我国北方冬季冰雪覆盖城市温度反演研究中Landsat-8的应用.docx

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我国北方冬季冰雪覆盖城市温度反演研究中Landsat-8的应用温度反演是遥感研究的一个重要领域，随着对地观测卫星的发展，国内外学者针对不同影像源的温度反演众多，如Modis、Landsat等。在影像的时相选择上多以夏、秋季植被丰富期为主，而对于冬季下垫面较长时间以冰雪覆盖地区的温度反演较少。积雪是地表重要的要素之一，积雪表面温度的监测，对于气候变化研究、融雪径流预测预报、融雪性洪水防治等具有非常重要的意义[1]。Landsat-8是Landsat系列新一代遥感卫星，由于其具有免费、高分辨率、时空连续性好等优点逐渐成为研究热点，其两个波段TIRS热红外传感器，分别为TIRS10波段和TIRS11波段，对于温度计算具有较高的精度，是气象、农业、林业等领域研究的重点。本文利用Landsat-8影像，在大气辐射法温度反演研究的基础上，应用ENVI软件，以哈尔滨市主城区为例，对我国北方冬季冰雪覆盖的城市地区地表温度进行了反演计算，以分析其冬季地表温度分布特征。1、大气辐射法原理1.1辐射方程表达式大气辐射法反演温度主要通过辐射方程来计算，卫星高度获取的热红外辐射亮度值I主要由大气向上、下辐射亮度I↑和I↓，以及地面真实辐射亮度经过大气层之后到达卫星传感器的能量。具体获得的热红外辐射亮度值I可表示为(辐射传输方程)[2]:其中，ε为地表比辐射率，B(TS)为黑体辐射亮度，TS为地表真实温度(K)，τ为大气透过率。1.2计算辐射亮度温度为T的黑体辐射亮度B(TS)为:普朗克(Planck)公式可以获取T值:对于TIRS10，根据卫星元数据文件可以获得K1=774.89W/(m2×μm×sr),K2=1321.08K。2、数据资料及分析获取的Landsat-8资料是哈尔滨主城区冬季影像，其影像获取时间为2016-01-2602:21:06.2Z、2017-01-1202:21:12.1Z、2018-01-3102:20:55.1Z，数据来源为地理空间数据云平台。该地区三期影像含云量较低(少于5%)，影像可识度高，噪声少，地表覆盖以冰雪和城市建筑为主，含少量冬季不落叶植被。为便于研究计算，本文根据哈尔滨主城区范围对影像进行了裁切。冬季温度反演过程主要为数据辐射定标、归一化植被指数计算、归一化雪指数计算、大气参数获取、植被覆盖度计算、地表比辐射率计算、黑体辐射亮度计算和地表温度计算。其主要应用ENVI工具箱中RadiometricCalibration、NDVI、SpectralIndices(NDSI)、BandMath等。下面以2017年获取的Landsat-8影像数据为例，具体计算过程如下:1)辐射定标(RadiometricCalibration)此步骤对Landsat-8数据的MultiSpectral(7bands)波段层和Thermal(2bands)进行辐射定标，目的是将影像的亮度灰度值转换为绝对的辐射亮度值(DN)。2)求解归一化植被指数(NDVI)与地表辐射比率由于冬季可能存在少量不落叶绿色植被成林，因此反演过程依然采用了NDVI法。由于NDVI法对于植被覆盖具有很好的拟合性，可以简单区分冰雪、城市地表和植被，因此可用像元二分模型如公式(4)进行植被覆盖度(Fveg)计算，具体见文献[4]:ENVI计算式如下:(b1gt0.7)×1+(b1lt0.05)×0+(b1ge0.05andb1le0.7)×((b1-0.05)/(0.7-0.05))此处关于是否进行大气校正的说明，文献[2]提出使用原始的DN值图像对于NDVI计算影像较小，因此可以不做大气校正，同时可通过计算归一化雪指数(NDSI)检验上述区分度的正确性。由于哈尔滨冬季主要以冰雪和城市下垫面为主，因此地表辐射比率采用城镇区像元比辐射率，具体见文献[2]:3)黑体辐射亮度计算与大气参数获取大气参数可在http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/网站获取，主要包含大气透过率和上、下行辐射。图1为2017年1月12日获得的大气参数，其中大气透过率0.98，上行辐射0.05，下行辐射0.10。根据公式(2)黑体辐射亮度计算，BandMath表达式可为:(b2-0.05-0.98×(1-b1)×0.10)/(0.98×b1)，其中b1为地表比辐射率图像，b2为Band10辐射亮度图像。图1大气参数图4)计算地表温度根据公式(3)地表温度计算，BandMath表达式可为:(1321.08)/alog(774.89/b1+1)-273，其中b1为黑体辐射亮度。通过计算可得到哈尔滨地区该时间的地表温度，如图2所示。图2冬季地表温度反演图从图2可以看出，该温度图符合哈尔滨市城区冬季温度特性，其中最低温度为-24.9℃，最高温度为-2.9℃，且居民地区域相对于周边农田区温度较高，这与城市温热效应和人为活动有关。从冬季影像图也可以得出哈尔滨主城区冬季存在“温岛效应”，而且居民地越密集，效应越显著。采用同样的方法，计算出2016和2018年的温度反演结果，用ENVI生成像元数与温度统计图，具体三年情况如图3所示。由图3可得出三年期温度反演结果，置信区间在95%以上集中，分别为-14.0℃、-17.0℃、-14.5℃，根据气象历史数据查询，哈尔滨2016年1月26日、2017年1月12日、2018年1月31日的气温为分别为-11.0℃、-18.0℃、-13.0℃，因此该反演结果精度较高，较差最大约3℃、最小约1℃。图3像元数与温度统计图3、结束语本文以哈尔滨市城区为研究区域，对我国北方冬季冰雪覆盖的城市地区，用三年期Landsat-8数据进行了地表温度反演，通过与气象历史资料比对，得出利用Landsa-8数据采用大气辐射法反演冰雪覆盖城市地区冬季地表温度具有可行性且精度较高，同时针对地表温度图分析得出哈尔滨主城区在冬季存在“温岛效应”，其面积与居民地分布成正相关性。参考文献：[1]孙志群,刘志辉,孟现勇.基于MODIS的亚像元雪表面温度反演方法研究[J].干旱区资源与环境,2014,28(5):166-170.[2]覃志豪,李文娟,徐斌,等.利用LandsatTM6反演地表温度所需地表辐射率参数的估计方法[J].海洋科学进展,2004,22(10):129-136.[3]孟翔晨,历华,杜永明,等.Landsat-8地表温度反演及验证———以黑河流域为例[J].遥感学报,2018,22(5):857-871.[4]李苗苗,吴炳方,颜长珍,等.密云水库上游植被覆盖度的遥感估算[J].资源科学,2004,26(4):153-159.[5]张春文,吴红波,郭中明.基于DISORT算法的冰川表面温度反演研究[J].地理与地理信息科学,2014,30(5):12-16.[6]宋挺,段峥,刘军志,等.Landsat-8数据地表温度反演算法对比[J].遥感学报,2015,19(3):451-464.岳昊,金丽华,王刚.基于Landsat-8的冰雪覆盖城市地区温度反演研究[J].测绘与空间地理信息,2020(S1):44-46.