基于Landsat8的唐山市地表溫度反演

孫愉鈞，楊久東

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

引言

城市熱島效應(yīng)是指城市溫度明顯高于郊區(qū)的現(xiàn)象，種種人為或自然的原因?qū)е鲁鞘械乇頊囟萚1]升高明顯，遠(yuǎn)高于周圍建筑物稀少、植被茂密的郊區(qū)，在氣溫圖上就像茫茫大洋上的孤島一般，故形象地稱其為熱島效應(yīng)。所謂的“熱島”自然是指溫度高于城市外圍，故稱為城市熱島。形成城市熱島效應(yīng)的主要因素包括：因人類生產(chǎn)生活行為導(dǎo)致發(fā)熱產(chǎn)生的人工熱源、建筑、裸地、水泥等高蓄熱體作為城市下墊面的影響；植被遭到破壞和工業(yè)區(qū)的增加導(dǎo)致空氣污染、水氣改變以及人類的遷徙行為。熱紅外遙感技術(shù)[2]可以測定比較精確的數(shù)據(jù)。以此為基礎(chǔ)利用遙感技術(shù)反演地表溫度愈發(fā)可靠[3]。利用Landsat8反演唐山市地表溫度[4]，有利于進(jìn)一步分析熱島效應(yīng)和其他環(huán)境問題的產(chǎn)生原因，從而達(dá)到控制并實現(xiàn)環(huán)境改善問題的效果。

1地表溫度理論

1.1 紅外輻射定律

普朗克定律：描述絕對黑體輻射出射度隨波長和溫度的分布函數(shù)，被稱為普朗克定律，它是輻射中最重要的定律。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示如下：

(1)

式中：E(λ，T)—絕對黑體輻射出射度，W/(m2·um)；c—光速，c=2.997 93×108 m·s-1；h—普朗克常數(shù)，其值為6.626× 10-34J·s；K—玻爾茲曼常數(shù)，數(shù)值為1.380 6× 10-23J/K；T—黑體的絕對溫度；λ—波長，um。

利用普朗克公式還可導(dǎo)出另一定律，黑體輻射光譜中最強輻射的波長與黑體絕對溫度T成反比：

(2)

式中：b是一個常數(shù)，等于2 897.8 um/K。對于T=6 000 K的黑體,λmax=0.483 um (藍(lán)色光)，對于T=300 K的黑體，λmax=9.66 um (遠(yuǎn)紅外)。

1.2 輻射定標(biāo)

輻射定標(biāo)是遙感圖像預(yù)處理中重要的步驟，其目的是獲得絕對輻射亮度值和其他物理量。但衛(wèi)星傳感器記錄的是電壓或數(shù)字量化值，這時就需要運用ENVI軟件中定標(biāo)工具( Radiometric Calibration)來對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而獲得所需要的數(shù)據(jù)。輻射定標(biāo)分為相對定標(biāo)和絕對定標(biāo)2種類型。

1.3 NDVI

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是一種重要的同時也是十分常用的植被指數(shù)，其值的范圍是[-1,1] ，可以代表植被的覆蓋情況，數(shù)值越大，植被情況越好，一般綠色植被的NDVI區(qū)間為[-0.2,0.8]。

(3)

式中：ρNIR代表近紅外波段，ρRED代表紅外波段。

1.4 植被覆蓋率：

植被覆蓋度是指植被面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的百分比。該參數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，計算地表比輻射率需要該參數(shù)。其中利用植被指數(shù)近似估算植被覆蓋度是一種較為合適的方法，采用李苗苗[5]等在像元二分模型的基礎(chǔ)上研究的模型：

(4)

式中,：NDVIsoil為完全是裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，NDVIVeg則代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值值，即純植被像元的NDVI值值。取經(jīng)驗值NDVIVeg= 0.70和NDVIsoil= 0.05

1.5 地表比輻射率

比輻射率是物體在溫度T、波長λ處的輻射出射度與同溫度、同波長下的黑體輻射出射度的比值[6]。研究使用Sobrino提出的NDVI閾值法[7]。

ε=0.004PV+0.986

(5)

1.6 黑體輻射亮度與地表溫度計算

利用輻射傳輸方程

Lλ=[εB(Ts)+(1-ε)L↓]τ+L↑

(6)

式中：ε為地表比輻射率;Ts為地表真實溫度(單位為K);B(Ts)為黑體熱輻射亮度;τ為大氣在熱紅外波段的透過率。

則溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度B(Ts)為：

(7)

(8)

對于TM數(shù)據(jù)，K1=607.76 W/(m2·μm·sr)，K2= 1 260.56 K;對于ETM+數(shù)據(jù)，K1=666. 09 W/( m2·μm·sr)，K2=1 282. 71 K;對于TIRS Band10 數(shù)據(jù)，K=774.89 W/( m2·μm·sr)，K2=1 321.08 K。

2研究案例

2.1 研究區(qū)概況

唐山位于河北省東部環(huán)渤海灣位置。位于東經(jīng)117°31′-119°19′，北緯38°55′-40°28′，唐山市身處交通要塞，地理位置優(yōu)越，眾多鐵路從此經(jīng)過，擁有漫長的海岸線，港口碼頭遍布；此外礦產(chǎn)資源、石油資源豐富，區(qū)位優(yōu)勢和資源優(yōu)勢都為這里的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造了條件。

2.2 數(shù)據(jù)來源

該項研究采用Landsat8遙感影像對唐山市進(jìn)行地表溫度反演，分別采用2016年12月、2017年4月、2017年12月、2018年5月數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度反演對比研究。其中數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云。圖1所示為唐山市地理空間數(shù)據(jù)云區(qū)域示意圖，該研究方法選用大氣校正法[8]。

圖1 研究區(qū)域示意圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

(1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：首先在地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站上下載相應(yīng)時間唐山市數(shù)據(jù)，以唐山市矢量行政圖為輔助數(shù)據(jù)來做裁剪處理而進(jìn)行后續(xù)分析。

(2)圖像輻射定標(biāo)：利用其ENVI中自帶的輻射定標(biāo)工具進(jìn)行輻射定標(biāo)，可得到Band10波段的輻射亮度圖像。

(3)OLI大氣校正：這一步主要是完成數(shù)據(jù)的輻射定標(biāo)，并按照FLAASH對輸入數(shù)據(jù)的要求進(jìn)行相關(guān)的處理。

(4)鑲嵌：在對覆蓋唐山市3幅影像依次進(jìn)行以上操作后，對3幅影像進(jìn)行鑲嵌。

(5)裁剪：導(dǎo)入事先準(zhǔn)備的唐山市行政shp數(shù)據(jù)，并以此裁剪圖像。從而得到經(jīng)過輻射定標(biāo)和大氣校正處理的唐山市遙感影像。

(6)地表比輻射率計算：在Band Math中，按照要求輸入表達(dá)式，未知數(shù)選擇上一步得到植被覆蓋率，計算得到地表比輻射率圖像。

(7)黑體輻射亮度與地表溫度計算：在得到大氣剖面信息以后繼續(xù)使用Band Math工具通過公式計算黑體輻射亮度。最后依然是使用Band Math根據(jù)上一步計算的黑體輻射亮度以及之前輻射定標(biāo)后的Band10圖像進(jìn)行地表溫度的計算。處理流程如圖2所示。

圖2 案例流程圖

3實驗結(jié)果與分析

3.1 地表溫度反演

圖3所示為2017年4月地表溫度。

圖3 2017年4月地表溫度

由圖3區(qū)域角度分析，曹妃甸區(qū)地表溫度最低，有輕微的熱島效應(yīng)，但范圍并不大。灤縣、豐潤區(qū)、開平地植被狀況較差，溫度絕大部分位于30 ℃以上，環(huán)境保護(hù)刻不容緩。樂亭縣地表溫度整體平穩(wěn)，大部分在30 ℃之下，該地耕地狀況良好，植被狀況良好。灤南縣裸地居民地很多，地表溫度在30～35 ℃之間，東北側(cè)耕地狀況良好，溫度相對較低。遷安市北部地表溫度較高，該區(qū)域植被破壞較為嚴(yán)重，裸地較多。遷西遵化兩地雖然海拔較高，但中南部山體植被覆蓋率不高，故地表溫度高。圖4所示為2018年5月地表溫度反演。

圖4 2018年5月地表溫度反演

由圖4區(qū)域角度分析，灤縣、遷安兩地地表溫度最高，大部分地區(qū)位于30 ℃以上，兩地裸地較多，植被覆蓋率較低，城市熱島效應(yīng)比較嚴(yán)重。灤南縣內(nèi)西側(cè)居民地，裸地眾多，地表溫度大多在30 ℃上下，東側(cè)植被覆蓋率較好，耕地保護(hù)較好，地表溫度在20～30 ℃之間。豐潤區(qū)北部山體破壞嚴(yán)重，境內(nèi)裸地較多，居民地較多，溫度多在30 ℃以上，熱島效應(yīng)較為嚴(yán)重。曹妃甸區(qū)地表溫度最低，有輕微的熱島效應(yīng)，但范圍并不大。圖5所示為2016年12月地表溫度反演。

圖5 2016年12月地表溫度反演

由圖5區(qū)域角度分析，曹妃甸區(qū)整體溫度位于6 ℃以下，內(nèi)陸較沿海溫度有所提升，樂亭除沿海地區(qū)和部分居民地在4 ℃以下，其余大部分地區(qū)均在4～6 ℃之間。灤南地區(qū)西部裸地面積極大，溫度在4～6 ℃之間，東部在2～4 ℃之間。豐南區(qū)南部耕地溫度較高，居民區(qū)多在4 ℃以下，開平區(qū)豐潤裸地溫度高，市區(qū)溫度較低，在4 ℃以下，郊區(qū)溫度大于4 ℃。由此可見，12月初的唐山無熱島效應(yīng)。圖6所示為2017年12月地表溫度反演。

圖6 2017年12月地表溫度反演

由圖6區(qū)域角度分析，曹妃甸區(qū)整體溫度位于6 ℃以下，為全市最低。樂亭除沿海地區(qū)在4 ℃以下，其余大部分地區(qū)均在4～6 ℃之間。灤南地區(qū)西部裸地面積極大，溫度也最高多在4 ℃以上。灤縣居民地溫度較低在0～2 ℃之間，裸地溫度較高多在4 ℃以上。其余地區(qū)地表溫度及分布特征與2016年12月相比并無大變化。

3.2 熱島效應(yīng)分析

由觀察經(jīng)過大氣校正法反演得到的唐山市地表溫度結(jié)果可以看出，唐山市夏季熱島效應(yīng)比較嚴(yán)重，冬季并無明顯熱島效應(yīng)，為了更好地分析唐山市熱島效應(yīng)問題，在此引入熱島強度(HLI這里用相對地溫來表示)來提高反演結(jié)果的可比性，對唐山市夏季熱島效應(yīng)進(jìn)行分析其公式如下[9]：

(9)

式中：LST為地表溫度；Tmean為區(qū)域平均溫度。

依據(jù)上述公式利用ENVI軟件對各年份唐山市熱島強度進(jìn)行分級可得到以下結(jié)果：2017年5月份唐山市熱島等級劃分如圖7所示。

圖7 2017年5月熱島等級劃分

利用公式(9)將熱島強度等級劃分為5個等級，如表1所示：

表1 熱島強度分級表

將其面積與所占比例繪制成表格，如表2所示。

表2 2017年5月各等級熱島面積及所占比例

通過熱島等級分布圖與唐山市遙感影像對比分析，可以看出唐山市除玉田、樂亭、曹妃甸三地外熱島效應(yīng)都比較明顯，其中強熱島主要位于市區(qū)、灤南，熱島強度由城區(qū)向郊區(qū)逐漸降低，由裸地向植被覆蓋地區(qū)逐漸降低。

通過表2可以看出，總體而言唐山市熱島面積所占比例較大，其中主要是中等熱島，該型熱島在城市分布廣泛，綠島比例多達(dá)39%，但其分布范圍并不廣泛，僅僅集中于南部沿海、玉田和北部山區(qū)等遠(yuǎn)離市區(qū)的地方。

圖8所示為2018年5月熱島等級劃分。

圖8 2018年5月熱島等級劃分

由圖8唐山市熱島強度分布圖可以看出，唐山除了位于中部的市區(qū)、灤南一帶，其余地區(qū)大多為綠島或弱熱島，整體狀況較好，與2017年相同地區(qū)相比熱島強度變化由城區(qū)向郊區(qū)逐漸降低，由裸地向植被覆蓋地區(qū)逐漸降低。將其面積與所占比例繪制成表格，如表3所示。

表3 2018年5月各等級熱島面積及所占比例

通過表3可以看出，總體而言唐山市熱島面積所占比例較大，其中主要是弱熱島和中等熱島，這兩種類型的熱島[10]在城市和裸地分布廣泛。

4結(jié)論

(1)唐山市夏季熱島效應(yīng)較為嚴(yán)重，范圍比較大，市區(qū)最為嚴(yán)重。在城市中增加綠化面積，增加水量可在一定程度上應(yīng)對熱島效應(yīng)。冬季熱島效應(yīng)并不明顯。

(2)地表溫度與某一地區(qū)所處位置，海拔高度，下墊面類型，人口密度，植被覆蓋度，含水量都有密切關(guān)系。

(3)就唐山市而言曹妃甸區(qū)地表溫度反演結(jié)果較為健康，除該地區(qū)離海較近這一地理優(yōu)勢外，該地區(qū)濕地眾多，水田水產(chǎn)養(yǎng)殖場多，環(huán)境破壞并不嚴(yán)重也是重要因素。玉田縣耕地保護(hù)情況好，夏季地面無明顯高溫。北部遵化，遷西兩地海拔最高，植被覆蓋率也較高，山脈地區(qū)溫度較低，但山區(qū)植被有一定破壞，導(dǎo)致其溫度較高。遷安灤縣灤南豐潤裸地 數(shù)量過多，導(dǎo)致地表溫度高。市區(qū)綠化面積較小，熱島效應(yīng)比較嚴(yán)重。