武文昊，黃瑞芬

（1.遼寧省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，遼寧 沈陽 110122；2.國(guó)家林業(yè)局森林病蟲害防治總站，遼寧 沈陽 110034）

多源遙感數(shù)據(jù)的溫度反演算法與分析

武文昊1，黃瑞芬2

（1.遼寧省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，遼寧 沈陽 110122；2.國(guó)家林業(yè)局森林病蟲害防治總站，遼寧 沈陽 110034）

該文使用Artis&Camahan的輻射校正溫度反演法，通過地表比輻射率和亮溫反演結(jié)果的綜合計(jì)算進(jìn)行溫度反演，最后對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行了精度驗(yàn)證，證明了該算法可以合理的反演出城市地表溫度，得出該溫度反演方法的有效性。

遙感；地表溫度反演；輻射校正法；精度驗(yàn)證

地球科學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了熱島的研究，尤其是隨著熱紅外遙感技術(shù)日益完善，遙感手段極大程度地促進(jìn)著城市熱島的研究。相對(duì)于傳統(tǒng)的氣象數(shù)據(jù)觀測(cè)法遙感技術(shù)手段具有覆蓋范圍廣，能夠長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，基本克服了傳統(tǒng)氣象數(shù)據(jù)法的缺點(diǎn)。

比較常用的就是基于溫度的監(jiān)測(cè)方法。Landsat TM影像包括7個(gè)波段，其中第6波段熱紅外波段接收的就是熱紅外輻射強(qiáng)度，它能很好的反映地表溫度的狀況［1］。目前針對(duì)TM或ETM+影像的溫度反演算法主要為：大氣校正法、分裂窗算法以及比較常用的單窗算法等。大氣校正法在反演地表溫度時(shí)是計(jì)算地表比輻射率和大氣剖面參數(shù)（包括不同高度的溫度、氣壓、水蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)、臭氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)等）［2］。分類窗算法主要是應(yīng)用于NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)的第4和第5通道，最初主要是進(jìn)行海面溫度的反演，后來也被應(yīng)用于地表溫度的反演［3］。單窗算法也是根據(jù)大氣校正法推算出來的用于反演地表溫度的方法，此方法也是利用Landsat TM/ETM+的第6波段數(shù)據(jù)（熱紅外波段）。也僅適用于只有1個(gè)熱紅外波段的遙感數(shù)據(jù)，通過這個(gè)熱紅外波段來推演地表溫度。Artis& Camahan的輻射校正溫度反演法是在不考慮大氣因素影響的條件下，對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)源進(jìn)行亮溫反演［2］，然后根據(jù)不同地物的性質(zhì)，計(jì)算出每類地物的比輻射率，通過地表比輻射率和亮溫反演結(jié)果的綜合計(jì)算，就可以得出地表的真實(shí)溫度，該方法能夠減少考慮大氣的復(fù)雜作用。本文研究選取的就是該方法。

1 數(shù)據(jù)來源及溫度反演算法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文選取的研究區(qū)域是位于江蘇省南部的常州市，是中國(guó)長(zhǎng)三角地區(qū)的重要城市之一，改革開放以后經(jīng)濟(jì)和城市的發(fā)展都特別迅速，城區(qū)的面積在不斷增加，熱島效應(yīng)變化明顯。常州市地區(qū)是由軌道號(hào)分別為119-38和120-38的兩景影像組成。本文影像遙感數(shù)據(jù)來源為美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（簡(jiǎn)稱USGS），選取的年份是1988年7月14日、2002年7月12日和2010年8月19日的3個(gè)時(shí)相的Landsat TM影像數(shù)據(jù)，以及2014年8月11日的Landsat 8數(shù)據(jù)作為本次研究的遙感信息源。本文除了4期遙感影像之外，還使用了常州市1:50 000地形圖，進(jìn)行幾何精校正；常州市行政矢量邊界，通過矢量邊界進(jìn)行研究區(qū)的裁剪；常州市的氣象資料及其周邊溫度站點(diǎn)的氣象資料，進(jìn)行地表溫度反演的精度驗(yàn)證。1.2溫度反演算法

1.2.1 幾何校正

本文以常州市1:50 000地形圖為參照依據(jù)，在原始影像上選取了30個(gè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)的選取盡量選擇在明顯的地物點(diǎn)上，最好是選取不會(huì)由短時(shí)間的改變而發(fā)生變化的地物。本研究選取的控制點(diǎn)的總體均方根值RMS為1.006 603，幾何校正方差基本控制在1個(gè)像元，利用鄰近像元重采樣進(jìn)行精度配準(zhǔn)，配準(zhǔn)精度結(jié)果符合要求。

1.2.2 輻射校正

輻射定標(biāo)主要是消除傳感器儀器本身帶來的誤差，作用原理就是把傳感器拍攝的衛(wèi)星影像上的灰度值（DN）轉(zhuǎn)化為輻射亮度值［4］。

大氣校正則是為了消除或減少大氣因素對(duì)衛(wèi)星影像的干擾，通過大氣校正以后就可以獲得比較準(zhǔn)確的地表輻射亮度值。輻射定標(biāo)得到的是輻射亮度，大氣校正是將得到的輻射亮度轉(zhuǎn)換為地表真實(shí)輻射亮度。

1.2.3 圖像鑲嵌與研究區(qū)裁剪

由于常州市是由兩景影像組成，所以首先對(duì)軌道號(hào)為120-38和119-38的兩景影像進(jìn)行鑲嵌。本文利用ENVI 5.1對(duì)兩景影像進(jìn)行無縫鑲嵌，形成包含整個(gè)常州市的TM影像衛(wèi)星圖（圖1）。

1.2.4 輻射定標(biāo)

針對(duì)遙感數(shù)字圖像給出的像元灰度值，需要將各影像中的灰度值轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的輻射亮度值，用來進(jìn)行定量比較，這個(gè)將灰度值轉(zhuǎn)換成輻射亮度值的過程就是輻射定標(biāo)［5］。輻射定標(biāo)的公式：

式中：Lλ為輻射強(qiáng)度值；Gain為衛(wèi)星影像的增益系數(shù)；DN為灰度值；Bias為偏移系數(shù)。

圖1 拼接影像及研究區(qū)裁剪

遙感影像經(jīng)過輻射定標(biāo)后，可以計(jì)算地表亮溫，本文選取的計(jì)算方法為Planck公式，即：

式中：TB為輻射亮溫；Lλ為輻射強(qiáng)度值；K1、K2均為常數(shù)。對(duì)于Landsat 5和Landsat 8的取值不同，K1、K2均可以從遙感數(shù)據(jù)的頭文件中找出，見表1。

表1 Landsat衛(wèi)星K1、K2常數(shù)值

1.2.5 地表比輻射率計(jì)算

由于本文研究的區(qū)域主要屬于城區(qū)，利用混合像元分解法，將地表簡(jiǎn)單的看作主要是由水體、植被表面和城鎮(zhèn)表面3種地物組成。將研究區(qū)地物分為水體和陸地兩部分，由于水體一般是固定的城市地物，所以根據(jù)研究對(duì)水體直接設(shè)定比輻射率為經(jīng)驗(yàn)值0.995［6］。

陸地部分主要是由建筑用地和植被組成，根據(jù)公式求出兩者的比輻射率：

式中：ε為混合地物的比輻射率；Pv為植被覆蓋度；rv與rm分別表示植被和建筑表面的輻射比率；εv和εm分別表示植被和建筑表面的比輻射率；dε為地表幾何分布和內(nèi)部散射效應(yīng)，對(duì)于水平地表，該項(xiàng)可以忽略［2］。

植被覆蓋度Pv可以通過植被指數(shù)（NDVI）來計(jì)算，植被覆蓋度的多少反映了植被的茂密程度。植被指數(shù)公式：

式中：ρ3和ρ4分別表示TM影像第3波段和第4波段的反射率。

式中：Pv為植被覆蓋度；NDVI為植被指數(shù)；NDVIv為茂密植被覆蓋像元的植被指數(shù)值；NDVIs為完全裸土像元的植被指數(shù)值。

從公式中可以看出，植被指數(shù)的值決定了植被覆蓋度的值。植被指數(shù)值越大，表示該地表的植被茂密程度越好；相反的，當(dāng)植被指數(shù)值越小，表示地表植被覆蓋度越差。因此，參考以往的研究經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)NDVI0.74時(shí)，Pv=1［7］。

對(duì)于εv和εm，可以通過植被覆蓋度Pv來估計(jì)［6］：

1.2.6 亮溫提取

根據(jù)亮度溫度值TB，結(jié)合地表比輻射率ε，就可以計(jì)算出地表的真實(shí)溫度，計(jì)算公式：

式中：St為經(jīng)過校正后的地面溫度；λ為熱紅外波段的中心波長(zhǎng)，Landsat 5的取值為11.5 μm，Lansat 8的取值為10.9 μm；ρ=0.014 387 m·k（k為溫度單位開爾文，m為數(shù)量級(jí)，為1/1 000）；ε為地表比輻射率［4］。

以上求出的是像元的地面相對(duì)亮溫值，為了與人們的日常所用溫度相聯(lián)系，需要利用下式將其還原為攝氏溫度T（℃）：

1.2.7 溫度反演結(jié)果

通過前面提到的影像預(yù)處理和Artis& Camahan輻射校正溫度反演法進(jìn)行了地表溫度的反演計(jì)算，然后利用ArcGIS軟件對(duì)反演后的影像進(jìn)行溫度分級(jí)、計(jì)算，得到常州市1988年7月14日、2002年7月12日、2010年8月19日和2014年8月11日的地表溫度反演圖（圖2）。

圖2 研究區(qū)地表溫度反演圖

2 反演溫度精度驗(yàn)證

對(duì)于應(yīng)用遙感手段進(jìn)行反演與分析，都需要對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。本文進(jìn)行的是遙感數(shù)據(jù)的溫度反演，采用的驗(yàn)證方法是通過比較地面真實(shí)溫度數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證反演結(jié)果的有效性。為了驗(yàn)證本文研究區(qū)域溫度反演的有效性和真實(shí)性，選擇將同時(shí)期研究區(qū)域氣溫資料的溫度平均值與遙感影像反演后所獲得的平均溫度值進(jìn)行對(duì)比來進(jìn)行精度驗(yàn)證［8］。

本文選取了常州市及其周邊城市溫度站點(diǎn)，通過中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)查詢的實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)，選取的溫度站點(diǎn)為常州市（58343）、溧陽市（58345）、南京市（58238）、高郵市（58241）、南通市（58259）、無錫市（58354）和東山市（58358）7個(gè)溫度站點(diǎn)，這7個(gè)站點(diǎn)涵蓋了整個(gè)研究區(qū)范圍，各溫度站點(diǎn)的日平均溫度如表2所示。

表2 相關(guān)區(qū)站1988-2014年日平均溫度

然后把選取的溫度站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS軟件中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值分析，使用的是克里格插值方法，此方法是指在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)區(qū)域化變量的取值進(jìn)行無偏、最優(yōu)估計(jì)的一種方法。最后得出整個(gè)區(qū)域的平均溫度。通過氣象站點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度來分析驗(yàn)證本次反演結(jié)果的精度（表3）。從表3數(shù)據(jù)中可以看出，1988年、2002年、2010年和2014年反演的地表溫度與氣象站點(diǎn)所實(shí)測(cè)的氣象數(shù)據(jù)存在著一定的差異?？紤]兩者之間產(chǎn)生差值的原因，主要是因?yàn)楸疚牟捎玫氖茿rtis&Camahan的輻射校正溫度反演法反演的地表溫度，與氣象站點(diǎn)的實(shí)測(cè)地表溫度兩者之間本身就會(huì)產(chǎn)生誤差，同時(shí)使用該算法反演地表溫度，由于大氣對(duì)影像的影響，所以在反演過程中會(huì)存在誤差，這就導(dǎo)致了反演的結(jié)果和氣象站點(diǎn)所實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)有一定出入。

不過，4期反演的地表溫度與氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)的地表溫度的差值在2℃左右，誤差范圍可以接受［9］，并且本文主要的研究點(diǎn)是對(duì)常州市近30年的熱場(chǎng)變化進(jìn)行分析，而影像反演的地表溫度與氣象站點(diǎn)所實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)在溫度特征上基本保持一致，在常州市近30年來，常州市的氣溫是逐步上升的，所以據(jù)此認(rèn)為4期影像反演的地表溫度的精度是有效的。

表3 氣象觀測(cè)溫度與影像反演溫度之比較

3 結(jié)論

本文根據(jù)Artis&Camahan的輻射校正溫度反演法，定量的反演了地表比輻射率、亮溫、地表溫度等參數(shù)［10］，分別得到了1988年、2002年、2010年及2014年的常州市地表溫度分布圖，并查詢收集了常州市及常州市周邊溫度站點(diǎn)的歷史同期氣象數(shù)據(jù)，通過氣象數(shù)據(jù)對(duì)反演結(jié)果的精度驗(yàn)證，證明了反演結(jié)果的有效性。

衛(wèi)星傳感器在拍攝衛(wèi)星影像時(shí)，城市下墊面向衛(wèi)星傳感器發(fā)射輻射強(qiáng)度，這時(shí)傳感器所接收的就是亮度溫度。但是這時(shí)傳感器所接收的亮度溫度，我們不能把它認(rèn)為就是地物的真實(shí)溫度，因?yàn)榇藭r(shí)的亮度溫度并不等同于我們所熟知的真實(shí)溫度，亮度溫度是將地物比作了黑體，而黑體是能夠吸收全部輻射的理想物體，并且亮度溫度是以像元為單位的平均溫度。在研究中發(fā)現(xiàn)，亮度溫度是略小于真實(shí)溫度的，但二者具有很強(qiáng)的相關(guān)性，在有些城市熱島效應(yīng)的研究中，亮度溫度用來代替真實(shí)溫度［11］。

本文只利用了Artis&Camahan的輻射校正溫度反演法進(jìn)行了溫度反演，對(duì)于其它溫度反演方法沒有進(jìn)行分析比較，不同溫度反演方法的所得結(jié)果也沒有進(jìn)行差值分析。在溫度反演過程中，城市下墊面是由多種地物組成，不同地物的發(fā)射率也不同，計(jì)算起來較為復(fù)雜，所需要的各種參數(shù)（氣壓、水蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)、地表比輻射率等）的計(jì)算誤差都會(huì)對(duì)反演結(jié)果造成一定的影響，而究竟影響有多大，這都需要在以后的研究中做進(jìn)一步的探討。

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（責(zé)任編輯：苑輝）

Temperatureretrievalalgorithmbasedonmulti-sourceremotesensing data

WU Wenhao1，HUANG Ruifen2
（1.Liaoning Provincial Institute of Forestry Survey and Planning，Shenyang 110122，China；2.General Station of Forest Pest Management，StateForestryAdministration，Shenyang110034，China）

In this study，radiometric calibration algorithm proposed by Artis&Camahan was used，and the temperature retrieval was calculated by land emissivity and result of bright temperature inversion，which could reduce the complexity of taking atmosphere into account.At last，the precision testing about the retrieval result was carried out，which proved that this algorithm could reasonably reflect the urban surface temperature，and the retrieval algorithm was validity.

remote sensing；surface temperature retrieval；precision verification；radiometric calibration algorithm

TP79

A

1001-1714（2017）01-0019-04

2016-11-15

武文昊（1988-），男，工程師，主要從事遙感和林業(yè)調(diào)查規(guī)劃方面的研究。E-mail：19881210wwh@sina.com。