基于劈窗算法的青島地區(qū)地表溫度反演研究

孫樂樂+金寶軒

摘 要：地表溫度對于地球資源環(huán)境監(jiān)測的意義十分重要，在農(nóng)業(yè)、環(huán)境生態(tài)相關(guān)領(lǐng)域研究以及地表分析研究中都是重要的參數(shù)指標(biāo)。氣象測量難以大面積提供面狀地溫數(shù)據(jù)，而遙感監(jiān)測成本低、時相性好、可提供面狀數(shù)據(jù)等特點(diǎn)使其在地表溫度監(jiān)測中具有獨(dú)特優(yōu)勢。該研究根據(jù)Landsat-8遙感數(shù)據(jù)，通過調(diào)整地表比輻射率估算方法后的劈窗地表溫度反演算法實(shí)現(xiàn)了青島地區(qū)地表溫度的反演。并對結(jié)果與青島市氣象局網(wǎng)站提供的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證，反演結(jié)果總體符合實(shí)際情況，為沿海城市熱能空間分布研究和城區(qū)規(guī)劃提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地表溫度；劈窗算法；Landsat-8

中圖分類號 S511 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）23-0012-3

Abstract： As the key factor in the study of environment， ecology and land， land surface temperature（LST） plays a vital role in resource and environment monitoring. Comparing with traditional ground meteorological monitoring， remote sensing has more advantages in LST retrieving for its spatial continuity and lower cost. With the Landsat-8 data， we adjust the calculation of land emissivity and apply it to retrieve the LSD by a Split-Window algorithm. The analysis result evaluates the effectiveness of the Split-Window algorithm in peninsula regions and the result can provide a reference for the study of urban heat distribution and urban planning.

Key words： Land surface temperature；Split-window algorithm；Landsat-8

地表溫度LST（Land Surface Temperature）是地球資源環(huán)境監(jiān)測評價中的一項重要指標(biāo)，它直觀反映了區(qū)域熱能分布，對環(huán)境、生態(tài)相關(guān)領(lǐng)域研究以及地表分析研究都有重要意義。目前，部分學(xué)者已進(jìn)行了相關(guān)研究并提出了基于遙感熱紅外波段的地表溫度反演算法，按照所用波段的數(shù)量總體上分為單窗算法[1-3]與劈窗算法[4-6]2種。其中，覃志豪單窗算法[1]、Offer Rozenstein劈窗算法[6]是較為代表性的地表溫度反演算法。劈窗算法早期多基于MODIS、NOAA/AVHRR等具有2個熱紅外波段的影像數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)，其中MODIS數(shù)據(jù)在地表溫度反演中效果較為理想，但由于其分辨率較低的缺陷使得其只能應(yīng)用于大范圍地區(qū)的地表溫度反演。中小區(qū)域的地表溫度反演多采用單通道遙感影像進(jìn)行單窗算法地表溫度反演[2，4]。

Landsat-8衛(wèi)星于2013年發(fā)射升空，其攜帶OLI和TIRS 2個傳感器。其中OLI（Operational Land Image）是陸地成像儀，TIRS（Thermal Infrared Sensor）是熱紅外傳感器。TIRS傳感器具有2個熱紅外波段10、11波段，其分辨率為100m，并且其兩個熱紅外波段的波寬及中心波長與MODIS數(shù)據(jù)相近。因此Landsat-8數(shù)據(jù)在進(jìn)行利用劈窗算法進(jìn)行地表溫度反演具有獨(dú)特優(yōu)勢。本文利用Landsat-8數(shù)據(jù)基于劈窗算法對青島地區(qū)地表溫度進(jìn)行反演，并結(jié)合氣象數(shù)據(jù)對于結(jié)果進(jìn)行評價分析。

1 研究區(qū)概況

青島市地處山東半島南部，位于東經(jīng)119°30′N～121°00′N、北緯35°35′E～37°09′E，總面積為11282km2。青島為海濱丘陵城市，地勢東高西低，南北兩側(cè)隆起，中間低凹。青島地處北溫帶季風(fēng)區(qū)域，屬溫帶季風(fēng)氣候。由于海洋環(huán)境的直接調(diào)節(jié)，受來自洋面上的東南季風(fēng)及海流、水團(tuán)的影響，故又具有顯著的海洋性氣候特點(diǎn)?？諝鉂駶櫍炅砍渑?，溫度適中，四季分明。據(jù)中國氣象局的統(tǒng)計資料[7]，市區(qū)年平均氣溫12.7℃，其中夏季平均氣溫25.3℃，冬季平均氣溫-0.5℃左右。

2 數(shù)據(jù)源與工作流程

2.1 遙感數(shù)據(jù) 遙感數(shù)據(jù)為2013年11月15日青島地區(qū)的Landsat-8遙感影像，圖幅號為LC81200342013319和LC81200352013319。反演過程中需要的大氣透過率數(shù)據(jù)來自于NASA的大氣校正數(shù)據(jù)[8]。本文驗證結(jié)果所用的溫度數(shù)據(jù)來自于青島氣象局提供的觀測數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)，但由于數(shù)據(jù)為公共數(shù)據(jù)，氣溫數(shù)據(jù)只能作為一個溫度范圍的檢驗參考。

2.2 工作流程 工作流程如圖1所示。首先，對于遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行前期處理，對Landsat 8遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)，利用FLAASH工具對其OLI波段進(jìn)行大氣校正。而后對于TIRS 2個熱紅外波段根據(jù)普朗克公式[5]進(jìn)行了亮度溫度反演，利用OLI波段中的3、4、5、6波段計算NDVI、MNDWI以及NDBI指數(shù)，根據(jù)3個指數(shù)對于地物進(jìn)行決策樹分類，利用覃志豪提出的地表比輻射率估算公式[10-11]計算地表比輻射率，結(jié)合NASA提供的大氣透過率數(shù)據(jù)及上述計算的成果根據(jù)劈窗算法公式反演地表溫度并進(jìn)行驗證分析。

3 關(guān)鍵內(nèi)容

3.1 亮度溫度反演 亮度溫度是假定溫度，將紅外波段的輻射強(qiáng)度進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理生成。如果物體與黑體的光譜輻射強(qiáng)度相等，則此時黑體溫度為該物體的亮度溫度?？衫闷绽士硕蓪⑤椛淞炼戎缔D(zhuǎn)換為亮度溫度，計算公式如下：endprint

式中的、均為常量，可以從影像文檔中獲取也可根據(jù)Landsat 8-TIRS波段特征結(jié)合普朗克常數(shù)、玻爾茲曼常數(shù)等進(jìn)行計算；為輻射亮度值；T為亮度溫度，單位為開爾文K。

3.2 地表比輻射率計算 為了提高地表比輻射率估計的準(zhǔn)確度，本文采用覃志豪等人提出的地表比輻射率估算方法[10-11]進(jìn)行估算。首先，利用前期計算的NDVI、MNDWI、NDBI 3個指數(shù)來完成CART決策樹進(jìn)行分類，將地物分為植被、水體、建筑以及裸地。之后估算地表比輻射率。典型地物的比輻射率可以通過查閱相關(guān)資料獲。根據(jù)ASTER提供的常用地表比輻射率光譜庫[12]和Landsat-8波段特征，對于第10波段的水體、植被、裸土及建筑比輻射率分別取0.99683、0.98672、0.96767、0.964885，對于第11波段的水體、植被、裸土及建筑比輻射率分別取0.99254、0.98990、0.97790、0.975115。對于自然表面，決策樹分類出的水體部分比輻射率可直接為上述水體在2個波段的比輻射率，而陸地自然表面的像元可簡單分為植被和裸土構(gòu)成，可根據(jù)上述的已知2個波段的地表比輻射率數(shù)值來表示陸地自然表面混合像元的比輻射率。為便于計算，可以通過判定像元內(nèi)的植被覆蓋度來確定植被與裸土的各自所占比例。當(dāng)時，可視為該像元內(nèi)植物所占比例為100%，所以比輻射率為植被的比輻射率；當(dāng)時，比輻射率為裸土的比輻射率。同理城鎮(zhèn)表面就可視為建筑物與植被混合而成的混合像元，其估算方法與陸地自然表面類似。因此可根據(jù)覃志豪等[10-11]提出的如下公式來計算混合像元的比輻射率。

其中，為植被覆蓋度，可以通過

計算。根據(jù)像元統(tǒng)計及青島市區(qū)情況，選取植被茂密地區(qū)均值作為值，；同理。為植物的溫度比率，表示裸土或建筑物的溫度比率，利用覃志豪等提出的溫度比率計算公式[5]可以計算植被、l裸土、建筑的溫度比率：

比輻射率估算公式中的可以根據(jù)覃志豪等人[11]提出的如下經(jīng)驗公式來計算：

在實(shí)際計算中可能會出現(xiàn)按上述公式方法計算后比輻射率大于典型地物的比輻射率甚至大于植物的比輻射率，當(dāng)則令。

3.3 劈窗算法計算 本文采用的劈窗算法為Rozenstein等[3]和覃志豪等[3]根據(jù)劈窗算法和Landsat 8數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提出的適用于Landsat 8數(shù)據(jù)的地表溫度反演劈窗算法SW1（Split-Window Algorithm），其計算公式如下：

公式中為反演地表溫度，、為Landsat 8 第10、11波段的亮度溫度數(shù)據(jù)，單位為開爾文K。、及是根據(jù)如下公式計算得出的系數(shù)。在系數(shù)計算中還需要大氣透過率數(shù)據(jù)，有研究[4，5]利用MORTRAN模擬大氣水汽含量與大氣透過率的關(guān)系獲得。但由于實(shí)時的大氣剖面數(shù)據(jù)獲取難度較大且存在一定誤差，針對這一特點(diǎn)，研究選取NASA官方網(wǎng)站提供的大氣校正參數(shù)[8]作為大氣透過率計算數(shù)據(jù)，完成參數(shù)計算。

4 結(jié)果與分析

經(jīng)過上述參數(shù)計算最終得到的地表溫度反演結(jié)果見圖2，圖3為反演結(jié)果地溫分布圖，除個別噪點(diǎn)外，地表溫度絕大部分在。之后與青島氣象局官方網(wǎng)站[9]提供的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，依次比較了平度、萊西、即墨、膠州、嶗山、青島及黃島7個觀測站（圖4）的溫度數(shù)據(jù)。實(shí)驗結(jié)果相應(yīng)區(qū)域溫度均在測站溫度正常范圍內(nèi)，反演結(jié)果基本適合實(shí)際。

5 結(jié)語

本文基于Landsat-8數(shù)據(jù)，利用劈窗反演公式，根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)調(diào)整了地表比輻射率估算，反演了青島地區(qū)地表溫度，并結(jié)合氣象數(shù)據(jù)分析。反演結(jié)果客觀反映了青島地區(qū)的地表溫度情況，另一方面也驗證了Landsat-8數(shù)據(jù)的LST劈窗算法對于半島區(qū)域的適用性。對于青島城市規(guī)劃和地表溫度空間格局研究具有一定的參考意義。對于劈窗算法的參數(shù)估計目前相對不夠成熟完善，地表溫度反演參數(shù)估算的精度還需進(jìn)一步提高。

參考文獻(xiàn)

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[8]NASA.Atmospheric Correction Parameter Calculator[EB/OL]. https：//atmcorr.gsfc.nasa.gov/./2014-1-7.

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（責(zé)編：張宏民）endprint