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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 31 卷 第 17 期摇 摇 2011 年 9 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
海洋生态资本理论框架下海洋生物资源的存量评估 任大川,陈摇 尚,夏摇 涛,等 (4805)………………………
内生真菌对羽茅生长及光合特性的影响 贾摇 彤,任安芝,王摇 帅,等 (4811)……………………………………
基于遥感图像处理技术胡杨叶气孔密度的估算及其生态意义 荐圣淇,赵传燕,赵摇 阳,等 (4818)……………
水文变异下的黄河流域生态流量 张摇 强,李剑锋,陈晓宏,等 (4826)……………………………………………
黄河三角洲重度退化滨海湿地盐地碱蓬的生态修复效果 管摇 博,于君宝,陆兆华,等 (4835)…………………
浙江省某 PCBs废物储存点对其邻近滩涂生态系统的毒性风险 何闪英, 陈昆柏 (4841)………………………
鄱阳湖苔草湿地甲烷释放特征 胡启武,朱丽丽,幸瑞新,等 (4851)………………………………………………
三峡库区银鱼生长特点及资源分析 邵晓阳,黎道峰,潭摇 路,等 (4858)…………………………………………
低温应激对吉富罗非鱼血清生化指标及肝脏 HSP70 基因表达的影响 刘摇 波,王美垚,谢摇 骏,等 (4866)…
Cd2+对角突臂尾轮虫和曲腿龟甲轮虫的急性毒性和生命表统计学参数的影响
许丹丹,席贻龙,马摇 杰,等 (4874)
…………………………………
……………………………………………………………………………
圈养梅花鹿 BDNF基因多态性与日常行为性状的关联分析 吕慎金,杨摇 燕,魏万红 (4881)…………………
华北平原玉米田生态系统光合作用特征及影响因素 同小娟,李摇 俊,刘摇 渡 (4889)…………………………
长期施肥对麦田大型土壤动物群落结构的影响 谷艳芳 ,张摇 莉,丁圣彦,等 (4900)…………………………
蚯蚓对湿地植物光合特性及净化污水能力的影响 徐德福,李映雪,王让会,等 (4907)…………………………
三种农药对红裸须摇蚊毒力和羧酸酯酶活性的影响 方国飞 (4914)……………………………………………
六星黑点豹蠹蛾成虫生殖行为特征与性趋向 刘金龙,宗世祥,张金桐,等 (4919)………………………………
除草剂胁迫对空心莲子草叶甲种群的影响及应对策略 刘雨芳,彭梅芳,王成超,等 (4928)……………………
荒漠植物准噶尔无叶豆结实、结籽格局及其生态适应意义 施摇 翔,王建成,张道远,等 (4935)………………
限水灌溉冬小麦冠层氮分布与转运特征及其对供氮的响应 蒿宝珍,姜丽娜,方保停,等 (4941)………………
准噶尔盆地梭梭、白梭梭植物构型特征 王丽娟,孙栋元,赵成义,等 (4952)……………………………………
基于地表温度鄄植被指数关系的地表温度降尺度方法研究 聂建亮,武建军,杨摇 曦,等 (4961)………………
岩溶区不同植被类型下的土壤氮同位素分异特征 汪智军,梁摇 轩,贺秋芳,等 (4970)………………………
施氮量对麻疯树幼苗生长及叶片光合特性的影响 尹摇 丽,胡庭兴, 刘永安, 等 (4977)………………………
黄土丘陵区燕沟流域典型植物叶片 C、N、P化学计量特征季节变化 王凯博,上官周平 (4985)………………
克隆整合提高淹水胁迫下狗牙根根部的活性氧清除能力 李兆佳, 喻摇 杰, 樊大勇, 等 (4992)………………
低覆盖度固沙林的乔木分布格局与防风效果 杨文斌,董慧龙,卢摇 琦,等 (5000)………………………………
东灵山林区不同森林植被水源涵养功能评价 莫摇 菲,李叙勇,贺淑霞,等 (5009)………………………………
11 种温带树种粗木质残体分解初期结构性成分和呼吸速率的变化 张利敏,王传宽,唐摇 艳 (5017)…………
连栽第 1 和第 2 代杉木人工林养分循环的比较 田大伦,沈摇 燕,康文星,等 (5025)……………………………
最优化设计连续的自然保护区 王宜成 (5033)……………………………………………………………………
基于自然地理特征的长江口水域分区 刘录三,郑丙辉,孟摇 伟,等 (5042)………………………………………
煤电一体化开发对锡林郭勒盟环境经济的影响 吴摇 迪,代方舟,严摇 岩,等 (5055)……………………………
专论与综述
生态条件的多样性变化对蜜蜂生存的影响 侯春生,张学锋 (5061)………………………………………………
研究简报
胶州湾潮间带大型底栖动物次级生产力的时空变化 张崇良,徐宾铎,任一平,等 (5071)………………………
湿地公园研究体系构建 王立龙,陆摇 林 (5081)……………………………………………………………………
基于生态足迹的半干旱草原区生态承载力与可持续发展研究———以内蒙古锡林郭勒盟为例
杨摇 艳,牛建明,张摇 庆,等 (5096)
…………………
……………………………………………………………………………
学术信息与动态
恢复与重建自然与文化的和谐———2011 生态恢复学会国际会议简介 彭少麟,陈蕾伊,侯玉平,等 (5105)…
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*302*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*37*
室室室室室室室室室室室室室室
2011鄄09
封面图说: 相当数量的降雪与低温严寒是冰川发育的主要因素,地球上的冰川除南北两极外,只有在高海拔的寒冷山地才能存
在。 喜马拉雅山造山运动使中国成为了世界上中低纬度冰川最为发育的国家,喜马拉雅山地区雪峰连绵、冰川四
溢,共有现代冰川 17000 多条,是世界冰川发育的中心之一。
彩图提供: 陈建伟教授摇 国家林业局摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 31 卷第 17 期
2011 年 9 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 31,No. 17
Sep. ,2011
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家 863 计划项目(2006AA12Z142,2006AA120108)
收稿日期:2010鄄07鄄16; 摇 摇 修订日期:2010鄄10鄄18
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: wjj@ bnu. edu. cn
聂建亮,武建军,杨曦,刘明,张洁,周磊.基于地表温度鄄植被指数关系的地表温度降尺度方法研究.生态学报,2011,31(17):4961鄄4969.
Nie J L,Wu J J,Yang X, Liu M,Zhang J,Zhou L. Downscaling land surface temperature based on relationship between surface temperature and vegetation
index. Acta Ecologica Sinica,2011,31(17):4961鄄4969.
基于地表温度鄄植被指数关系的地表温度
降尺度方法研究
聂建亮1,2,3,武建军2,*,杨摇 曦2,刘摇 明2,张摇 洁2,周摇 磊2
(1. 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室, 北京摇 100875;2. 民政部 /教育部减灾与应急管理研究院, 北京摇 100875;
3. 北京师范大学资源学院, 北京摇 100875)
摘要:地表温度(Land Surface Temperature, LST)在空间上和时间上均存在很大的差异性。 而通过卫星遥感技术来监测地表温
度存在着空间分辨率和时间分辨率上的矛盾:空间分辨率高的卫星时间分辨率低,反之亦然。 为了解决这个矛盾,首先利用
TsHARP (An algorithm for sharpening thermal imagery)温度降尺度方法将 LSTMODIS,1km(1km MODIS(Moderate鄄resolution Imaging
Spectroradiometer)地表温度)图像(2004 年 9 月 9 日上午)降尺度为 LSTMODIS,500m(500m MODIS 地表温度)图像。 为了对降尺度
LSTMODIS,500m图像进行验证,对研究区内同一天(2004 年 9 月 9 日上午)的 ETM图像的第 6 波段的辐亮度值升尺度到 500m后,再
利用 Sobrino ETM(Enhanced Thematic Mapper)温度反演方法反演得到 LSTETM,500m(500m ETM地表温度)图像,将 LSTETM,500m图像
作为当日地表温度的实测值,对降尺度 LSTMODIS,500m图像的降尺度效果进行验证。 对比结果表明降尺度 LSTMODIS,500m图像更加精
细刻画 LSTMODIS,1km图像在空间上的分布格局;定量对比 3 种降尺度 LSTMODIS,500m和 LSTETM,500m的 RMSE 分别为 0. 786、1. 002、
0郾 754益,降尺度结果达到预期效果。
关键词:降尺度;MODIS;地表温度;归一化植被指数
Downscaling land surface temperature based on relationship between surface
temperature and vegetation index
NIE Jianliang1,2,3,WU Jianjun2,*,YANG Xi2, LIU Ming2,ZHANG Jie2,ZHOU Lei2
1 State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
2 Academy of Disaster Reduction and Emergency Management, Ministry of Civil Affairs & Ministry of Education, Beijing Normal University, Beijing
100875, China
3 College of Resources Science and Technology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
Abstract: Land surface temperature (LST) plays a very important role in obtaining the thermal information of land surface.
LST has been widely used to detect the agricultural drought, monitor evapotranspiration, and estimate net radiation,
sensible and latent heat flux, surface urban heat island intensity, precipitable water, urban鄄induced surface moisture and
surface runoff. However, due to technical constraints of remotely sensed LST data, there is a trade鄄off between spatial and
temporal resolution: a high temporal resolution is associated with a low spatial resolution and vice versa. Improvement in the
spatial resolution of LST image will be greatly important when the revisit time of satellite remains the same. To solve this
disadvantage, the aims of this study include the following aspects: firstly, to improve the original low spatial resolution of
the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) LST image data (1km) to 500m resolution by applying three
relationships between NDVI and LST in TsHARP (An algorithm for sharpening thermal imagery) method; secondly, to
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assess the accuracy of each downscaling model based on qualitative and quantitative analysis with synchronous Enhanced
Thematic Mapper (ETM) LST data; thirdly, to examine whether the TsHARP downscaling method is applicable and valid
in special and particular land cover types in China. The northwest of Shandong province and south of Hebei province in
China were selected as the research area. Then we utilized the TsHARP method to downscale original 1km LST image
(taken on 9 th, September 2004, provided by MODIS sensor) to 500m LST image, given that MODIS can offer very high
temporal resolution image. In order to validate the simulated 500m LST image, we compared the simulated LSTMODIS,500m
image with the synchronous 500m ETM LST image generated from 500m ETM band 6 radiance by Sobrino technique, and
the 500m ETM band 6 radiance image was upscaled from the original 120m ETM band 6 radiance image. Qualitative
comparison results show that LSTMODIS,500m images visually capture more spatial details than LSTMODIS,1km and resemble more
that of LSTETM,500m . In the downscaled 500m MODIS LST image, boundaries between different land covers are highlighted.
When compared to 500m ETM LST, statistical results indicate that the Mean Absolute Error (MAE) in 500m MODIS LST
generated by the downscaling techniques ranged from 0. 536益 to 0. 752益 . Quantitative comparisons of the three
downscaled LSTMODIS,500m images and LSTETM,500m image show that Root Mean Square Error (RMSE) are 0. 786益, 1. 002益
and 0. 754益, respectively, with method 3 ( i. e. vegetation fraction is linearly correlated to 4th power of LST )
corresponding to both the lowest MAE (0. 536益) and RMSE (0. 754益). The variance ( S2 ) of method 2 ( i. e.
vegetation fraction is linearly correlated to LST) is the highest, which shows that method 2 captures more spatial details of
LSTETM,500m . Considering the mean values of different methods, the mean of method 2 is also the most consistent one to the
mean of the LSTETM,500m . As for the LST accuracy, an RMSE of 0. 754益 or 1. 002益 is regarded as reasonable and
acceptable, given the change in the spatial resolution of the MODIS LST and the potential sources of error due to different
sensor properties. Above all, all of the three methods were found to substantially achieve good performance and produce
500m LST results with the high accuracy and improve the spatial pattern of the 1km MODIS LST. The downscaling
techniques were proved effective and applicable in our study area.
Key Words: downscaling; MODIS; LST; NDVI
地表温度是反映地表状况的一个非常重要的参数,可以用于监测干旱对植被的胁迫[1],估计蒸散[2鄄4],估
计地球净辐射、感热和潜热通量,监测城市热岛效应[5],以及监测土壤的干湿状况[6]等。 各种传感器热红外
波段反演得到的地表温度产品的时间与空间分辨率存在一定的相互制约关系,如果能够在保证地表温度产品
时间分辨率不变的前提下,提高其空间分辨率,对于地表温度产品的推广使用将具有重要的理论和实践意义。
尺度转换是指将某一尺度上所获得的信息和知识扩展到其他尺度上的过程[7]。 目前基于像元的尺度转
换方法主要可以分为 3 大类:数理统计方法、数据融合方法和分类转换方法[8]。 数理统计回归分析主要用于
尺度上推的转换,通过在不同尺度影像之间建立基于某一特征量(如地物面积和 NDVI 指数等) 的函数关系,
从而进行尺度转换[9鄄10]。 数据融合主要用于尺度下推的转换,通过将一个尺度影像信息融入另一尺度影像来
达到尺度转换目的,许多研究学者通过分层 PCA方法实现了尺度转换[11鄄12];Stathopoulou 等[13]利用高分辨率
的 TM地表温度图像信息融入到低分辨率的 AVHRR 地表温度图像中,将 AVHRR 地表温度图像的空间分辨
率提高到 120m。 分类转换方法需要先将各个尺度上的影像分出大类,再对各大类选择各自所需的特征影像
进行转换,尺度分类转换方法主要有贝叶斯估计法和 Dempster鄄Shafer 推理法等[8]。 地表温度的降尺度,即确
定低空间分辨率像元中的亚像元地表温度值,融合高空间分辨率图像信息到低空间分辨率图像,使得低空间
分辨率图像获得高空间分辨率图像的细节信息[14]。 Munechika等[15]将降尺度分为 3 类:(1)为了显示的清晰
度降尺度,(2)通过单独的运算空间和光谱信息降尺度,(3)降尺度时保留图像辐射信息的完整性。 如果降尺
度的结果要应用于其它模型的运算,那么保留图像的辐射信息是至关重要的。 由于本研究希望降尺度后的温
度图像能够应用于其它模型的计算,因此本文中使用的降尺度方法,采用了图像数据融合方法的一种:
2694 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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TsHARP方法[16]。
由于目前对于 TsHARP方法降尺度的过程主要是利用原始高分辨率影像升尺度后再对其进行降尺度处
理,最后利用原始高分辨影像对降尺度结果进行验证,原始影像在升尺度或重采样过程中会产生新的误差,因
此会对降尺度的结果和验证的结果均产生较大的干扰,降尺度结果和验证结果缺乏一定的说服力;另外,如果
对原始的地表温度图像进行直接降尺度处理,降尺度结果的精度如何? 该降尺度方法是否在中国独特的地表
覆盖条件下仍然适用? 针对上述问题,本文借助 TsHARP 方法直接对原始的 MODIS 地表温度图像进行降尺
图 1摇 研究区示意图
Fig. 1摇 Map of research area
摇 其中左侧彩色图像为研究区对应的 1km MODIS LST图像,右侧为
研究区放大图像
度,由于 ETM 的地表温度产品的分辨率明显高于
MODIS的地表温度产品,并且用 Sobrino[17]提出的单通
道算法反演得到的 ETM 地表温度图像的误差很小(误
差 1. 5K 以内),ETM 和 MODIS 成像时间也非常相近
(ETM为当地时间 10:40 左右,MODIS为 11:00 左右),
在较短的时间间隔和天气状况良好的情况下(本文中
使用的 ETM和 MODIS 的图像质量都很好),因此可以
把 ETM地表温度产品作为当日地表温度的实测值,对
降尺度 LSTMODIS,500m图像的降尺度效果进行验证。
1摇 研究区概况
本文选择的研究区属于华北平原的一部分,为了避
免地形高程对植被指数的影响,选择了平均海拔 100m
以下的区域。 研究区包括山东省西北部和河北省南部,
位于东经 114毅10忆—117毅21忆,北纬 36毅17忆—37毅59忆,如图
1 所示;研究区属暖温带大陆性气候,四季变化明显,为
干旱易发区,年均温 8—15益,积温为 4000—4800益,年
降水量 600—800mm。 土地覆盖类型主要为耕地和建
筑用地,大部分地区农业熟制为两年三熟和一年两熟。
2摇 数据及研究方法
2. 1摇 数据及数据处理
本文使用到的数据主要包括 Landsat鄄7 ETM和 MODIS两种传感器的数据(表 1)。
表 1摇 本文研究使用到的数据列表
Table 1摇 Data sets used in the thesis
数据集名称 来源 范围 时间
Name of data sets Source Range Time
Landsat鄄7 ETM http: / / glcfapp. umiacs. umd. edu 轨道号 122 / 34 2004鄄09鄄09
MODIS每日反射率产品 NASA EOS Data Gateway 轨道号 h27v05 2004鄄09鄄09
MODIS每日地表温度产品 NASA EOS Data Gateway 轨道号 h27v05 2004鄄09鄄09
MODIS土地覆盖产品 NASA EOS Data Gateway 轨道号 h27v05 2004
MODIS大气水汽产品 NASA EOS Data Gateway 轨道号 h27v05 2004鄄09鄄09
研究中使用到的 Landsat鄄 7 ETM 数据来自美国马里兰大学数据共享网,成像时间是 2004 年 9 月 9 日
10:40左右,轨道号 122 / 34。 影像只有局部区域有较少云层覆盖,质量比较好,能够满足本研究的需求。 对下
载后的 Level 1 数据经过辐射定标,利用双线性重采样方法将 ETM band 6 60m分辨率图像升尺度到 500m,采
用 Sobrino[17]提出的单通道算法反演得到 ETM 500m地表温度图像,该方法需要参数少,获取方法简单,且精
度较高(误差 1. 5K以内)。
3694摇 17 期 摇 摇 摇 聂建亮摇 等:基于地表温度鄄植被指数关系的地表温度降尺度方法研究 摇
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研究中使用的 MODIS遥感数据来自于美国 NASA EOS Data Gateway 的 MODIS 产品,包括 2004 年 9 月 9
日上午研究区 500m分辨率反射率产品(MOD09GA),1km 分辨率每日地表温度产品(MOD11A1),1km 分辨
率 MODIS土地覆盖产品(MOD12Q1),1km分辨率 MODIS 大气水汽产品(MOD05)(反演 ETM 地表温度产品
过程中所需的参数)。 以上产品经过几何校正、大气校正等处理,可以用于科学实验。 反射率产品共有 7 个
波段,本文利用反射率数据计算了归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI):
NDVI=
籽2-籽1
籽2+籽1
(1)
式中, 籽1, 籽2 分别是 MODIS传感器的第 1 波段(620—670nm),第 2 波段(841—876nm)。 MODIS 产品原
始的投影为正弦投影,本文中利用 NASA研发的 MODIS reprojection tool (MRT)将投影转为 Albers equal area
投影(中央经线东经 110毅,两条标准纬线为北纬 25毅和北纬 47毅)。
2. 2摇 TsHARP温度降尺度方法
基于地表温度和植被指数的负相关关系,Kustas 等[18]提出了一种温度锐化的 DisTrad 方法,同时
Anderson等[19]利用 DisTrad估算了美国中部地区的蒸散,发现精度有较大提高。 Agam 等[16]对 DisTrad 进行
了改进,提出了 TsHARP算法,该算法的基本假设是:地表温度鄄植被指数之间的关系在各个尺度上基本一致,
土壤湿度的空间变化是最主要的影响因素。 该方法的过程如下[20](以 MODIS为例):
(1)计算原始分辨率的 NDVI(500m)和 LST(1km)。 以下公式中将 500m 的 NDVI,LST 简写为 NDVI500,
T500;将 1km的 NDVI,LST简写为 NDVI1000,T1000。
(2) 将 NDVI500重采样得到 NDVI1000,利用 1km MODIS土地覆盖产品提取土地覆盖类型均一区域,保证了
选择的像元比较均一。 利用提取的均一土地覆盖区域切割 NDVI1000和 T1000图像。
(3) 在选出来的 NDVI1000和 T1000像元之间,建立 NDVI1000与 T1000的关系,即:
T^1000(NDVI1000)= a+bNDVI1000+cNDVI21000 (2)
(4) 可以认为,由于土壤湿度空间变异造成的误差为:
驻 T^1000 =T1000-T^1000 (3)
(5) 基于假设,上式对 500m 分辨率的 NDVI 和 LST 仍然适用,同时考虑到土壤湿度空间变异造成的误
差,对 1000m像元内的第 i个 500m亚像元( i=1,2,3,4),估算 T500的公式可以写为:
T^500( i)= T^1000(NDVI500( i))+驻 T^1000 (4)
在建立 NDVI和 LST的关系时,两者之间的关系并不为确定的二次关系,本文对 LST和 NDVI可能存在的
其它关系进行一定推导,并将这些关系都利用到降尺度方法中,以比较这些关系的优劣,从理论上讲,地表温
度与植被覆盖度之间的关系为:
Ts =[(1-f)TBS+fT4V] 1 / 4 (5)
式中,TBS与 TV分别是图像中纯裸土与纯植被的温度,Ts为整个像元的温度,f为像元的植被覆盖度。 从式(5)
可以看出,理论上的 T4s 鄄f线性关系最明显。 同时也有研究指出, Ts鄄f的线性关系也存在。
在计算植被覆盖度时,常用的公式是:
f=1- NDVImax-NDVINDVImax-NDVI
æ
è
ç
ö
ø
÷
min
0. 625
(6)
当建立 T4s 鄄f或 Ts鄄f的线性关系时,则有:
Ts(NDVI)= a0+a1 1-
NDVImax-NDVI
NDVImax-NDVI
æ
è
ç
ö
ø
÷
min
0.é
ë
êê
ù
û
úú
625
(7)
T4s(NDVI)= a0+a1 1-
NDVImax-NDVI
NDVImax-NDVI
æ
è
ç
ö
ø
÷
min
0.é
ë
êê
ù
û
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625
(8)
4694 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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对于一幅固定区域的影像,其 NDVI的最大、最小值是一定的,因此上式可以简化为:
Ts(NDVI)= a忆0-a忆1(NDVImax-NDVI) 0. 625 (9)
T4s(NDVI)= a忆0-a忆1(NDVImax-NDVI) 0. 625 (10)
其中
a忆0 =a0+a1 (11)
a忆1 =a1(NDVImax-NDVImin) -0. 625 (12)
为了试验一种普适的关系,令 NDVImax =1,NDVImin =0,则式(9)和式(10)式可以简化成:
Ts(NDVI)= a忆0-a忆1(1-NDVI) 0. 625 (13)
T4s(NDVI)= a忆0-a忆1(1-NDVI) 0. 625 (14)
综上,在 TsHARP算法中的第 3 步,共建立 Ts和 NDVI之间的 3 种关系,对应 3 种降尺度方法:
方法 1 Ts(NDVI)= a+bNDVI+cNDVI2 (15)
方法 2 Ts(NDVI)= a忆0-a忆1(1-NDVI) 0. 625 (16)
方法 3 T4s(NDVI)= a忆0-a忆1(1-NDVI) 0. 625 (17)
TsHARP算法流程图(图 2):
图 2摇 TsHARP算法流程图
Fig. 2摇 The process of TsHARP model
3摇 结果与讨论
利用升尺度 LSTETM,500m图像对降尺度的 LSTMODIS,500m图像进行对比验证,其中升尺度的 LSTETM,500m作为真实
的地表温度观测值,以检验降尺度结果的精度,确保降尺度结果的准确可靠性。 采用的验证方法分为直观的
视觉验证和定量统计验证。
3. 1摇 温度降尺度结果对比
从图 3 中看出,从定性的角度讲,降尺度 LSTMODIS,500m图像较好的保持了原始 LSTMODIS,1km图像的地表温度
在空间上的分布格局,图像的高温和低温区吻合的较好。 在不同土地覆盖类型之间,与原始图像相比,降尺度
图像更加精细刻画了地表温度的空间差异性;同一种土地覆盖类型内部的空间差异性在降尺度图像上也很明
显。 由于获取的当天的 ETM数据空间范围只是研究区内的一部分,为了利用升尺度的 LSTETM,500m图像对降尺
度的 LSTMODIS,500m图像进行对比验证,从研究区内选择出一块大小适中的验证区,图 4 为验证区对应的
LSTETM,500m和降尺度 LSTMODIS,500m图像,从图 4 中可以看出,验证区内的降尺度 LSTMODIS,500m图像可以捕捉到大部
5694摇 17 期 摇 摇 摇 聂建亮摇 等:基于地表温度鄄植被指数关系的地表温度降尺度方法研究 摇
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分 LSTETM,500m图像在空间上的地表温度的信息。 为了更加充分的验证降尺度的效果,下面对图 4 中的四幅图
像进行更进一步的定量统计分析。
图 3摇 研究区原始 1km MODIS LST (a)研究区方法 1 降尺度500m MODIS LST (b)研究区方法2 降尺度500m MODIS LST (c)研究区方
法 3 降尺度 500m MODIS LST(d)
Fig. 3摇 Original 1km MODIS LST of research area ( a) Downscaled 500m MODIS LST of research area by method 1 (b) Downscaled
500m MODIS LST of research area by method 2 (c) Downscaled 500m MODIS LST of research area by method 3 (d)
3. 2摇 温度降尺度结果定量验证
为了定量评价降尺度方法的精度,对验证区 LSTETM,500m和降尺度的 LSTMODIS,500m图像进行了一系列的统计
分析。 统计量包括均值(Mean),标准差(S2),拟合曲线系数(拟合 LSTETM,500m和降尺度的 LSTMODIS,500m图像,a
截距,b斜率,R2决定系数),平均绝对偏差(MAE),均方根偏差(RMSE)。 除了这些定量的统计参数外,对于
LSTETM,500m和降尺度的 LSTMODIS,500m图像还做了散点图(图 5),这些图很直观地显示它们之间的相关性强度。
统计的结果列于表 2 中。 从表 2 中可以看出所有降尺度 LSTMODIS,500m的均值均接近于 LSTETM,500m,说明所有降
尺度方法的结果与实际的地表温度产生的总体偏差较小,其中方法 1 的均值最接近于 LSTETM,500m的均值。 方
法 2 的 S2值最大,并且最接近于 LSTETM,500m的 S2值,说明方法 2 很好的再现了 LSTETM,500m在空间上的分布格局,
产生了较大的地表温度空间变异。 另外,从线性拟合的参数 a和 b可以看出降尺度的 LSTMODIS,500m总体上低于
LSTETM,500m值,印证了 3 种方法对应的 LSTMODIS,500m均值均低于 LSTETM,500m的均值,这一点也可以从散点图中得
到说明。 从 MAE中可以看出,方法 3 的 MAE最小,说明该方法对应的降尺度图像与 LSTETM,500m的平均差值为
0. 536益,降尺度的结果非常接近于实际的地表温度值,降尺度的效果令人满意。 另外,方法 3 的 RMSE 为
0郾 754益,在所有方法中,方法 3 产生的 RMSE 最小。 MAE 和 RMSE 差异的主要原因为 RMSE 对于极端值的
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图 4摇 验证区 500m ETM LST (a)验证区方法 1 降尺度 500m MODIS LST (b) 验证区方法 2 降尺度 500m MODIS LST (c) 验证区方法 3
降尺度 500m MODIS LST(d)
Fig. 4摇 500m ETM LST of validation area ( a) Downscaled 500m MODIS LST of validation area by method 1 ( b) Downscaled 500m
MODIS LST of validation area by method 2 (c) Downscaled 500m MODIS LST of validation area by method 3 (d)
反应更加的敏感[21]。 方法 2 的 R2值一般(0. 363),为 3 种方法中最小的。 尽管 R2被广泛的应用,作者并未对
该系数做过多的解释,因为当被用来进行真实值和模拟值之间的对比时,R2值往往是一个令人容易产生误解
的系数[22]。 综合上述对各个统计参数的讨论,每一种方法对应的一些统计量表现的精度相对较高,一些相对
较低,很难对该 3 种方法之间的优劣做出排序,但是总体上讲,3 种方法的各个统计参数反应出的降尺度结果
都是很令人满意的,各种方法产生的降尺度 LSTMODIS,500m与实际的地表温度之间的差异很小,一致性较好,相
互吻合程度较高。
表 2摇 MODIS LST降尺度方法的统计度量
Table 2摇 Statistical measures of MODIS LST downscaling methods
降尺度方法
Downscaling method
像元个数
Pixel number
500m ETM地表温度均值 / 益
Mean of 500m ETM LST
500m MODIS 地表温度均值 / 益
Mean of 500m MODIS LST
500m ETM 地表温度方差
Variance of 500m ETM LST
Method 1 19380 27. 997 27. 862 1. 042
Method 2 19380 27. 997 27. 802 1. 042
Method 3 19380 27. 997 27. 814 1. 042
500m MODIS地表温度方差
Variance of 500m MODIS LST
平均绝对误差
Mean absolute error
均方根误差
Root mean square error
截距
Intercept
斜率
Slope
决定系数
Coefficient of determination
0. 732 0. 574 0. 786 14. 681 0. 471 0. 449
1. 152 0. 752 1. 002 9. 144 0. 666 0. 363
0. 711 0. 536 0. 754 14. 182 0. 487 0. 509
摇 摇 1km MODIS 地表温度的均值为 27. 831 益, 方差为 0. 715
7694摇 17 期 摇 摇 摇 聂建亮摇 等:基于地表温度鄄植被指数关系的地表温度降尺度方法研究 摇
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图 5摇 500m ETM LST和降尺度 500m MODIS LST散点图
Fig. 5 摇 Scatter plots of 500m ETM LST versus downscaled 500m MODIS LST generated by the downscaling methods. The perfect
agreement gray line (1颐1) is also plotted
4摇 结论
本文首先利用 3 种不同转换关系的 TsHARP 方法将 MODIS LST 从 1km 降尺度到 500m,对降尺度
LSTMODIS,500m图像和原始 LSTMODIS,1km图像,降尺度 LSTMODIS,500m图像和 LSTETM,500m进行视觉上的定性对比后,再用
LSTETM,500m作为地表温度真实值对降尺度 LSTMODIS,500m图像的降尺度效果进行定量统计验证,分析 3 种不同的
TsHARP降尺度方法的降尺度效果及其精度。
对降尺度图像 LSTMODIS,500m和原始的 LSTMODIS,1km进行视觉上的分析对比,发现在不同土地覆盖类型之间,
与原始图像相比,降尺度图像更加精细刻画了地表温度的空间差异性,体现了更多的空间细节,同一种土地覆
盖类型内部的空间差异性在降尺度图像上也更明显。 同样,降尺度 LSTMODIS,500m图像可以捕捉到大部分
LSTETM,500m图像在空间上的地表温度的信息。 用 LSTETM,500m作为地表温度真实值对降尺度 LSTMODIS,500m图像的
降尺度效果进行定量统计验证表明,所有降尺度 LSTMODIS,500m的均值均接近于 LSTETM,500m均值,方法 2 的 S2值
最大,并且最接近于 LSTETM,500m的 S2值,说明方法 2 很好地再现了 LSTETM,500m在空间上的分布格局,产生了较大
的地表温度空间变异,方法 3 的 MAE和 RMSE最小,分别为 0. 536益和 0. 754益,降尺度的结果非常接近于实
际的地表温度值,降尺度的效果令人满意。 总体上讲,3 种方法的各个统计参数反应出的降尺度结果都是较
令人满意的,3 种方法产生的降尺度 LSTMODIS,500m与实际的地表温度之间的差异很小,相互吻合程度较高,降尺
度图像均可以应用于其它的模型的运算。
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9694摇 17 期 摇 摇 摇 聂建亮摇 等:基于地表温度鄄植被指数关系的地表温度降尺度方法研究 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 31,No. 17 September,2011(Semimonthly)
CONTENTS
Marine ecological capital: valuation of standing stock of marine living resources
REN Dachuan,CHEN Shang,XIA Tao, et al (4805)
………………………………………………………
………………………………………………………………………………
Effect of Endophytic fungi on growth and photosynthetic characteristics of Achnatherum sibiricum
JIA Tong,REN Anzhi,WANG Shuai,et al (4811)
………………………………………
…………………………………………………………………………………
Based on image processing technology estimatingleaves stomatal density of Populus euphratica and analysis of its ecological
significance JIAN Shengqi, ZHAO Chuanyan, ZHAO Yang, et al (4818)………………………………………………………
Evaluation of the ecological instream flow in the Yellow River basin with hydrological alterations
ZHANG Qiang, LI Jianfeng, CHEN Xiaohong, et al (4826)
………………………………………
………………………………………………………………………
The ecological effects of Suaeda salsa on repairing heavily degraded coastal saline鄄alkaline wetlands in the Yellow River Delta
GUAN Bo, YU Junbao, LU Zhaohua, et al (4835)
………
…………………………………………………………………………………
Toxicity risks to the closed tidal flat ecosysten of a PCBs waste savepoint at the coast of Zhejiang
HE Shanying,CHEN Kunbai (4841)
……………………………………
…………………………………………………………………………………………………
Methane emission from a Carex鄄dominated wetland in Poyang Lake HU Qiwu, ZHU Lili, XING Ruixin, et al (4851)………………
The study on Ice鄄fish Resources in the Three Gorges Reservoir SHAO Xiaoyang,LI Daofeng, TAN Lu,et al (4858)…………………
Effects of acute cold stress onserum biochemical and immune parameters and liver HSP70 gene expression in GIFT strain of Nile
tilapia (Oreochromis niloticus) LIU Bo, WANG Meiyao, XIE Jun, et al (4866)…………………………………………………
Acute toxicityand effect of Cd2+ on life table demography of Brachionus angularis and Keratella valga
XU Dandan, XI Yilong, MA Jie, et al (4874)
…………………………………
……………………………………………………………………………………
The association of BDNF gene polymorphisms with normal behavior traits in house鄄hold sika deer (Cervus nippon)
L譈 Shenjin, YANG Yan, WEI Wanhong (4881)
……………………
……………………………………………………………………………………
Characteristics and controlling factors of photosynthesis in a maize ecosystem on the North China Plain
TONG Xiaojuan, LI Jun, LIU Du (4889)
………………………………
……………………………………………………………………………………………
The soil macrofaunal community structure under a long鄄term fertilization in wheat field
GU Yanfang, ZHANG Li, DING Shengyan, et al (4900)
………………………………………………
…………………………………………………………………………
Effect of earthworms on the photosynthetic characteristics of wetland plants and their capacity to purify wastewater
XU Defu, LI Yingxue, WANG Ranghui, et al (4907)
……………………
………………………………………………………………………………
Toxicity of three pesticides and their effects on carboxylesterase activity of Propsilocerus akamusi FANG Guofei (4914)………………
Reproductive behavior character and sexual tendency of the adult Zeuzera leuconotum Butler (Lepidoptera: Cossidae)
LIU Jinlong, ZONG Shixiang, ZHANG Jintong, et al (4919)
………………
………………………………………………………………………
Effects of herbicides stress on the population of alligator weed flea beetles, Agasicles hygrophila (Col. : Chrysomelidae) and
corresponding strategies LIU Yufang, PENG Meifang, WANG Chengchao, et al (4928)…………………………………………
Patterns of fruit and seed production and ecological significance in desert species Eremosparton songoricum (FABACEAE)
SHI Xiang,WANG Jiancheng,ZHANG Daoyuan,et al (4935)
…………
………………………………………………………………………
Effect of different nitrogen supply on the temporal and spatial distribution and remobilization of canopy nitrogen in winter wheat
under limited irrigation condition HAO Baozhen, JIANG Lina, FANG Baoting, et al (4941)……………………………………
Plant architecture characteristics of Haloxylon ammodendron and Haloxylon persicum in Zhungar Basin
WANG Lijuan,SUN Dongyuan, ZHAO Chengyi,et al (4952)
………………………………
………………………………………………………………………
Downscaling land surface temperature based on relationship between surface temperature and vegetation index
NIE Jianliang,WU Jianjun,YANG Xi, et al (4961)
………………………
…………………………………………………………………………………
Differential characteristics of soil 啄15N under varying vegetation in karst areas
WANG Zhijun, LIANG Xuan, HE Qiufang, et al (4970)
…………………………………………………………
…………………………………………………………………………
Effect of nitrogen application rate on growth and leaf photosynthetic characteristics of Jatropha curcas L. seedlings
YIN Li, HU Tingxing, LIU Yongan, et al (4977)
…………………
…………………………………………………………………………………
Seasonal variations in leaf C, N, and P stoichiometry of typical plants in the Yangou watershed in the loess hilly gully region
WANG Kaibo, SHANGGUAN Zhouping (4985)
………
……………………………………………………………………………………
Clonal integration enhances the ability to scavenge reactive oxygen species in root of Cynodon dactylon subjected to submergence
LI Zhaojia,YU Jie,FAN Dayong,et al (4992)
……
………………………………………………………………………………………
Pattern oflow鄄covered sand鄄fixing woodland and its windbreak effect YANG Wenbin, DONG Huilong, LU Qi, et al (5000)…………
Evaluation of soil and water conservation capacity of different forest types in Dongling Mountain
MO Fei, LI Xuyong, HE Shuxia, et al (5009)
………………………………………
……………………………………………………………………………………
Changes in structural components and respiration rates of coarse woody debris at the initial decomposition stage for 11 temperate
tree species ZHANG Limin,WANG Chuankuan, TANG Yan (5009)………………………………………………………………
Characteristics of nutrient cycling in first and second rotations of Chinese fir plantations
TIAN Dalun,SHEN Yan, KANG Wenxing, et al (5025)
………………………………………………
……………………………………………………………………………
The optimal design of a connected nature reserve network WANG Yicheng (5033)……………………………………………………
Sub鄄areas compartmentalization of Changjiang Estuary based on the natural geographical characteristics
LIU Lusan, ZHENG Binghui, MENG Wei, et al (5042)
………………………………
……………………………………………………………………………
The environmental and economic influence of coal鄄electricity integration exploitation in the Xilingol League
WU Di, DAI Fangzhou, YAN Yan, et al (5055)
…………………………
……………………………………………………………………………………
Review and Monograph
The influence of diversity changes of ecological conditions on the survival of honey bees
HOU Chunsheng, ZHANG Xuefeng (5061)
………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
Scientific Note
The spatio鄄temporal change in the secondary production of macrozoobenthos in the intertidal zone of Jiaozhou Bay
ZHANG Chongliang, XU Binduo, REN Yiping, et al (5071)
……………………
………………………………………………………………………
The studying system construction of wetland parks WANG Lilong, LU Lin (5081)……………………………………………………
Ecological footprint analysis of a semi鄄arid grassland region facilitates assessment of its ecological carrying capacity: a case study
of Xilinguole League YANG Yan, NIU Jianming, ZHANG Qing,et al (5096)……………………………………………
2009 年度生物学科总被引频次和影响因子前 10 名期刊绎
(源于 2010 年版 CSTPCD数据库)
排序
Order
期刊
Journal
总被引频次
Total citation
排序
Order
期刊
Journal
影响因子
Impact factor
1 生态学报 11764
2 应用生态学报 9430
3 植物生态学报 4384
4 西北植物学报 4177
5 生态学杂志 4048
6 植物生理学通讯 3362
7
JOURNAL OF INTEGRATIVE
PLANT BIOLOGY
3327
8 MOLECULAR PLANT 1788
9 水生生物学报 1773
10 遗传学报 1667
1 生态学报 1. 812
2 植物生态学报 1. 771
3 应用生态学报 1. 733
4 生物多样性 1. 553
5 生态学杂志 1. 396
6 西北植物学报 0. 986
7 兽类学报 0. 894
8 CELL RESEARCH 0. 873
9 植物学报 0. 841
10 植物研究 0. 809
摇 绎《生态学报》 2009 年在核心版的 1964 种科技期刊排序中总被引频次 11764 次,全国排名第 1; 影响因
子 1郾 812,全国排名第 14;第 1—9 届连续 9 年入围中国百种杰出学术期刊; 中国精品科技期刊
摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 31 卷摇 第 17 期摇 (2011 年 9 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
摇
(Semimonthly,Started in 1981)
摇
Vol郾 31摇 No郾 17摇 2011
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