基于Landsat數(shù)據(jù)的天水地表溫度反演與應(yīng)用研究*

馬葉情，孫文禮

（甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741000）

天水市地處秦嶺造山帶、祁連造山帶之間，地質(zhì)構(gòu)造和巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，具有較好的地?zé)豳Y源形成條件[1]。本文在利用Landsat 8遙感數(shù)據(jù)分析天水地區(qū)的土地利用類型及其地表溫度特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查資料分析對(duì)比地?zé)岙惓^(qū)與地表溫度異常區(qū)，從而圈定天水地區(qū)地?zé)豳Y源遠(yuǎn)景區(qū)。

1 多時(shí)相數(shù)據(jù)源

1.1 遙感數(shù)據(jù)

本文選取高分辨率的熱紅外遙感數(shù)據(jù)Landsat 8中的Band10，Band11數(shù)據(jù)和2019—2020年的2個(gè)Landsat 8 OLI影像（見表1）。

表1 研究所用遙感數(shù)據(jù)

1.2 地質(zhì)調(diào)查及氣象數(shù)據(jù)

主要利用天水地區(qū)1∶25萬地質(zhì)圖、1∶25萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查成果報(bào)告分析天水地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)背景情況；1∶1萬以上溫泉地質(zhì)圖用于地?zé)岙惓Ｅc地溫異常對(duì)比分析；利用國(guó)家氣象局的歷史氣象數(shù)據(jù)，分析掌握遙感影像產(chǎn)品獲取期間天氣情況；利用美國(guó)地質(zhì)勘探局（United States Geological Survey，USGS）下載的SRTM DEM（30 m）數(shù)據(jù)獲取大氣校正中的地面平均高程參數(shù)，進(jìn)行必要的地形校正、地形等高線的提取和地形分析等工作。

2 數(shù)據(jù)處理方法

2.1 輻射定標(biāo)

在對(duì)遙感影像進(jìn)行大氣校正前進(jìn)行輻射定標(biāo)，主要是為了將傳感器記錄的DN值（Digital Number）通過公式轉(zhuǎn)換成絕對(duì)輻射亮度值，計(jì)算公式為

式中：L為輻射亮度值；Gain為增益值；Offset為補(bǔ)償值。Gain，Offset可以利用ENVI 5.2軟件在Data Manager中讀取。

2.2 大氣校正

利用FLAASH模型對(duì)Landsat 8多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正[2]，該模型具備MODTRAN模型的優(yōu)點(diǎn)，并且大氣校正精度高[3]。計(jì)算公式為

式中：ρ為像元的地表反射率；ρe為中心像元和其鄰近像元的平均地表反射率；S為大氣的球面反照率；La為大氣散射后的后向輻射強(qiáng)度；A，B為常量，取決于遙感的時(shí)相、影像所在的地理位置條件。

2.3 地形校正

本文地形校正采用ENVI的拓展工具Topo_Correction中的SCS+C方法，計(jì)算公式為

式中：Lm為校正后的像素值；L為校正前的像素值；cosi為線性回歸方程斜率與截距；θ和β分別為太陽(yáng)天頂角、太陽(yáng)入射角。

3 地表溫度反演算法

本文采用單窗算法[4]反演地表真實(shí)溫度。該方法可分為3個(gè)主要步驟：一是計(jì)算得到輻射亮度，這一步主要是利用熱紅外波段柵格像元值通過輻射定標(biāo)的方式計(jì)算；二是消除對(duì)大氣的影響，主要選用合適的大氣校正模型對(duì)柵格影像進(jìn)行校正；三是確定柵格像元的發(fā)射率。該方法的計(jì)算公式為

式（4）～式（7）中：a=-67.355 351，b=0.458 606；C和D為參數(shù)，由式（5）和式（6）計(jì)算可得；Tsensor為傳感器亮溫；ε為陸面發(fā)射率；τ為大氣透射率；Ta為大氣向上平均作用溫度，由式（7）計(jì)算可得；T0為地表空氣溫度。

4 遙感解譯結(jié)果

1）天水歸一化植被指數(shù)。本研究依據(jù)NDVI=（BAND5-BAND4）/（BAND5+BAND4）計(jì)算天水地區(qū)歸一化植被指數(shù)，結(jié)果見圖1。

圖1 天水市比輻射率圖像

2）天水地表溫度結(jié)果。依據(jù)單窗算法和Planck定律反演得到的天水市地表溫度分布見圖2。

圖2 基于單窗算法的天水市白天地表溫度分布圖

3）天水土地利用分類結(jié)果。基于Landsat遙感數(shù)據(jù)和監(jiān)督算法，天水地區(qū)的土地可分以為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用土地6種類型，所占比例分別約為35.921，33.617，27.886，0.045，2.252和0.279（見圖3）。其中，建設(shè)用地主要分布于渭河河谷、藉河河谷、葫蘆河河谷和清水河河谷等地；水域與建設(shè)用地空間重疊圖高；林地分布于天水市南部的秦嶺山脈和東部的小隴山一帶。

圖3 基于Landsat數(shù)據(jù)和監(jiān)督算法的天水市土地利用分類

5 地表溫度特征分析

5.1 基于地物類型差異的地表溫度特征分析

白天天水地區(qū)不同土地利用類型的地表溫度統(tǒng)計(jì)特征分布見第50頁(yè)表2，表中不同溫度下，不同地物數(shù)值代表相應(yīng)的面積，單位為m2。由表2可知，耕地的白天地表溫度分布在18～48.01℃之間，平均值為30.43℃；其中，28～33℃所占比例最大，可達(dá)54.5%，18～23℃所占比例最小，為0.091 8%。

表2 不同地物分布統(tǒng)計(jì)特征

林地的地表溫度在白天主要分布在18～42.99℃之間，平均值為24.55℃；其中，23～28℃所占比例最大，可達(dá)78.4%，38～43℃所占比例最小。

白天草地的地表溫度主要分布在18～48.65℃之間，平均值為30.90℃；其中，28～33℃所占比例最大，可達(dá)42.8%，43～48.65℃所占比例最小，約為0.43%。

白天水域地表溫度主要分布在23.63～40.48℃之間，平均值為29.22℃；其中，28～33℃所占比例最大，可達(dá)66.33%，38～43℃所占比例最小，約為0.084%。

白天建設(shè)用地的地表溫度則主要分布在18～47.33℃之間，平均值為34.26℃；其中，33～38℃所占比例最大，可達(dá)53.83%，18～23℃所占比例最小，約為0.023%。

5.2 已知溫泉點(diǎn)地表溫度特征分析

已知溫泉區(qū)白天地表溫度分布統(tǒng)計(jì)特征見表3。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，4個(gè)已知天水溫泉區(qū)在白天地表溫度介于30～40℃，其中武山溫泉最高，介于35～40℃。通過統(tǒng)計(jì)測(cè)定已知溫泉點(diǎn)的地表溫度，其地表溫度平均值均高于耕地、林地、草地和水域的地表溫度平均值，而建設(shè)用地具有與溫泉相似的平均地表溫度。

表3 已知溫泉區(qū)白天地表溫度分布統(tǒng)計(jì)特征

6 應(yīng)用與結(jié)論

利用復(fù)合疊置分析方法，選取溫泉區(qū)域平均地表溫度為閥值，獲得白天地表溫度異常區(qū)域，見圖4。

圖4 天水地區(qū)白天地表溫度異常（＞30℃）時(shí)空分布圖

對(duì)溫泉點(diǎn)地質(zhì)條件、地形條件等分析可知，地溫?zé)岙惓５姆植寂c溫泉出露相一致，證實(shí)所標(biāo)記溫度異常信息可用于水熱型地?zé)豳Y源的預(yù)測(cè)。通過研究圈確定了武山盆地和甘谷盆地兩個(gè)地?zé)豳Y源遠(yuǎn)景區(qū)，它們可能存在與斷裂有關(guān)的淺層地?zé)豳Y源。