基于遙感數(shù)據(jù)的黃石市地表溫度時空變化研究

趙秋陽，李明喜，鄧連生

(湖北理工學(xué)院 a.電氣與電子信息工程學(xué)院，b.機(jī)電工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

地表溫度(LST，Land Surface Temperature)是反映地表能量和水平衡物理過程的一個重要參數(shù)，對研究植被生長、水資源管理、區(qū)域生態(tài)環(huán)境和地?zé)豳Y源探測等方面有著重要的意義[1-2]。衛(wèi)星遙感技術(shù)為地表溫度的反演提供了有效的手段。從20世紀(jì)80年代開始通過熱紅外遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度反演已成為研究熱點，眾多學(xué)者提出了一系列相關(guān)算法，如單窗算法、劈窗算法和多通道算法等[3-5]，在這些算法的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體遙感數(shù)據(jù)的特點以及實際研究區(qū)域的氣候情況等，又產(chǎn)生了許多新的算法[6-9]。

Landsat 5衛(wèi)星在1984年3月發(fā)射，于2013年6月結(jié)束任務(wù)，提供了近29年的地球成像數(shù)據(jù)，2013年2月Landsat 8衛(wèi)星的發(fā)射，實現(xiàn)了地球成像數(shù)據(jù)的連續(xù)性觀測，這2個衛(wèi)星上均搭載有熱紅外傳感器，為地表溫度長時間序列的反演提供了可能。研究表明，單窗算法將大氣和地表的影響直接包括在算法內(nèi)，與輻射傳輸方程法相比簡單易行、應(yīng)用方便，能夠適用于Landsat數(shù)據(jù)長時間序列的地表溫度反演研究[10]。大氣水汽含量是單窗算法中的重要參數(shù)[11]，利用搭載在EOS-AM1/TERRA 和EOS-PM1/AQUA衛(wèi)星的MODIS傳感器可以得到較高精度的大氣水汽含量[12-13]。

本文以黃石市為研究區(qū)域，利用Landsat 5和Landsat 8衛(wèi)星2001年、2007年、2013年和2019年4期的遙感影像數(shù)據(jù)，并以相同時間的MODIS數(shù)據(jù)作為大氣水汽含量計算的輔助數(shù)據(jù)，反演出該區(qū)域近20年的地表溫度情況，實現(xiàn)多源遙感數(shù)據(jù)在地表溫度定量反演中的應(yīng)用。此外，還對該研究區(qū)域的土地利用情況進(jìn)行分類，分析地表溫度變化和城市擴(kuò)張之間的關(guān)系，對研究地表溫度的時空變化具有一定的參考價值。

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)域概況

黃石市(29°29′～30°19′N，114°30′～115°30′E)位于湖北省東南部，長江中游南岸，地處武漢和九江之間，是湖北省乃至全國重要的老工業(yè)基地和港口城市。黃石市遠(yuǎn)離海洋，春夏季下墊面增熱快，對流強，加之受東亞季風(fēng)環(huán)流影響，其氣候呈現(xiàn)為冬冷夏熱、四季分明、光照充足、熱能豐富、雨量充沛的特征，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫為17 ℃，年降水量在1 500 mm左右。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本文主要使用在美國地質(zhì)勘探局(USGS)相關(guān)網(wǎng)站上下載的Landsat 5 TM以及Landsat 8 OLI和TIRS所獲取的影像數(shù)據(jù)，作為反演地表溫度的主要數(shù)據(jù)，行列號為122/039，同時用相同時間段MODIS L1B 校正后的反射率數(shù)據(jù)為輔助數(shù)據(jù)做大氣水汽含量的反演，MODIS數(shù)據(jù)主要來源于美國國家航空航天局(NASA)相關(guān)數(shù)據(jù)網(wǎng)站。遙感數(shù)據(jù)主要參數(shù)信息見表1。

表1 遙感數(shù)據(jù)主要參數(shù)信息

在進(jìn)行地表溫度反演前，需要對數(shù)據(jù)作幾何校正、輻射定標(biāo)和大氣校正等預(yù)處理。首先對MODIS數(shù)據(jù)利用自帶的幾何地理信息進(jìn)行幾何校正及重投影，再對Landsat數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)，將DN值轉(zhuǎn)換為輻射亮度值，然后再運用ENVI軟件中的FLAASH大氣校正得到表觀反射率，最后將MODIS數(shù)據(jù)和Landsat影像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，并將MODIS數(shù)據(jù)重采樣到30 m，統(tǒng)一采用UTM投影下的WGS-84坐標(biāo)系。

2 研究方法

2.1 地表溫度的反演

本文研究對象為黃石地區(qū)近20年的地表溫度情況，考慮到時間持續(xù)較長并缺乏實測驗證精度等因素[10-14],因此采用覃志豪提出的單窗算法[3]，具體的算法模型如下：

(1)

C=ετ

(2)

D=(1-τ)[1+(1-ε)τ]

(3)

式(1)～(3)中，Ts為反演得到的地表溫度(K)；ε為地表比輻射率；τ為大氣總透過率；Tsensor為亮度溫度(K)，由熱紅外波段DN值經(jīng)過輻射定標(biāo)和普朗克公式反算得到，本研究中選取的波段為TM傳感器的第6波段和TIRS傳感器的第10波段；a和b為回歸系數(shù)，是利用大氣輻射傳輸軟件(LOWTRAN)擬合得到不同溫度范圍下TM和TIRS中第10和第11波段的回歸系數(shù)[15]，考慮到所用的大多數(shù)是春夏季的數(shù)據(jù)，因此本文選取的是在溫度范圍為10～50 ℃下的擬合結(jié)果，其中TM傳感器a=-67.355351，b=0.458606，TIRS第10波段a=-64.608，b=0.440；Ta為大氣平均作用溫度(K)，根據(jù)覃志豪提出的4種標(biāo)準(zhǔn)大氣下的大氣平均溫度估算方程得到[16]，本文的試驗數(shù)據(jù)取于中緯度夏季，故Ta=16.0110+0.92621T0，其中T0為近地表溫度(K)，可由歷年的氣象資料查詢得到。

2.2 地表比輻射率的反演

地表比輻射率指在同一溫度下地表發(fā)射的輻射量與一黑體發(fā)射的輻射量的比值。本文采用覃志豪提出的方法[16]進(jìn)行估算，首先利用支持向量機(jī)監(jiān)督分類法將地表分成水體、自然表面和城鎮(zhèn)區(qū)，分別針對3種地表類型進(jìn)行地表比輻射率的計算，其中水體的比輻射率為0.995，其他2種地表類型的比輻射率和植被覆蓋度以及各自包含的地物類型的計算公式為：

ε1=0.9625+0.614Pv-0.0461Pv2

(4)

ε2=0.9589+0.086Pv-0.0671Pv2

(5)

式(4)～(5)中，ε1,ε2分別為自然表面和城鎮(zhèn)區(qū)地表比輻射率;Pv為植被覆蓋度，可通過歸一化植被指數(shù)(NDVI)來進(jìn)行計算，計算公式為：

Pv=(NDVI-NDVISoil)/(NDVIVeg-NDVISoil)

(6)

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(7)

式(6)～(7)中，NDVI為歸一化植被指數(shù)，由紅外波段(NIR)和紅波段(R)得到；NDVISoil為完全是裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值；NDVIVeg為完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。取經(jīng)驗值NDVIVeg=0.70和NDVISoil=0.05，即當(dāng)某個像元的NDVI>0.70時，Pv=1；當(dāng)NDVI<0.05時，Pv=0。

2.3 大氣總透過率的反演

大氣水汽含量是大氣透過率反演的主要因素，相關(guān)研究表明水汽含量對地表溫度的反演具有重要的影響[13,17]，覃志豪等[18]對大氣水汽含量和大氣透過率之間的關(guān)系進(jìn)行了定量研究，得到了大氣透過率估算方程，對于TM6以及TIRS10，TIRS11的估算方程分別見表2和表3。

表2 TM6大氣透過率估算方程

表3 TIRS 水汽含量0.5～3.3 g/cm2大氣透過率估算方程

為得到較為精確的大氣水汽含量，利用MODIS影像數(shù)據(jù)的第19波段(940 nm)和第2波段(865 nm)表觀反射率ρ19和ρ2，基于大氣吸收波段和大氣窗口波段的反射太陽輻射之比來近似計算[19]，計算公式如下：

(8)

w=((a-lnTw)/β)2

(9)

式(8)～(9)中，α和β為常量，根據(jù)Kaufman等[19]的研究，不同地表類型取值不同，其中混合型地表α=0.020，β=0.651；植被覆蓋地表α=0.012，β=0.651；裸土情況α=-0.040，β=0.651。本文利用NDVI情況來確定地表類型，選取不同的取值。

2.4 地表溫度正規(guī)化和分級處理

為消除不同年份數(shù)據(jù)季節(jié)性的影響，反演分析地表溫度的變化趨勢，對地表溫度進(jìn)行正規(guī)化處理和等級劃分，歸一化公式為：

LSTnorm=(LST-LSTmin)/(LSTmax-LSTmin)

(10)

式(10)中，LSTnorm為正規(guī)化后的溫度，取值范圍在0到1之間，LSTmax和LSTmin分別為單幅圖像的最高溫度值和最低溫度值，溫度等級劃分參照《氣溫評價等級》國家標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)準(zhǔn)差氣溫評價指標(biāo)以0.5倍和1.5倍的中誤差為界限，將溫度分為明顯偏高(高溫)、偏高(次高溫)、正常(常溫)、偏低(低溫)和明顯偏低(次低溫)5個等級[20]。

3 結(jié)果與分析

3.1 地表溫度變化分析及精度驗證

利用單窗算法得到了黃石市2001年、2007年、2013年和2019年的地表溫度反演結(jié)果分布圖如圖1所示。

(a) 2001年 (b) 2007年

(c) 2013年 (d) 2019年

由圖1可以看出，黃石市2001年4月18日的地表溫度范圍為12～48 ℃，溫差為36 ℃，最高溫度出現(xiàn)在黃石市主城區(qū)，分布范圍較小；2007年5月5日的地表溫度范圍為16～52 ℃，溫差為36 ℃，最高溫度出現(xiàn)在黃石市主城區(qū)，有向外擴(kuò)張的趨勢，同時大冶市小部分區(qū)域呈現(xiàn)出高溫；2013年7月24日地表溫度范圍為10～55 ℃，溫差為45 ℃，黃石市主城區(qū)和大冶市部分區(qū)域高溫區(qū)域相較于前2個時間段仍在擴(kuò)大，同時陽新縣中部地區(qū)高溫區(qū)域增大；2019年5月22日地表溫度范圍為19～56 ℃，溫差為37 ℃，相較于2013年大冶市東北區(qū)域高溫分布范圍有明顯的上升?？傮w分析發(fā)現(xiàn)，黃石市的高溫分布范圍呈逐年增加的趨勢，主要表現(xiàn)在黃石市主城區(qū)、大冶市的東北區(qū)域和陽新縣的中部區(qū)域。

為驗證該結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用MODIS數(shù)據(jù)的地表溫度產(chǎn)品MOD11-L2進(jìn)行精度評價，該產(chǎn)品在晴朗天氣條件下，地表溫度反演誤差在1 K左右，因此將地表溫度反演結(jié)果重采樣到1 km，與MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)保持一致。對該區(qū)域反演的平均溫度和MODIS產(chǎn)品的平均溫度進(jìn)行對比，對比結(jié)果見表4。結(jié)果表明單窗算法反演的地表平均溫度和MODIS產(chǎn)品的平均溫度相差不大，平均誤差為0.4 ℃，因此反演的結(jié)果具有一定的價值。

表4 地表溫度對比結(jié)果統(tǒng)計表 ℃

3.2 地表溫度與城市擴(kuò)張關(guān)系分析

針對上述地表溫度變化特征，從土地覆蓋類型變化出發(fā)，分析城市擴(kuò)張對地表溫度的影響。城市的擴(kuò)張伴隨著城鎮(zhèn)區(qū)域面積的變化，為更直觀地分析城鎮(zhèn)區(qū)和地表溫度之間的關(guān)系，將等級劃分后的地表溫度和城鎮(zhèn)區(qū)地物類型面積進(jìn)行統(tǒng)計分析。地表溫度等級和城鎮(zhèn)區(qū)域面積及所占比例統(tǒng)計表見表5。

表5 地表溫度等級和城鎮(zhèn)區(qū)域面積及所占比例統(tǒng)計表

地表溫度等級分布圖如圖2所示，城鎮(zhèn)區(qū)域分布圖如圖3所示。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域地表溫度等級中明顯偏低、偏低、正常以及偏高的溫度分布無明顯的變化，主要原因是由于城鎮(zhèn)區(qū)的面積大約僅占黃石市總面積的5%，大部分被植被和水體所覆蓋，對地表溫度造成的影響不大。然而通過分析發(fā)現(xiàn)，地表溫度明顯偏高區(qū)域和城鎮(zhèn)區(qū)域面積均在逐年增加，有較為顯著的關(guān)系。

(a) 2001年 (b) 2007年

(c) 2013年 (d) 2019年

(a) 2001年 (b) 2007年

(c) 2013年 (d) 2019年

城鎮(zhèn)區(qū)與地表溫度明顯偏高區(qū)域面積與百分比如圖4所示。2001—2007年地表溫度明顯偏高區(qū)域面積增加約10 km2；2007—2013年地表溫度明顯偏高區(qū)域面積增加了約40 km2，增長速度較前一時間段有明顯的加快；2013—2019年地表溫度明顯偏高區(qū)域面積增加約30 km2，整體增長速度為4.4 km2/a，地表溫度擴(kuò)張最為明顯的區(qū)域主要位于大冶市的東北部。結(jié)合城鎮(zhèn)區(qū)域分布圖和統(tǒng)計表可以發(fā)現(xiàn)在相同時間段內(nèi)，城鎮(zhèn)區(qū)域的面積變化也有同樣的趨勢，2001—2007年城鎮(zhèn)面積增加了約10 km2；2007—2013年城鎮(zhèn)區(qū)域面積增加了約100 km2，增加速度較快；2013—2019年城鎮(zhèn)區(qū)域面積增加了約28 km2，整體增長速度為7.6 km2/a，城鎮(zhèn)區(qū)域擴(kuò)張最為顯著的區(qū)域同樣位于大冶市的東北部。相關(guān)資料表明，黃石市于2010年在大冶市黃荊山以南地區(qū)設(shè)立黃石開發(fā)區(qū)黃金山工業(yè)區(qū)，導(dǎo)致該區(qū)域建筑物增長較快，和本文的研究結(jié)果是相符合的。通過比較可以發(fā)現(xiàn)地表溫度明顯偏高和城鎮(zhèn)區(qū)的擴(kuò)張有較為顯著的關(guān)系，其中城鎮(zhèn)區(qū)面積的增加導(dǎo)致地表溫度明顯偏高區(qū)域面積逐年增加。

圖4 城鎮(zhèn)區(qū)與地表溫度明顯偏高區(qū)域面積與百分比

4 結(jié)論

本文利用2001—2019年的Landsat影像為主要數(shù)據(jù)源，采用單窗算法對黃石市近20年的地表溫度進(jìn)行了定量反演，并分析了其變化特點及其與城市擴(kuò)張之間的關(guān)系，通過分析可以得到以下結(jié)論。

1)采用單窗算法，利用Landsat系列影像結(jié)合MODIS數(shù)據(jù)對地表溫度進(jìn)行了反演，反演結(jié)果和MODIS地表溫度產(chǎn)品的平均誤差為0.4 ℃，具有一定的可靠性，較真實地反映了研究區(qū)域的地表溫度情況。

2)將地表溫度進(jìn)行了等級劃分并統(tǒng)計各等級的面積，分析其與城市擴(kuò)張之間的關(guān)系。結(jié)果表明，地表溫度明顯偏高區(qū)域面積在逐年增加，與城鎮(zhèn)區(qū)的擴(kuò)張有較為顯著的關(guān)系。