GBT 43997.2-2024 地表温度热红外遥感反演 第2部分：分裂窗法标准立项发展报告

地表温度热红外遥感反演第2部分：分裂窗法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:LandSurfaceTemperatureThermalInfraredRemoteSensingRetrieval—Part2:Split-WindowAlgorithm摘要地表温度（LandSurfaceTemperature,LST）是全球能量平衡、水循环和气候变化研究中的核心地球物理参数，对农业旱情监测、城市热环境评估、生态环境监测等国民经济关键领域具有重要的应用价值。热红外遥感技术是获取大范围、连续地表温度数据的主要技术手段，而分裂窗算法凭借其物理基础明确、反演精度高、输入参数易于获取等优势，成为当前应用最为广泛的地表温度反演方法。然而，长期以来我国缺乏针对分裂窗法地表温度热红外遥感反演的专项国家标准，导致不同数据源、不同技术路线反演的产品在精度评定、真实性检验和交叉验证等方面缺乏统一规范，严重制约了遥感产品的业务化应用与共享。为满足国家对高分对地观测体系建设标准化需求，国家标准化管理委员会于2024年4月25日批准发布了GB/T43997.2-2024《地表温度热红外遥感反演第2部分：分裂窗法》国家标准，并于2024年11月1日正式实施。该标准明确了分裂窗法地表温度热红外遥感反演的基本原理、技术流程、输入数据要求、反演方法、质量控制、精度评定及产品要求等内容，填补了我国在该领域的标准空白，对于推动国产热红外卫星数据的定量化应用和遥感产品标准化生产具有里程碑式的重要意义。关键词：地表温度；热红外遥感；分裂窗算法；国家标准；遥感反演；定量遥感Keywords:LandSurfaceTemperature;ThermalInfraredRemoteSensing;Split-WindowAlgorithm;NationalStandard;RemoteSensingRetrieval;QuantitativeRemoteSensing1引言1.1研究背景地表温度（LST）是描述地表与大气之间能量交换和水分循环过程的关键参数，是研究全球气候变化、地表辐射平衡、水循环过程以及陆面过程模型的重要驱动数据。在全球变暖背景下，高精度地表温度数据的获取已成为气候变化评估、极端天气预警以及可持续发展战略制定的迫切需求。与传统的站点观测相比，热红外遥感技术可获取空间连续、时间同步的面状地表温度信息，是当前获取全球和区域尺度地表温度最有效、最经济的技术手段。分裂窗算法（Split-WindowAlgorithm）是利用热红外通道中两个相邻大气窗口通道（通常位于10.5~12.5μm区间）的辐射亮度差异来消除大气影响的一类地表温度反演算法。自1984年Price首次将分裂窗技术引入地表温度反演以来，该技术历经了四十余年的发展与完善，已从早期针对海表温度的经验算法发展为面向陆表温度反演的多种形式化方法体系，包括线性分裂窗、非线性分裂窗、多参数化分裂窗等。由于其在反演精度与输入参数需求之间取得了良好的平衡，分裂窗法已成为MODIS、VIIRS、AVHRR、SLSTR以及我国风云系列卫星（FY-3、FY-4）和陆地生态系统碳监测卫星等主流传感器的标准地表温度产品算法。1.2标准制定必要性先进的技术发展水平与相对滞后的标准化工作之间的矛盾日益突出。具体表现为：第一，随着我国自主热红外对地观测体系的持续完善——包括风云系列气象卫星、高分五号环境监测卫星、SDGSAT-1可持续发展科学卫星以及规划中的陆地生态系统碳监测卫星等——不同载荷、不同算法生产的地表温度产品在精度指标、产品格式、质量控制方法等方面缺乏统一规范，严重影响了数据的可比性和互操作性。第二，在精度评定与真实性检验环节，国内各团队多参照国际上MODIS产品验证规范和CEOSLPV（CommitteeonEarthObservationSatellites,LandProductValidation）框架开展工作，缺乏适合中国地表异质性特征的标准方法体系，导致不同来源的地表温度产品精度评价结果不具可比性。第三，随着地表温度产品在农业干旱监测、城市热岛效应分析、森林火灾预警、地热资源勘探以及人体健康风险预警等业务领域的深入应用，用户端对产品质量的一致性和可追溯性提出了更高要求，亟需建立从数据输入、算法处理到产品输出的全流程标准化技术规范。在上述需求背景下，全国遥感技术标准化技术委员会（SAC/TC327）提出了《地表温度热红外遥感反演》系列标准的制定计划。其中，第1部分规定了通用规范，包括术语定义、基本技术要求、产品分级与检验的通用框架；本部分即第2部分，针对分裂窗法这一技术分支给出具体的技术规范要求。该标准的研制与发布是对当前遥感技术发展需求的直接响应，也是落实《国家标准化发展纲要》、推动"标准化+科技创新"深度融合的具体举措。1.3标准编制原则本标准的编制遵循以下基本原则：-科学性：以电磁波辐射传输理论和大气科学基本原理为物理基础，基于公开发表的经同行评议的学术文献中的分裂窗反演方法，确保技术路线的科学严谨；-适用性：充分考虑我国陆面状况的多样性和复杂性（包括不同气候带、多地形条件、复杂下垫面类型），在算法比选和参数设定上兼顾不同区域的应用需求；-协调性：与GB/T43997.1-2024等系列标准保持术语定义、技术框架和质量分级的一致性，并参考ISO/TC211地理信息标准和CEOSLPV真实性检验指南等国际规范，力求与国际标准化体系接轨；-可操作性：标准条文明确具体，算法公式、输入参数要求和精度指标均经实验验证，便于各级遥感应用部门和数据处理专业人员按照统一技术流程执行。2标准范围与核心内容2.1标准适用范围GB/T43997.2-2024规定了基于分裂窗法开展地表温度热红外遥感反演的技术要求，适用于利用具有两个及以上热红外通道的星载热红外遥感器获取的辐亮度数据，反演陆地区域（含水体和冰雪覆盖区域）地表温度的过程。标准所适用的传感器平台包括极轨和静止轨道卫星上搭载的具有分裂窗通道配置的热红外成像仪，如MODIS、VIIRS、AVHRR/3、SLSTR以及我国风云三号系列中分辨率光谱成像仪（MERSI）和风云四号多通道扫描成像辐射计（AGRI）等。标准的使用对象涵盖遥感数据产品生产机构、科研院所、高校以及面向国土、气象、农业、环保、减灾等行业的遥感应用服务单位，为其开展分裂窗法地表温度产品生产提供统一的技术准则。2.2规范性引用文件本标准的实施引用以下规范性文件：-GB/T43997.1地表温度热红外遥感反演第1部分：通用规范-GB/T35221地面气象观测规范地面气象观测记录薄-GB/T36296遥感产品真实性检验导则-ISO19101-1地理信息参考模型第1部分：基础2.3术语和定义为统一标准使用各方对关键概念的理解，标准在前引部分对以下术语进行了规范性定义：-地表温度（LandSurfaceTemperature）：地表（包括植被冠层、土壤表层、城市建筑表面等）与其上方大气直接接触界面的温度，以开尔文（K）为单位；-分裂窗算法（Split-WindowAlgorithm）：利用两个相邻热红外通道（中心波长位于10~13μm大气窗口区间）对大气水汽吸收差异的敏感性，通过两个通道亮度温度的线性或非线性组合消除大气影响、反演地表温度的方法；-亮度温度（BrightnessTemperature）：辐射亮度经普朗克函数逆变换得到的等效黑体温度；-地表比辐射率（LandSurfaceEmissivity）：地表物体在热红外波段出射辐射与同温度黑体辐射之比，系分裂窗反演的关键输入参数。2.4缩略语标准中涉及的缩略语包括：LST（LandSurfaceTemperature，地表温度）、BT（BrightnessTemperature，亮度温度）、LSE（LandSurfaceEmissivity，地表比辐射率）、NDVI（NormalizedDifferenceVegetationIndex，归一化差异植被指数）、FVC（FractionalVegetationCover，植被覆盖度）、WVC（WaterVaporContent，大气水汽含量）、RMSE（RootMeanSquareError，均方根误差）等。2.5反演方法与技术流程本章节为标准的规范性核心技术内容，规定了分裂窗法反演地表温度的技术流程和具体步骤。标准将分裂窗法反演地表温度的技术流程划分为五个关键环节，即：输入数据预处理、地表比辐射率估算、分裂窗系数确定、地表温度反演计算、产品质量控制与输出。各环节环环相扣，共同构成完整的分裂窗反演技术链条。2.5.1输入数据预处理输入数据包括：星载热红外遥感器的辐射定标产品（含两个分裂窗通道的辐亮度数据）和配套的地理定位产品。标准要求输入数据须经过严格的辐射定标和几何校正，辐射定标不确定度优于0.5K（目标要求，即扩展不确定度在95%置信水平下达0.5K以内），几何定位误差不超过一个像元。对于除云污染像元，标准要求采用基于辐射传输模拟的云检测方法，并结合多通道阈值测试进行云污染剔除，确保反演像元的晴空有效性。2.5.2地表比辐射率估算地表比辐射率是分裂窗算法的关键输入，其误差直接影响地表温度的反演精度——研究表明，比辐射率0.01的绝对误差可导致地表温度约0.5~1.0K的反演偏差。标准推荐三种比辐射率确定方法，并按优先级和使用条件进行规范：-方法一：基于分类查找表法，即依据土地利用/土地覆盖类型（如水体、森林、草地、农田、裸地、城市建筑区、冰雪等）在热红外通道的典型比辐射率光谱特征确定像元比辐射率，适用于下垫面类型较为单一的大尺度应用场景；-方法二：基于NDVI阈值法，即利用NDVI估算植被覆盖度（FVC），结合植被和裸土的比辐射率通过线性混合模型计算像元有效比辐射率，适用于具有可见光-近红外通道的传感器；-方法三：基于昼夜温差法（Temperature-IndependentSpectralIndices,TISI）或多角度观测法等替代方法，适用于无法直接获取地表覆盖类型或NDVI数据的情况。2.5.3分裂窗系数确定标准规定：分裂窗系数可采用理论推导、统计回归或在两者基础上进行区域化校正的方式确定，并对系数确定的验证要求作了明示——反演结果须与独立的实测地表辐射温度数据进行比较验证。对于大气水汽含量较高（WVC>3g/cm²）或大气层结不均匀的观测条件，标准建议在传统线性分裂窗基础上引入水汽修正项，即采用非线性分裂窗形式以降低高湿条件下的大气校正残差。标准同时推荐了三种典型的分裂窗算法表达形式及其适用条件，并提供了系数标定的参考流程。2.5.4地表温度反演计算在完成上述预处理和参数估算的基础上，按所选定的分裂窗形式计算地表温度。标准以资料性附录形式给出了典型分裂窗算法的计算示例和系数参考值，便于不同应用条件的用户选择合适的算法实例和参数方案。2.5.5质量控制与产品输出-输入数据质量标识（含辐射定标状态、云检测结果）；-比辐射率估算不确定性标识；-分裂窗反演标识（含大气水汽含量范围、反演迭代收敛状态）；-综合质量评分（分为优/良/差三级，以置信度编码表示）。2.6精度评定精度评定是标准的核心实施环节。标准规定在以下条件中选取检验场开展真实性检验：（a）地表均质性强且在热红外波段空间异质性低；（b）下垫面类型在卫星过境前后短时间内保持稳定；（c）非晴空条件时应另选满足条件的影像。检验方法采取以实测地表温度（通过辐射传输方程法或实测比辐射率与辐射温度联合反演获得）为参考，对分裂窗反演结果进行对比统计。标准对精度评定的统计指标作出如下要求：以均方根误差（RMSE）为主要评价指标，以平均偏差（Bias）为辅助评价指标。对检验场内的有效样本，标准要求至少不低于30个有效验证样本点，以保证统计结果的可靠性。最终反演精度须满足：在大多数晴空条件下，RMSE不高于2.0K；在均一地表、大气状况良好的理想条件下，RMSE不高于1.5K。3标准实施意义3.1推动国产卫星数据定量化应用我国已建成由风云极轨和静止系列、高分系列、资源系列等构成的热红外对地观测体系，获取能力已位居世界前列。然而，国产热红外数据地表温度产品的标准化程度与国际先进水平尚有差距，制约了数据的深层次应用与国际化共享。GB/T43997.2-2024的实施，为国产热红外载荷的分裂窗地表温度反演提供了统一的技术规范，使风云三号MERSI、高分五号VIMS等载荷在算法优选、产品生产和精度评估方面有据可依，将有效衔接"数据获取—产品生产—应用服务"的完整价值链，推动国产遥感数据从"好用"走向"用好"。3.2促进遥感产品真实性检验规范化真实性检验是衡量遥感产品精度和可靠性的关键环节，也是当前定量遥感产品应用可信度建设的核心抓手。本标准将真实性检验的技术要求融入地表温度产品的生产流程，对检验场选择、样本确定、评价指标、质量控制等环节作出系统规定，与GB/T36296《遥感产品真实性检验导则》和CEOSLPV国际验证框架形成衔接，有力地推动了我国遥感产品真实性检验工作的规范化、制度化和国际化。3.3支撑行业应用与科学决策4主要起草单位本标准由全国遥感技术标准化技术委员会提出并归口，由中国农业科学院农业资源与农业区划研究所等多家优势单位联合起草。中国农业科学院农业资源与农业区划研究所（以下简称"资划所"）是本标准的核心起草单位之一，长期从事农业遥感机理、农业资源遥感反演方法与农情监测应用研究。承担了国家高分专项"高分农业遥感监测与预应用示范"等重大工程任务，在热红外遥感地表温度反演方面积累了系统的研究成果和丰富的应用实践经验。资划所在本标准编制过程中承担了以下主要工作：（1）牵头开展分裂窗法地表温度反演算法的国内外文献调研与技术比对，梳理了自分裂窗算法提出以来数十种代表性方法的优缺点和适用条件；（2）组织开展基于多个试验场区（包括河北怀来、河南新乡、吉林公主岭等农业遥感真实性检验站）的地面同步试验，对候选算法进行了系统验证，为标准中算法选择、精度指标和检验方法的确定提供了核心数据支撑；（3）承担标准文本中算法参数确定和质量控制流程的设计与撰写；（4）参与标准征求意见和送审阶段的技术协调与修改完善。5结论与展望GB/T43997.2-2024《地表温度热红外遥感反演第2部分：分裂窗法》作为我国地表温度遥感反演领域系列标准的重要组成部分，填补了分裂窗法技术应用和产品生产的标准空白，标志着我国热红外遥感定量化应用标准化工作迈上了新台阶。标准的实施将为热红外遥感地表温度产品从算法研究走向业务化生产和规模化应用提供统一的技术遵循和质量管理依据。展望未来，随着我国新型热红外载荷的持续部署、人工智能技术在遥感反演领域的深入渗透以及"双碳"战略对高精度地表温度产品的迫切需求，地表温度遥感反演的标准化工作仍将面临新的挑战与发展机遇。后续应加快推进系列标准的配套完善——在城市地表温度反演、组分温度反演（如植被冠层温度与土壤温度分离）、非晴空条件下地表温度反演、多源数据融合地表温度重建等方向适时布局新标准研制。同时，应积极推动我国地表温度反演标准与国际标准化组织（ISO）和