基于ETM+熱紅外波段的哈爾濱地區(qū)地表溫度反演算法研究

田 茜

(哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

陸面溫度(LST)是研究地表和大氣之間物質(zhì)交換和能量交換的重要參數(shù)［1-2］．陸面溫度在氣候?qū)W、水文學(xué)、生態(tài)學(xué)、生物化學(xué)的研究中具有重要的意義，如:進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)、氣候變化的研究［2-3］．陸面溫度也是土壤水分或者植被水分狀態(tài)的指示計(jì)．要獲取全球或者區(qū)域尺度的地表溫度的時(shí)空分布，只能依靠熱紅外遙感［4-5］．

前人在利用Landsat-5 TM數(shù)據(jù)的熱紅外波段反演地表溫度方面做了一些工作，但大多數(shù)的溫度反演方法是針對(duì)AVHRR和MODIS的．隨著遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，多種地表溫度反演算法相繼提出，目前國(guó)內(nèi)外地表溫度反演研究常用的算法主要包括:單窗算法、單通道算法、多通道算法、多通道角度法．該文基于2011年哈爾濱地區(qū)的landsat ETM+遙感影像以及輻射傳導(dǎo)方程算法對(duì)哈爾濱地區(qū)的地表溫度進(jìn)行反演，并對(duì)輻射傳導(dǎo)算法進(jìn)行評(píng)價(jià)．

1 研究地區(qū)和研究方法

1．1 研究區(qū)概況

哈爾濱市位于東經(jīng) 125°42'～130°10'、北緯44°04'～46°40'之間，地處黑龍江省南部．哈爾濱市的氣候?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，夏季占全年降水量的60%，集中降雪期為每年11月至次年1月．四季分明，冬季1月平均氣溫約零下19℃;夏季7月的平均氣溫約23℃．哈爾濱市境內(nèi)的大小河流均屬于松花江水系和牡丹江水系，哈爾濱水資源特點(diǎn)是自產(chǎn)水偏少，過(guò)境水較豐，時(shí)空分布不均，表征為東富西貧．

1．2 研究方法

輻射傳導(dǎo)方程法(RadiativeTransfer Equation，RTE法)，其基本思路和表達(dá)式可寫為:

式中，Isensor是熱輻射強(qiáng)度，單位為W·m-2·sr-1·μm-1;τ是大氣透射率;ε是地表比輻射率;B(TS)是用Plank函數(shù)得出的黑體熱輻射強(qiáng)度;Ts是地表溫度;Iatm↓和Iatm↑是大氣的下行和上行熱輻射強(qiáng)度．

Iatm↓、Iatm↑和τ可以通過(guò)同步觀測(cè)的無(wú)線電探空數(shù)據(jù)輸入大氣校正模型MODTRAN得出．只要知道地表輻射率，就可以由公式(1)求解B(TS)，通過(guò)推到得出地表溫度:

式中，K1、K2均為常量，K1=607．76 W·m-2·sr-1·μm-1，K2=1260．56 K．

輻射傳導(dǎo)方程算法(RTE)又稱大氣校正算法，此算法對(duì)地表溫度的反演是通過(guò)一些大氣輻射傳輸模型(如 MODTRAN系列、LOWTRAN系列、ATCOR或6S)根據(jù)實(shí)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)大氣廓線數(shù)據(jù)，估計(jì)大氣對(duì)地表熱輻射的影響，并且從遙感器所觀測(cè)到的熱輻射總量中剔除這部分的大氣影響，從而得到真實(shí)的地表熱輻射強(qiáng)度，最后把真實(shí)的地表輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的地表溫度．

1．3 研究資料

研究所采用的基本數(shù)據(jù)來(lái)源于哈爾濱市2011年ETM+遙感影像數(shù)據(jù)．

2 結(jié)果與分析

2．1 輻射亮度值計(jì)算

依據(jù)Landsat提供的輻射校正公式，將接收到的輻射強(qiáng)度與其DN值之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化，關(guān)系式如下:

式(3)中，Lsensor為單位是W/(m2·μm·sr)的輻射強(qiáng)度值;DN是像元的灰度值;Lmax、Lmin是對(duì)應(yīng)于DN=255、DN=0的最大、最小輻射強(qiáng)度，Lmax=15．3032、Lmin=1．2378，單位為 W/(m2·μm·sr)．

對(duì)于Landsat，輻射強(qiáng)度與其DN值的關(guān)系可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為式(4):

2．2 地表比輻射率的估計(jì)

根據(jù)中國(guó)1∶100萬(wàn)的土地資源分類系統(tǒng)，可以將其大體分為3種類型:水體、建設(shè)用地、自然表面．水體的結(jié)構(gòu)單一，可以直接將水體像元的比輻射率賦值為0．9925．建設(shè)用地也可以直接將像元的比輻射率賦值為0．923，自然表面的比輻射率估計(jì)是重點(diǎn)．

2．3 相同溫度下黑體的輻射亮度值

大氣中的水分含量、氣溶膠含量、O3、NH3、CO2、CO、氣溫、氣壓等因素，這些因素影響大氣透射率從而影響熱輻射在大氣中的傳導(dǎo)．大氣中的水分含量是影響大氣透射率最主要的因素，其他因素對(duì)大氣透射率的影響較弱．

在獲取黑體在熱紅外波段的輻射亮度后，根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)公式，求得地表溫度，如圖1．

圖1 地表溫度分布圖

2．4 研究結(jié)果

在地表溫度分布圖中，紅色區(qū)域?yàn)榈乇頊囟茸罡叩牡胤?，即建設(shè)用地，藍(lán)色區(qū)域溫度最低，即為水體，綠色、黃色區(qū)域的溫度在兩者溫度之間，即自然表面．

哈爾濱地區(qū)的地表溫度場(chǎng)在建設(shè)用地區(qū)呈外擴(kuò)趨勢(shì)，即從人口密集區(qū)到人口稀疏區(qū)，溫度逐漸降低，特別是在人口最密集的地區(qū)，地表溫度達(dá)到了最高．由于建設(shè)用地中水泥路面和建筑物的屋頂水分含量偏低，接收太陽(yáng)輻射后地表潛熱通量小，升溫快，從而建設(shè)用地區(qū)的地表溫度偏高．對(duì)于水體而言(松花江自西南向東北貫穿而過(guò))，它們受熱后會(huì)以水分蒸發(fā)的形式把熱量散發(fā)出來(lái)，降低自身溫度，所以平均溫度較建設(shè)用地區(qū)低．

3 結(jié)論與討論

(1)采用輻射傳導(dǎo)方程算法對(duì)哈爾濱地區(qū)的地表溫度進(jìn)行反演，并將反演的結(jié)果與實(shí)際溫度進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明:建設(shè)用地的溫度最高，水體的溫度最低．雖然沒有精確的驗(yàn)證，但這一結(jié)果符合地表水熱關(guān)系．

(2)利用熱紅外遙感反演地表溫度的方法和應(yīng)用都取得了顯著的成績(jī)，但是采用輻射傳導(dǎo)方程算法的應(yīng)用比較少，主要是由于這種算法復(fù)雜，考慮因素較多．可是輻射傳導(dǎo)方程算法具有物理基礎(chǔ)明確的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)地物進(jìn)行恰當(dāng)?shù)姆诸愐员阌跍p少地表比輻射率的誤差及其他各種大氣輻射誤差，由此算法得到的計(jì)算結(jié)果精度較高，還是比較接近真實(shí)的地表溫度．

(3)由于作者的水平有限，收集的資料數(shù)據(jù)有限，沒能對(duì)影響地表溫度的影響因子進(jìn)行分析，還需在今后的研究中進(jìn)一步探討．

［1］ 趙英時(shí)．遙感應(yīng)用分析原理與方法［M］．北京:科學(xué)出版社，2003．

［2］ Martson M，MeClain E P，MeGinins D F，et al．Satellite detection of urban heat island［J］．Weater Review，1987，106:1725-1764．

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