基于TM影像的城市热岛效应反演及分析

基于 TM影像的城市热岛效应反演及分析

包芳贺

单县自然资源和规划局 274300

【摘要】：随着城市建设的高速发展、城市人口大量增多、气候条件不断恶化，城市热岛效应带来的影响日益突出。采用热红外影像反演地表温度成为一种高效获取地表温度数据的有效方法。本文利用TM影像以辐射传输方程法和单窗算法分别对青岛西海岸经济新区的陆面温度进行反演，对两种方法得到的温度数据进行横向对比以检验两种反演方法的优劣性，同时对热岛效应区域变化情况进行纵向对比以总结城市热岛效应变化规律。

【关键词】：地表温度反演 城市热岛效应 动态变化特征

引言

近几十年来，热红外遥感技术的飞速发展为快速地获取区域地表温度空间差异信息提供了新的路径。地表温度在区域资源环境研究中的重要性已经使热红外遥感成为遥感研究的一个重要领域^[1]。本文将采取辐射方程法和单窗算法分别对青岛高新区的热岛时空变化进行反演分析，以此来探究两种方法的差异性及优劣性。

1. 研究区概况

青岛西海岸经济新区是国家海洋经济发展战略确定建设的新区，本次研究区域为黄岛区、胶南市全域,陆域面积2096平方公里，该区属温带海洋性气候，平均气温12.7℃，温度最高为8月，月平均气温为25.3℃，极端最高气温为38.9℃，年平均降水量为662.1mm。近年来，随着全球气候变暖及城市热岛效应的不断增强，该区的高温天气数逐年增加，且极端高温天气逐年增强。

2．反演机理与技术路线

2.1 辐射传输方程算法原理

对于TM影像来说，热红外传感器所接收到的辐射能量（L（d））主要包括大气上行辐射亮度（Ls），大气下行辐射强度（Lx）以及地面的真实辐射亮度经过大气散射、吸收后卫星传感器接收的热辐射能量。本文研究：假设在热辐射条件下将地表和大气看做朗伯体，根据辐射传输方程推导出与地表真实温度相同的黑体在热红外波段的辐射亮度LT的公式：

LT=[L(d)- Ls-τ（1-ε）Lx]τε （1）

由普朗克公式的反函数，进一步推导出地表真实温度T的计算公式：

T=K2/Ln(K1/LT+1) （2）

其中K1=666.09W(㎡·sr·μm)，K2=1282.71K^[2]。Lu（大气上行辐射亮度）、Ld（大气下行辐射强度）、τ（大气透过率）参数可根据TM原始影像中的成像时间、中心经纬度等相关原始图像信息获得，L(λ)为卫星传感器接收到的热红外波段的实际辐射能量值。本文采用的是基于MODTRAN4+辐射传输模型的FLAASH大气校正法，ε为地表比辐射率的值。

2.2 单窗算法原理

利用单窗算法进行地表温度反演的原理公式^[3]如下：

Ts={α6（1-C6-D6）+(b6（1-C6-D6）+ C6+ D6)Tss- D6Ta}/C6 （3）

上式中Ts为地表温度（单位为K），α6=-67.35535、b6=0.458608，Tss是卫星上传感器所探测的象元的亮度温度（单位为K）,Ta是大气平均作用温度（单位为K），C6和D6代表的为中间变量，计算公式分别如下：

C6=τ6ε6 （4）

D6=（1-τ6）（1+（1-ε6）τ6） （5）

上式中：ε6是地表比辐射率ε值，τ6是大气透过率τ。

3．温度归一化

本文将反演得到的温度数据进行归一化处理，即对图像的温度值的范围归到0-1之间，其具体公式为：

Zi=（TEMi- TEMmin）/ (TEMmax- TEMmin) (6)

上式中：Zi是反演温度图像中第i个栅格象元归一化后的值，TEMi 为解算出的温度图像中第i个栅格象元的地表温度值，TEMmax和TEMmin 分别代表解算出的温度图像中的地表温度的最大值和最小值。

为了能更加清晰地观察出青岛高新区的热岛效应的演变状况，本文将热岛效应分成了5个等级即：强绿岛区（0-0.2）、绿岛区（0.2-0.4）、正常区（0.4-0.6）、热岛区（0.6-0.8）、强热岛区（0.8-1）。

4．热岛效应反演结果及分析

4.1热岛效应反演结果

以下为通过辐射传输方程法与单窗算法反演得到的研究区域内地表温度及热岛级别分布图：

4.2 对比分析

4.2.1相同年份不同反演方法得到气温数据的横向对比

对比相同年份不同反演方法得到的气温数据，发现无论是最高气温、最低气温还是平均气温相对于研究区实际气温数据之差的绝对值，单窗算法所反演出的温度数据都从总体上小于辐射传输方程法得到的温度数据。通过查阅资料发现，辐射传输方程法是对整个地物发射电磁波以及传感器接收辐射传输能量的全过程的模拟，该方程法忽略了很多实际存在的大气中的反射、折射或吸收等作用。而通过图像元数据得到的大气上行、下行辐射强度都是标准大气模型下的参数，不能完全代表整幅影像相应的信息，必定会降低模型的反演精度。相比于辐射传输方程法，单窗算法不是以复杂的大气传输模型作为全部依托，这种方法可避免电磁波在大气中复杂的传输过程，提高了地表温度反演的精度。

4.2.2 不同年份相同方法得到气温数据的纵向对比

通过反演得到的地表温度图像可以看到无论是辐射传输方程法还是单窗算法，虽然精确度上有所差异，但变化趋势却大致相同即：随着年份的增加，相对高温范围越来越大即城市热岛现象越明显，并且随着年份的增加温度相对较高区域范围越来大。对该现象通过查阅当地资料得知，本区域主要为青岛经济技术开发区，随着海尔、澳柯玛等工厂规模不断扩大，人口从2000年开始急剧增加，导致该地区人为活动产热不断增加，热岛效应逐年增强。图像左下角为胶州湾区域，此处为以旅游服务行业为主要发展方向，人为活动没有明显增多，随着环境质量的逐步提高，热岛效应也逐渐得到了消弱。

5.结论

通过将两种反演算法得到的热岛强度级别图像的对比分析，可以得知单窗算法反演得到的结果与实际数据吻合度更高，单窗算法更适合进行实际地表温度的反演。同时由反演结果可知，青岛西海岸经济新区中的黄岛地区热岛效应越来越明显，建议有关部门在进行相关政策制定的时候能够综合考虑合理规划。在努力发展经济的同时重视环境建设对人民生活的影响，实现经济、社会和自然环境的协调发展。

参考文献

[1]毛克彪.《地表温度反演软件（V1.0）使用手册》中国农业科学院资源与农业区划研究所2009年9月.

[2]游绚，晏路明.基于TM影像辐射传导方程算法的地表温度反演，科技情报开发与经济2009年7月.

[3]张兆明，何国金，肖荣波等.利用TM6数据反演陆地表面温度新算法研究[J].遥感技术与应用，2005,20（6）:547-550.