GBT 43997.1-2024 地表温度热红外遥感反演 第1部分：单通道法标准立项发展报告

地表温度热红外遥感反演第1部分：单通道法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:LandSurfaceTemperatureThermalInfraredRemoteSensingRetrieval—Part1:Single-ChannelMethod摘要地表温度（LandSurfaceTemperature,LST）是地球系统能量平衡、水资源循环和气候变化研究中的核心地球物理参数，广泛应用于农业干旱监测、城市热环境评估、生态资源调查及全球变化研究等领域。热红外遥感技术为大范围、高时效地表温度获取提供了不可替代的技术手段，其中单通道法因其原理清晰、实现简便、适用性广而成为应用最为广泛的反演算法之一。然而，长期以来我国在地表温度热红外遥感反演领域缺乏统一的国家技术标准，导致不同数据产品之间的反演结果在精度评估、算法流程和质量控制等方面存在显著差异，严重制约了遥感产品的业务化应用和跨行业数据共享。为响应国家标准化战略及新型基础设施建设对高分遥感数据的迫切需求，依据《中华人民共和国标准化法》及相关政策文件，国家标准化管理委员会于2024年4月25日正式发布国家标准GB/T43997.1-2024《地表温度热红外遥感反演第1部分：单通道法》，并于2024年11月1日正式实施。本标准确立了基于单通道法的地表温度热红外遥感反演总体技术框架，规范了数据源选取、大气参数获取、地表比辐射率确定、反演流程、精度评价与质量控制的全链条技术要求，填补了我国在该领域的标准空白。本标准的发布实施将有效促进地表温度遥感产品生产的标准化、规范化和业务化，为灾害监测、精准农业、生态保护及气候变化研究提供坚实的技术支撑。关键词：地表温度；热红外遥感；单通道法；国家标准；反演；标准化Keywords:LandSurfaceTemperature;ThermalInfraredRemoteSensing;Single-ChannelMethod;NationalStandard;Retrieval;Standardization1引言1.1研究背景与意义地表温度作为地球系统关键参量之一，在气象预报、气候预测、农业估产、旱情监测、地热资源勘查以及城市热岛效应研究等众多领域具有不可或缺的作用。相较于传统气象站点观测方式，热红外遥感以其大范围同步观测能力实现了地表温度从"点"到"面"的跨越，成为获取区域乃至全球尺度地表温度信息的主要途径。热红外遥感反演地表温度的基本原理在于利用卫星传感器所接收的热红外辐射信号，结合大气辐射传输模型和地表辐射特性参数，从大气顶辐射亮度中剥离大气影响并反推真实地表温度。依据反演算法所利用的通道数量，现有方法主要分为单通道法、分裂窗法和多角度法等。其中，单通道法仅需一个热红外通道数据，配合大气廓线参数即可完成地表温度反演，应用门槛较低，在国产卫星数据（如LandsatTM/ETM+/TIRS、HJ-1BIRS等）的业务化处理中占据主导地位。然而，由于长期以来缺乏统一标准，不同生产单位在参数选取、算法细节和质量评价上各行其是，导致同类数据反演结果出现显著差异，难以实现产品间的交叉验证与融合应用。1.2标准化需求分析随着我国高分辨率对地观测系统重大专项（高分专项）、国家民用空间基础设施等重大工程的深入实施，国产热红外卫星数据源日益丰富，数据质量持续提升。在此背景下，遥感产品生产从科研探索走向业务化运行的转型需求愈发迫切，而标准的缺失已成为制约这一转型的关键瓶颈。具体而言，行业亟需：（1）统一单通道法反演地表温度的基本术语和定义，消除概念歧义；（2）明确反演过程中各环节的技术要求和操作流程，保障产品质量一致性；（3）建立科学的精度评估与质量控制技术规范，提升产品的可比性和可信度；（4）为后续分裂窗法、多角度法等系列标准的制定提供基础框架。1.3标准制定依据本标准依据《中华人民共和国标准化法》及相关法律法规制定，遵循GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的要求。同时，本标准的编制充分参考了国内外相关技术文献和已有规范性文件，包括国际标准化组织（ISO）相关标准以及中国气象局、中国科学院等机构发布的技术指南和行业规范，确保标准的科学性和协调性。1.4标准定位与适用范围GB/T43997.1-2024是国家标准《地表温度热红外遥感反演》系列标准的第1部分，归属于信息技术在自然科学中的应用分类。本标准确立了基于单通道法的地表温度热红外遥感反演的总体技术框架和基本技术流程，适用于利用具有单一热红外通道的星载遥感器（如Landsat系列、HJ-1B等）所获取的遥感数据进行地表温度反演生产。标准中界定的技术内容包括反演流程的总体结构、输入数据要求、关键参数的确定方法、反演实现步骤以及产品质量评价与控制要求等。1.5国内外标准化现状在国际层面，国际标准化组织（ISO）已发布少量与热红外遥感相关的标准文件，主要集中于传感器辐射定标和产品格式定义等方面，尚未形成针对地表温度反演方法本身的系统标准。美国、欧盟等主要遥感大国主要采用各自科研机构发布的算法理论文档（ATBD，AlgorithmTheoreticalBasisDocument）来约束数据产品生产流程，虽具有较高的科学严谨性，但缺少国家层面的标准化管理效力。在我国，随着遥感技术应用深化和标准化工作推进，全国遥感技术标准化技术委员会（SAC/TC327）等行业组织积极推动遥感产品标准体系建设。此前，我国已发布若干遥感数据产品和处理技术相关的国家标准和行业标准，但在高精度地表温度反演方法领域尚属空白。GB/T43997.1-2024的发布，填补了该领域国家标准的空白，是我国遥感标准化体系建设的重要里程碑。2标准编制原则与工作过程2.1编制原则本标准的编制遵循以下原则：（1）科学性原则。标准中规定的算法流程、参数确定方法等内容以公开发表的经同行评议的研究成果为基础，确保技术内容的科学性、合理性和可重复性。（2）适用性原则。标准充分考虑当前国内外主流热红外遥感数据源的技术特征和应用场景，兼顾方法的前瞻性与可操作性，为不同数据源的业务化应用留有合理的参数化空间。（3）协调性原则。标准在术语定义、技术要求等方面与已发布的相关国家标准和行业标准保持协调，避免冲突和重复。（4）规范性原则。标准的编写严格遵循GB/T1.1-2020规定的编写规则，确保标准文本的结构、表述和格式规范统一。2.2工作过程本标准的编制过程主要分为以下几个阶段：（1）预研阶段（2021年1月—2021年6月）。标准起草组系统调研了国内外地表温度热红外遥感反演的相关研究成果、技术规范和应用现状，梳理了单通道法的理论框架和已有算法实现情况，明确了标准的必要性和可行性，形成标准立项建议书。（2）立项阶段（2021年7月—2021年12月）。标准项目通过全国遥感技术标准化技术委员会（SAC/TC327）评审，经国家标准化管理委员会批准，正式列入国家标准制修订计划。（3）起草阶段（2022年1月—2022年12月）。起草组在前期调研基础上，编写了标准草案和编制说明，经多次内部研讨和专家咨询，逐步完善标准内容，形成征求意见稿。（4）征求意见阶段（2023年1月—2023年6月）。标准征求意见稿面向相关科研院所、高校、行业主管部门和企业广泛征求意见，共收到反馈意见，起草组逐条进行处理和答复，并对标准文本进行相应修改。（5）审查与报批阶段（2023年7月—2023年12月）。修改后的标准送审稿提交全国遥感技术标准化技术委员会审查，经技术审查通过后形成报批稿。（6）发布与实施（2024年）。2024年4月25日，国家市场监督管理总局（国家标准化管理委员会）正式批准发布GB/T43997.1-2024，自2024年11月1日起实施。3标准主要技术内容解析3.1术语和定义标准对单通道法地表温度反演所涉及的核心术语进行了统一界定，主要包括：-地表温度（landsurfacetemperature,LST）：指地球表面（包括土壤、植被冠层、水体等自然表面以及人工地物表面）的皮肤温度，是地表与大气界面能量交换的重要控制因子。-单通道法（single-channelmethod）：利用单个热红外通道的遥感观测数据，结合大气廓线信息（或等效大气参数）和地表比辐射率数据，通过求解大气辐射传输方程实现地表温度反演的方法。-大气廓线（atmosphericprofile）：描述大气温度、湿度（水汽含量）等参数随高度变化的垂直分布数据。-地表比辐射率（landsurfaceemissivity,LSE）：地表物体在特定波长处的辐射出射度与同温度黑体的辐射出射度之比，是影响热红外遥感反演精度的关键参数。-大气上行辐射（atmosphericupwellingradiance）：大气自身热辐射中到达传感器的部分。-大气下行辐射（atmosphericdownwellingradiance）：大气向地表方向的热辐射，其经地表反射后部分进入传感器。-大气透过率（atmospherictransmittance）：地表辐射在穿过大气到达传感器过程中的衰减比例。此外，标准还对"大气顶辐射亮度""亮温""辐射定标""大气水汽含量"等相关术语进行了定义，为后续技术内容的展开奠定了统一的术语基础。3.2反演总体技术框架标准构建了单通道法反演地表温度的总体技术框架，将反演流程划分为以下主要环节：1.数据准备：包括遥感数据获取与预处理、大气参数获取、地表比辐射率确定；2.辐射传输计算：利用大气廓线数据和辐射传输模型计算大气透过率、大气上行辐射和大气下行辐射等关键参数；3.地表温度反演：基于单通道辐射传输方程求解地表温度；4.精度评价：采用地面实测数据或交叉验证方法对反演结果进行精度检验；5.质量控制与产品输出：对反演结果进行质量标识，生成标准化的地表温度产品。3.3数据源选取与数据预处理遥感数据要求：标准对用于单通道法反演的热红外遥感数据提出了基本要求。传感器应具备稳定的辐射定标性能和良好的信噪比，热红外通道的光谱响应函数应已知且稳定。标准还对遥感数据的几何校正精度、辐射定标精度等提出了参考要求。大气数据要求：标准规定，单通道法反演所需的典型大气参数包括大气水汽含量、大气温度廓线和湿度廓线等。这些数据可从以下途径获取：（1）探空站观测数据；（2）大气再分析资料（如ERA5等）；（3）卫星大气反演产品；（4）标准大气模式。标准要求大气参数应与遥感观测时间匹配良好，并对数据精度和时空匹配容差提出要求。3.4关键参数的确定方法地表比辐射率的确定是单通道法中影响反演精度的最敏感因素之一。标准规定了以下主要确定途径：-对于均质地表（如水体、裸土等），可依据地表类型采用查表法确定比辐射率；-对于植被覆盖地表，推荐采用植被覆盖度法（即NDVI阈值法），根据不同植被覆盖度下的比辐射率混合模型计算等效比辐射率；-有条件时可采用反演方法或先验知识库方法获取更高精度的比辐射率数据。大气参数的获取与处理：标准推荐采用辐射传输模型（如MODTRAN等）结合大气廓线数据来计算大气透过率、大气上行辐射和大气下行辐射三个关键大气参数。当获取的大气廓线与卫星观测时间不完全匹配时，应进行时间插值处理，并对插值引入的误差进行评估。3.5单通道法反演流程在获取上述参数后，单通道法反演的核心计算流程概括如下：1.对遥感热红外通道数据进行辐射定标，将DN值转换为大气顶辐射亮度；2.基于地表比辐射率和Planck函数，建立大气顶辐射亮度与地表温度之间的辐射传输方程；3.将大气透过率、大气上行辐射和大气下行辐射代入辐射传输方程；4.通过数值求解方法（如Newton迭代法）求解地表温度。若引入大气水汽含量与大气参数之间的统计关系，可采用简化的参数化方案，减少对逐像元辐射传输模拟的计算需求，从而提高计算效率。标准在附录中给出了典型参数的参考取值和计算方法示例。3.6精度评价与质量控制标准规定了对反演结果进行精度评价的具体方法和要求：-精度评价应采用地面实测地表温度数据进行验证，实测数据需选择与卫星观测时间匹配良好的地面站点数据，并考虑像元尺度与地面观测尺度之间的空间代表性差异；-可采用交叉验证方法（与已验证的其他卫星反演产品进行对比）作为补充手段；-精度评价指标包括平均偏差（Bias）、均方根误差（RMSE）和相关系数（R）等；-标准对典型条件下的反演精度给出了参考指标：在晴空条件下，采用探空数据作为大气廓线输入时，单通道法反演地表温度的均方根误差应优于2.5K（具体精度与应用场景和输入数据质量相关）；-质量控制方面，标准要求对云污染像元、异常像元和边缘观测角度较大的像元进行标识和剔除或修正，并对输出产品给出逐像元的质量标识（QA）。3.7产品输出要求标准对地表温度产品的输出格式和内容提出了规范化要求。产品应至少在文件中记录以下关键信息：反演算法类型（单通道法）、输入遥感数据标识、大气数据来源、地表比辐射率数据来源、反演时间、投影方式、像元分辨率以及逐像元质量标识等元数据信息。4标准实施的意义与应用展望4.1标准实施的意义（1）推动国产遥感卫星数据产品标准化。标准的制定充分考虑了国产热红外遥感载荷的技术特点和数据格式，其实施将有效规范国产卫星地表温度产品的生产流程。（2）提升遥感产品间的一致性。通过统一反演流程和精度评价方法，标准的实施将推动不同生产单位、不同数据源的地表温度产品在算法层面实现统一，减少产品间系统性差异。（3）为行业应用提供可靠支撑。标准要求的精度评价和质量控制措施将有效提升地表温度产品的可靠性，为农业、气象、生态、环保等行业的业务化应用提供数据保障。（4）为系列标准奠定基础。本标准作为《地表温度热红外遥感反演》系列标准的第1部分，其框架和术语体系为后续分裂窗法、温度emissivity分离法等系列标准的制定提供了基础性和框架性支撑。4.2应用前景展望从技术发展态势来看，随着我国新一代静止轨道气象卫星（FY-4系列）、高分五号、陆地生态系统碳监测卫星等高光谱热红外载荷的陆续投入运行，地表温度遥感反演将迎来更加丰富的多源数据环境。本标准所确立的技术框架可方便地扩展到新型传感器数据的处理中。未来，随着人工智能和大数据技术的深入应用，地表温度反演算法也在向智能化方向演进，本标准的框架体系为新技术融合应用预留了接口。5标准主要起草单位介绍本标准在编制过程中汇聚了国内遥感领域多家顶尖科研机构的力量。其中，中国科学院空天信息创新研究院（AerospaceInformationResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,简称"空天院"）作为本标准的牵头起草单位，发挥了核心作用。中国科学院空天信息创新研究院于2019年由原中国科学院电子学研究所、光电研究院和遥感与数字地球研究所整合组建而成。作为我国空天信息领域规模最大、综合实力最强的国立研究机构之一，空天院在热红外遥感机理建模、地表温度/发射率反演理论、遥感产品真实性检验等方面具有深厚的研究积淀。研究团队长期承担国家高分辨率对地观测系统重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金重大项目等国家级科研任务，在单通道法、分裂窗法、温度/发射率分离等反演算法方面取得了一系列具有国际影响力的原创性成果。团队制备的全球高分辨率地表温度产品已被广泛应用于气候变化、生态监测和农业遥感研究。在本标准编制过程中，空天院牵头组织了全国多家优势单位的专家力量，系统梳理了国内外地表温度反演的研究进展和技术积累，通过与行