基于Landsat-8 海域海温反演 ——以宁波舟山附近海域为例

杨雷，倪章华

（宁波海洋研究院）

1 引言

海温对于能源开发、海洋军事以及海洋环境的发展是非常重要的。遥感手段与直接观测相比具有大范围同步观测且费用低的优点。同时卫星影像资料对同一点可进行长期分析观测，弥补了现场海温测量的不足。

许多学者提出了热红外影像的SST反演方法，其中包括多通道海表温度反演方法（MCSST）[4]和基于大气校正法的SST 反演算法等[1,2,6]。基于以上方法，又有学者提出采用统计模型或者直接忽略大气效应采用NASA 提供的简单模型的方法[3,5]。随着海洋战略的发展，我国对海温分布细节越来越重视，对高空间分辨率的海温产品的需求变得尤为迫切。目前海温数据分辨率较低，融合后的海温产品空间分辨率一般为5km 到9km，海域海温的监测尺度过大。Landsat-8 于2013 年2 月11 号发射升空，主要载有OLI 和TIRS 传感器包括总共11 个波段，具有较高的空间分辨率，在空间分辨率上满足了尺度上的需要。

2 数据及方法

2.1 研究区概况

本文研究区位于宁波和舟山附近海域。该区域地理、水文、生物等优越自然条件，尤其是附近的舟山渔场海域更是适宜多种鱼类繁殖、生长、索饵、越冬的生活栖息地。

2.2 反演方法

卫星遥感器是通过探测地表的热辐射强度来推算地表温度。水体在热红外谱段上，接近于黑体，其比辐射率为0.995。应用辐射传输方程法和卫星过境时的同步大气数据计算，从而得到地表热辐射强度，进而计算出相应的海表温度，具体如式（1）。

其中，ε为地表辐射率，ST 为地表真实温度，B(ST)为黑体在ST 温度下的热辐射亮度，τ为热红外波段的大气透过率，因此B(ST)可表达为：

式（2）中的大气上行辐射亮度、大气下行辐射亮度和大气透过率可通过在NASA 查询得到。

根据普朗克公式的反函数，如式（3）所示，求得地表真实温度ST。

3 结果与分析

研究区均匀选择10 个点，分别为温度反演结果和对应的验证温度，并制作两者的散点图，结果如表1 所示。

表1 中可以的得出反演温度均低于验证温度，反演温度的平均绝对误差为0.78℃，平均相对误差为2.79%。云雾作为热红外遥感遥感的主要误差来源，在反演海温计算中会带来一定的误差。当云的大小小于观测的视场范围时，云检测的方法很难起到作用，而传感器接收辐射量时也把云的部分算入，因此云覆盖附近区域反演误差相对较大。

基于监测结果的基础上，对云覆盖区域进行掩膜并对整个研究区域进行反演海温，得到研究区海域海表温度，结果如图1 所示。

表1 样本点反演精度

4 结语

本文针对海温细节的需求，基于Landsat-8 热红外影像，利用辐射传输方程，在宁波舟山附近海域开展海表温度遥感反演，并结合同步的融合海温产品进行了精度验证，反演温度的绝对误差为0.78℃，平均相对误差为2.79%。结果表明，Landsat-8 热红外遥感影像适用于海温反演，弥补了海温监测的空间分辨率上的不足，解决了近海海岛附近海域海温监测尺度过大问题。

图1 宁波舟山海域海表温度空间分布

同时，从验证结果中发现，云雾在海温反演中会不可避免的带来不确定的误差，特别是一些经常有薄云存在的区域，云检测很难将这类区域区分出来，如果把存在薄云区域视为晴空区域，会使得反演结果偏离实际温度，产生较大误差。因此，好的大气校正方法和精确的云检测方法对于海温反演是必要的。