST数据的转换模型：
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图4 基于ROI样区构建的LC2L2ST与MODIS LST转换模型
利用未参与试验的太湖和银川影像对图4获得的转换模型进行验证(表3)。结果发现，经转换后LC2L2ST与MODIS LST的偏差大幅缩小，RMSE与ME分别减少39.84%和61.17%。表明本文构建的转换方程是有效的，转换后的MODIS LST更接近于LC2L2ST数据，有利于二者数据的协同使用。表3 验证影像模拟转换前后的统计特征值对比
通过研究发现，两种地表温度产品的差距主要由二者在观测角、空间分辨率、季节和地物类型等方面的差异造成的(图6-8)。
(1)空间分辨率的差异：LC2L2ST影像的原始分辨率为100m，大大高于MODIS的1000m分辨率，因此更容易捕捉到细小地物的光谱信息。影像预处理时虽然已将LC2L2ST重采样为1000m，但其ROI的空间异质性仍明显高于MODIS (图6)，从而造成二者地表温度的差异(表2)。(2)观测角度的差异：段四波等指出：统一Landsat与MODIS的观测角度效应是未来实现二者数据时空融合的难点和重点。MODIS的宽视角会产生较强的观测角度效应，图7以福州为例显示MODIS在福州试验区的观测视角为2°~6°；而Landsat卫星是窄视角、垂直观测，其传感器视角为0°，因此受热辐射光谱的方向性影响要明显小于MODIS，导致Landsat与MODIS在观测角度的差异也是造成二者地表温度差异的原因。
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(3)季节的差异：为了探究二者地表温度差异与季节的关系，进一步统计表1中20对LC2L2ST和MODIS LST影像对的日地表温度变化(图8)。可以看出，在晚秋和冬季，LC2L2ST与MODIS LST相差很小，且可略低于MODIS LST；而在其他季节，LC2L2ST则明显大于MODIS LST。显然，季节的变化也是二者地表温度差异的原因之一。邹德富等研究青藏高原低温冻土区时也得出Landsat 5/7的地表温度低于MODIS LST的结论。而Malakar等在验证美国Goodwin Creek站点的Landsat 8地表温度时也发现它在夏季的高估可大于6K。LC2L2ST新产品与MODIS地表温度之间具有较高的相关性，同时也存在一定的差异，表现在LC2L2ST比MODIS LST平均高0.90℃ (RMSE=2.29℃)，但在夏季高温的城镇和荒漠地区可高近7℃。鉴于二者在夏季城市和沙漠地区的差异较大，因此，LC2L2ST新产品在夏季高温地区的适用性仍有待进一步基于地面实测温度的验证，以确认新产品在夏季高温地区是否真正存在高估。本文构建的转换方程有助于缩小二者地表温度间的差距，它有利于二者光谱数据的互补和协同使用，可为长时间序列的地表温度变化监测提供连续的遥感数据。
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论文引用：
李春强, 高永刚, 徐涵秋. Landsat新型热红外地表温度产品与MODIS地表温度产品的交互对比[J]. 光谱学与光谱分析, 2023, 43(03): 940-948. doi: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0940-09.Li Chunqiang, Gao Yonggang, Xu Hanqiu. Cross Comparison Between Landsat New Land Surface Temperature Product and the Corresponding MODIS Product[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2023, 43(03): 940-948. doi: 10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0940-09.全文下载链接：http://www.gpxygpfx.com/CN/abstract/abstract13219.shtml
校对：任萌杰
编辑：李春强
