🌡️ 反演地表温度（LST）· 操作手册 [Landsat-8/9]

Version: 1.0.0（与当前 UI/代码实现一致） 面板位置：反演地表温度（LST）[Landsat] 核心实现：tab_landsat2lst.py（UI） + calculation_modules/LST_landsat_processor.py

[1] 功能概述

本模块用于从 Landsat 8/9 Level-2 产品快速反演地表温度（LST）并批量写出 GeoTIFF。支持一键导入 .tar/.tar.gz 原始下载包，自动解压、定位所需波段/掩膜，按需应用云掩膜与基于 NDVI 的发射率 ε 推估，并输出 ℃（摄氏度）或 K（开尔文） 的栅格结果。处理过程具备异步执行、进度条与日志，可并行批处理多景影像。

[2] 面板与数据

USDA-GeoProdStudio

USDA-GeoProdStudio

②-1 选择 Landsat 源数据

  • 📁 选择文件夹：一次性导入目录内所有 .tar/.tar.gz。
  • ➕ 添加文件：多选导入若干包。
  • ➖ 移除选中：删除列表中的条目。
  • 列表中每个条目会显示产品信息（平台/处理级别/是否支持）以便筛选。

支持性：当前实现仅对 Landsat-8/9（LC08/LC09）Level-2（L2SP） 做“✅ 支持反演”提示；其它平台/级别标注为“❌ 暂不支持”。L1TP 等不在本模块默认流程内。

②-2 保存目录

  • 指定所有输出的统一保存位置，缺省将写入该目录下的若干 LST 栅格。

②-3 参数区（可选）

  • 🌿 使用 NDVI 推导发射率 ε（默认：开） 若所述影像包内包含 NDVI 成品层（常见于 L2SP 附属产品），将按 NDVI 估算像元级发射率；若缺失 NDVI，则回退到常数发射率。
  • ☁️ 应用云掩膜（默认：开） 若包内包含 Fmask 掩膜层（值==0 视为“晴空/有效”），将以其过滤云/云影等无效像元。

②-4 输出单位

  • 摄氏度 (°C) 或 开尔文 (K)。 说明：当前实现 K 输出不做 ×10 缩放，直接以 float32 写出；界面文案如提示 K×10，请以此处说明为准。

②-5 执行与监控

  • ▶ 开始反演：逐条目提交到线程池执行，进度条（0–100）与日志区域实时反馈状态；每个任务完成会打印输出路径。
  • 进度条：模块级百分比（若列表多条，进度会按条目轮流覆盖显示）。
  • 日志：打印“开始/统计/保存/完成/错误”等关键事件。

[3] 输入/输出与参数（一览）

字段/控件 类型 必填 默认 说明
Landsat 文件列表 .tar / .tar.gz ✓ — 支持多选批量；仅 LC08/LC09 的 L2SP 建议用于反演
保存目录 目录 ✓ — 所有结果统一写入
🌿 使用 NDVI 推导 ε 复选 否 开 若包内有 NDVI，将像元级估算 ε；否则回退常数 ε
☁️ 应用云掩膜 复选 否 开 依赖 Fmask（值==0 为有效）
输出单位 下拉 否 摄氏度 (°C) 也可选 K（不缩放）
运行日志 只读 — — 打印进度/统计/错误/输出路径

输出文件（每景一套）

  • …_LST_C.tif（℃；float32, nodata=NaN）或 …_LST_K.tif（K；同上）
  • 均保留原始空间参考/分辨率/范围，写出为单波段 GeoTIFF。

[4] 处理流程与内部机制

④-1 自动展开与路径推断

对每个 .tar/.tar.gz：

  1. 解压到临时目录（位于保存目录下，以包名命名）。

  2. 自动搜索：

    • 热红外亮温：*ST_B10.TIF（L2SP 的 Surface Temperature Band 10）
    • NDVI 成品层：文件名含 NDVI（可选）
    • Fmask 云掩膜：文件名含 Fmask（可选）

  3. 若未找到 ST_B10，该条目报错并跳过。

也支持直接把 ST_B10.TIF 作为输入（非 tar），此时仍按相同逻辑继续。

④-2 有效像元与掩膜

  • 基础有效像元：brightness_temp > 0 且数值有限（finite）。
  • 云掩膜（若启用且存在 Fmask）：仅保留 Fmask == 0 的像元。
  • NDVI 有效性：若启用“NDVI→ε”且存在 NDVI 栅格，将其有限像元并入有效掩膜。

④-3 发射率 ε

  • NDVI-PV 法（启用且 NDVI 存在时）：

    1. 计算像元级植被分数 pv = ((ndvi - ndvi_min)/(ndvi_max - ndvi_min + 1e-6))^2（在影像内按有效像元取 min/max）；
    2. 估算 ε = 0.004 * pv + 0.986；
    3. 裁剪到 [0.95, 0.99]。

  • 常数 ε（否则）：0.97（全局）。

说明：当前实现中 ε 仅作为诊断/占位推估，主公式对 ε 的显式修正未展开（详见下节“公式说明”中的拓展式）。在多数 L2SP 项目中，ST_B10 已为亮温/表温的标称量，实践中该 ε 的像元级估计仍有助于质量检查或后续改进。

④-4 LST 计算与单位

  • 从 ST_B10 读入亮温（内部作为 brightness_temp）；
  • 当前实现采用 线性系数 近似换算到 K： [ \mathrm{LST}_{K} = 0.00341802 \times \mathrm{brightness_temp} + 149 ]
  • 若选择 ℃： [ \mathrm{LST}{^\circ C} = \mathrm{LST}{K} - 273.15 ]
  • 对无效像元写入 NaN。

注：不同数据源/版本在 ST_B10 的量纲、缩放与偏置上可能差异。上述系数源于当前代码实现；如换用其它 L2 版本，建议核对产品元数据（MTL/QA 文档）并在后续版本中做参数化/自适配。

④-5 写出与清理

  • 以 float32、nodata=NaN 写出到保存目录；文件名： 原始名（或包名） + "_LST_C.tif" / "_LST_K.tif"。
  • 任务完成后自动删除临时解压目录（带多次重试，避免文件句柄占用）。

[5] 公式与解释

⑤-1 NDVI-PV-ε（可选）

  • NDVI：来自包内 NDVI 栅格（若存在）；剪裁到 [-1, 1]。
  • 植被分数： [ p_v = \left(\frac{\mathrm{NDVI}-\min(\mathrm{NDVI})}{\max(\mathrm{NDVI})-\min(\mathrm{NDVI})+10^{-6}}\right)^2 ]
  • 地表发射率： [ \varepsilon = 0.004,p_v + 0.986,\quad \varepsilon \in [0.95, 0.99] ]

若业务需要显式使用 ε 进行亮温→地表温度的大气/地表发射率改正（如单窗/单通道模型），可在后续版本将 ε 代入更完整的辐射传输近似式；当前实现保持简化稳定的线性换算，并把 ε 作为改进接口保留。

⑤-2 亮温到地表温度（当前实现近似）

  • 由 ST_B10（亮温/标称表温）线性映射至 K： [ \mathrm{LST}_K = a \cdot \mathrm{BT} + b \quad (\text{现用 } a=0.00341802,, b=149) ]
  • 转 ℃： [ \mathrm{LST}{^\circ C} = \mathrm{LST}{K} - 273.15 ]

若在你的生产数据中 ST_B10 已为物理开尔文（常见于部分 L2 版本），可将 a=1, b=0；本模块未来会加入“从 MTL 自动读取缩放系数”的路径以适配更多版本。

[6] 日志与状态

典型日志片段（每景）：

  • 🚀 开始处理：LC08_L2SP_...tar
  • 📊 地表温度统计（C/K）: min=..., max=...
  • ✅ 保存完成：D:/.../LC08_..._LST_C.tif
  • --- 处理完成 ---（单景任务结束）

如发生错误（缺少 ST_B10.TIF、无法写盘等），会打印 ❌ 错误：... 并继续处理队列中的下一景。

[7] 使用建议（实践经验）

  1. 数据级别：优先选择 LC08/LC09 Level-2（L2SP）。其它级别或旧产品的字段命名/标度可能不同。
  2. 云掩膜：在城市/山地/季节性云多区域建议开启 Fmask；若你的数据没有 Fmask，可后续在“指数/合并”环节叠加 QA_PIXEL 或自建云掩膜。
  3. NDVI→ε：对地表覆盖类型多样、背景起伏大的区域建议开启；若包内缺 NDVI，将自动退回常数 ε=0.97。
  4. 单位选择：多数制图/统计使用 ℃ 更直观；若要与能量平衡/物理模型对接，选 K。
  5. 批处理：可一次导入大量 .tar；如本机 IO 较慢，建议 50 景为一批（视硬盘/线程池而定）。
  6. 核验：输出后优先做一次温度统计与典型地物对比（水体最低、城区/裸地居中、裸岩/灰瓦屋面偏高、常绿林偏低），异常大多来自输入级别/标度不一致。
  7. 与 LC/指数联动：LST 常与 NDVI/BSI/NDBI 一起用于热环境/城市热岛/干旱诊断；可在“NPZ→TIF/合并索引”工具中统一到同一网格进行联合分析。

[8] 常见问题与排错

Q1. 日志提示“❌ 未找到 ST_B10.TIF 文件” A：说明该数据包不是 L2SP，或内部命名与预期不一致。请检查平台/级别，或手动将 ST_B10.TIF 作为输入（非 tar）。

Q2. 输出值明显偏高/偏低 A：不同数据源的 ST_B10 标度（缩放/偏置）可能不同。当前模块使用固定系数 (a,b) 近似换算；请核对产品文档（或 MTL）后按需在后续版本调整为“自动从 MTL 读取”。短期内你也可用外部工具将 ST_B10 先转换到物理 K，再让本模块以 a=1,b=0 处理。

Q3. 选择了“开尔文 (K×10)”但输出不是整型×10 A：当前实现输出 未做 ×10 缩放，以 float32 物理量表示。若需要 ×10 的整型产品，可在“NPZ→TIF”或外部流程中启用整型缩放（例如 ×100 或 ×10）。

Q4. 开启了 NDVI→ε 但日志没有相关提示 A：该包内可能没有 NDVI 栅格（或命名不含 “NDVI”），模块自动回退到常数 ε=0.97。可在上游流程计算 NDVI 后再合并入产品目录。

Q5. 输出范围有大片 NaN A：多由云掩膜/Fmask 导致。当 Fmask 很严格或本景云多时，有效像元会大幅减少。可暂时关闭云掩膜验证流程，或换用云量更低的时相。

[9] 参数与默认值（速查）

参数 默认 作用
apply_cloud_mask True 应用 Fmask（==0 为有效）
use_ndvi_emissivity True 启用 NDVI→ε（缺 NDVI 则回退 ε=0.97）
ε（常数模式） 0.97 无 NDVI 时的统一发射率
ε(NDVI) 0.004·pv + 0.986 pv 为 NDVI-min/max 归一后的平方
LST 映射系数 a,b a=0.00341802, b=149 LST_K = a·BT + b
输出 dtype float32 nodata=NaN

以上参数与实现保持一致。若你的工作流有明确的辐射传输/校正方案，可在后续版本中把 a,b 与 ε 修正替换为更完整的单窗/单通道模型。

[10] 最小工作流（建议操作顺序）

  1. 添加 .tar/.tar.gz（或直接添加 ST_B10.TIF）。
  2. 选择保存目录。
  3. 勾选 🌿 NDVI→ε 与 ☁️ 云掩膜（建议默认）。
  4. 选择输出单位（℃）。
  5. 点击 ▶ 开始反演，观察日志与进度。
  6. 完成后在 GIS 中快速检视统计与典型地物温度，确认结果合理。
  7. 若需与其它指数/地形/纹理合用，请到“合并索引 / NPZ→TIF”步骤统一网格导出。