陶旭

摘 要 基于2019年3月12日Landsat-8 TIRS遙感影像數(shù)據(jù)，通過大氣校正法，在ENVI和ArcGIS軟件的支持下，對合肥市主城區(qū)進(jìn)行地表溫度反演，并通過疊加矢量數(shù)據(jù)分析。結(jié)果表明：運(yùn)用Landsat-8 TIRS遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度反演方法可行;工業(yè)生產(chǎn)強(qiáng)度與城市地表溫度高低可能呈正相關(guān)性;各地物類型表面溫度由高到低排序依次是建筑物、道路、裸地、植被和水體;合肥市主城區(qū)地表溫度由市中心向外逐漸降低。

關(guān)鍵詞 Landsat-8數(shù)據(jù);大氣校正法;地表溫度;合肥市

中圖分類號：F302.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.23.085

地表溫度（Land surface temperature，LST）是地球能量交換和水汽循環(huán)過程中的重要參數(shù)。衛(wèi)星熱紅外遙感為快速、大面積地獲取地表溫度提供了有效途徑[1]。Landsat-8衛(wèi)星是美國陸地探測系列的后續(xù)衛(wèi)星，其裝備有陸地成像儀（簡稱OLI）和熱紅外傳感器（簡稱TIRS），因其方便獲取、時(shí)間序列跨度長、數(shù)據(jù)質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)而在全世界被廣泛使用，通過Landsat-8 TIRS所獲得的TIRS10和TIRS11來進(jìn)行地表溫度反演是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[2]。因此，基于Landsat-8 TIRS數(shù)據(jù)和安徽省合肥市矢量數(shù)據(jù)，在ENVI和ArcGIS軟件支持下，運(yùn)用大氣校正法對合肥市主城區(qū)2019年3月12日的地表溫度進(jìn)行反演，以期證明反演的可行性并且分析當(dāng)日合肥市地表溫度變化情況以及分布情況。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

合肥市位于安徽省中部，位于北緯30°57′～

32°32′、東經(jīng)116°41′～117°58′，海拔平均20～40 m。合肥地處中緯度地帶，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，季風(fēng)明顯，四季分明，氣候溫和，雨量適中。年均氣溫15.7 ℃，年均降水量約1 000 mm，年日照時(shí)間約2 000 h，年均無霜期228 d，平均相對濕度為77%。全市下轄4個(gè)區(qū)、4個(gè)縣、代管1個(gè)縣級市，總面積

11 445.1 km2，建成區(qū)面積476.5 km2。此次研究區(qū)為合肥市主城區(qū)，即廬陽區(qū)、蜀山區(qū)、包河區(qū)和瑤海區(qū)，見圖1。

1.2 研究方法

目前，地表溫度反演算法主要包括3種：大氣校正法、單窗算法和分裂窗算法。借鑒其他研究學(xué)者研究成果，并根據(jù)研究區(qū)域的特點(diǎn)，本次采用大氣校正法進(jìn)行地表溫度反演研究[3-10]。

大氣校正法基本原理：衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ由三部分組成。大氣向上輻射亮度L↑、地面的真實(shí)輻射亮度經(jīng)過大氣層之后到達(dá)衛(wèi)星傳感器的能量、大氣向下輻射到達(dá)地面后反射的能量。衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ的表達(dá)式可寫為（輻射傳輸方程）：

（1）

式中，ε為地表比輻射率，TS為地表真實(shí)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：

（2）

TS可以用普朗克公式的函數(shù)獲?。?/p>

（3）

對于TM數(shù)據(jù)，K1=607.76 W·m-2·?m-1·sr-1，K2=1 260.56 K;

對于ETM+數(shù)據(jù)，K1=666.09 W·m-2·?m-1·sr-1，K2=1 282.71 K;對于TIRS Band10數(shù)據(jù)，K1=774.89 W·m-2·?m-1·sr-1，K2=

1 321.08 K。

使用Sobrino[11]提出的NDVI閾值法積算地表比輻

射率：

式中，Pv是植被覆蓋度，用以下公式計(jì)算：

其中，NDVI為歸一化植被指數(shù)，NDVISoil為完全裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。取經(jīng)驗(yàn)值NDVIVeg=0.70和NDVISoil=0.05，即當(dāng)某個(gè)像元的NDVI大于0.70時(shí)，Pv取值為1;當(dāng)NDVI小于0.05，Pv取值為0。

1.3 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

從USGS網(wǎng)站（https：//earthexplorer.usgs.gov/）獲取Landsat-8 OLI/TIRS C1 Level-1數(shù)據(jù)，考慮衛(wèi)星成像周期、數(shù)據(jù)云量和季節(jié)影響，本研究選取2019年3月12日覆蓋合肥區(qū)域的Landsat-8遙感影像，影像條帶號和行編號為121/38，云覆蓋量為0.04%，合肥市域范圍上空無云，符合本研究分析要求。大氣剖面參數(shù)獲取可在Atmospheric Correction Parameter Calculator（http：//atmcorr.gsfc.nasa.gov/）網(wǎng)站下載，其主要包含上下行輻射和大氣透過率，通過反演流程（圖2），最終得到地表溫度反演結(jié)果為：合肥當(dāng)天平均溫度16.4 ℃，最高溫度22.9 ℃，最低溫度0.5 ℃，通過安徽省氣象局查閱，合肥市區(qū)當(dāng)天最高氣溫為20.0 ℃，最低氣溫為3.0 ℃。

2 結(jié)果與分析

將合肥市四區(qū)邊界與地表溫度反演柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分區(qū)統(tǒng)計(jì)，得到2019年3月12日四區(qū)的地表溫度反演結(jié)果（表1）：蜀山區(qū)最高溫度22.9 ℃，出現(xiàn)在區(qū)內(nèi)東南部的經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)內(nèi)，最低溫度3.0 ℃，出現(xiàn)在大蜀山附近;廬陽區(qū)最高溫度20.2 ℃，出現(xiàn)在區(qū)內(nèi)東北部經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)內(nèi)，最低溫度7.0 ℃，出現(xiàn)在董鋪水庫水面;瑤海區(qū)最高溫度18.7 ℃，出現(xiàn)在區(qū)內(nèi)工業(yè)聚集區(qū)，最低溫度

0.5 ℃，出現(xiàn)在蔡塘水庫水面;包河區(qū)最高溫度18.4 ℃，出現(xiàn)在區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)內(nèi)，最低溫度4.3 ℃，出現(xiàn)在巢湖水面。四區(qū)當(dāng)日平均氣溫由高到低依次是：瑤海區(qū)17.1 ℃，蜀山區(qū)16.9 ℃，廬陽區(qū)15.8 ℃，包河區(qū)15.1 ℃。

通過鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界數(shù)據(jù)與地表反演溫度柵格數(shù)據(jù)疊加分區(qū)統(tǒng)計(jì)可知，四區(qū)范圍內(nèi)平均溫度最高的區(qū)域分別是蜀山區(qū)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、廬陽區(qū)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、瑤海區(qū)工業(yè)園和包河區(qū)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，與當(dāng)日各區(qū)最高氣溫分布點(diǎn)結(jié)果一致，一定程度上反映出工業(yè)生產(chǎn)活動強(qiáng)度與城市地表溫度高低呈正相關(guān)性。

通過圖3中地表溫度分布圖及分區(qū)統(tǒng)計(jì)可看出，除去各區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的影響，由市中心向外呈現(xiàn)溫度逐漸下降的趨勢，反映出城市中心區(qū)域的熱島效應(yīng)要高于城市周邊區(qū)域。將地表溫度分布圖與最新的谷歌地球遙感影像進(jìn)行疊加，通過目視解譯的方式可發(fā)現(xiàn)，各地物類型的表面溫度由高到低依次是建筑物、道路、裸地、植被和水體，與各區(qū)內(nèi)最低溫度分布點(diǎn)均在植被或水體中的結(jié)果相一致;在人類生產(chǎn)活動中，工業(yè)生產(chǎn)聚集區(qū)的地表溫度最高，商業(yè)活動聚集區(qū)次之，居民居家（居民樓小區(qū)）生產(chǎn)活動溫度最低。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1）通過數(shù)據(jù)反演得到合肥市當(dāng)日最高溫度22.9 ℃，最低溫度0.5 ℃，通過安徽省氣象局查閱合肥市區(qū)當(dāng)日最高氣溫為20.0 ℃，最低氣溫為3.0 ℃，差異較小，由此可證明通過遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度反演具有可行性。

2）合肥市四區(qū)的工業(yè)聚集區(qū)是溫度分布最高的區(qū)域，工業(yè)生產(chǎn)活動強(qiáng)度與地表溫度高低一定程度上呈正相關(guān)性。

3）通過疊加谷歌地球遙感影像分析，各地物類型表面溫度由高到低排序依次是建筑物、道路、裸地、植被和水體;合肥市四區(qū)最低溫度出現(xiàn)的地物類型是蜀山區(qū)植被覆蓋率高的大蜀山，其他三區(qū)為水體;在人類生產(chǎn)活動中，地表溫度由高到低依次是工業(yè)生產(chǎn)活動、商業(yè)生產(chǎn)活動和居民居家（居民樓小區(qū)）生產(chǎn)活動。

4）越靠近城市邊緣地表溫度越低，越靠近城市中心地表溫度越高;城市地表溫度以市中心為中心向外呈輻射狀。

3.2 討論

近年來，合肥市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展活躍，尤其是在2010年安徽皖江城市帶承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移示范區(qū)建設(shè)納入國家發(fā)展戰(zhàn)略、合肥市被確立為中國長三角城市群副中心城市以來，該市吸引大量人口，工業(yè)生產(chǎn)和城市建設(shè)發(fā)展迅猛，從而引發(fā)城市地表溫度升高、城市熱島效應(yīng)顯著。

通過本研究可知，植被和水體可有效緩解地表溫度升高和城市熱島效應(yīng)，未來合肥市在城市規(guī)劃和工業(yè)用地選址、審批等方面可配備相應(yīng)的綠化園林用地和水體景觀用地，協(xié)調(diào)好工業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)景觀之間的關(guān)系，從而緩解地表溫度升高和城市熱島效應(yīng)加劇的現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉晶.基于Landsat-8數(shù)據(jù)的地表溫度反演算法對比[D].西安：長安大學(xué)，2018.

[2] 宋瑞祥，張慶國，孟慶巖，等.基于landsat8 oli數(shù)據(jù)的合肥市熱島時(shí)空特征分析[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，43（3）：474-480.

[3] 徐涵秋.新型Landsat8衛(wèi)星影像的反射率和地表溫度反演[J].地球物理學(xué)報(bào)，2015（3）：741-747.

[4] 覃志豪，Arnon Karnieli.用NOAA-AVHRR熱通道數(shù)據(jù)演算地表溫度的劈窗算法[J].國土資源遙感，2001（2）：33-42.

[5] 胡德勇，喬琨，王興玲.單窗算法結(jié)合Landsat8熱紅外數(shù)據(jù)反演地表溫度[J].遙感學(xué)報(bào)，2015，19（6）：964-976.

[6] 谷俊鵬，裴亮.基于Landsat 8-OLI/TIRS和HJ-1B太湖葉綠素含量和溫度反演研究[J].測繪與空間地理信息，2017，40（5）：146-151，156.

[7] 孟鵬，胡勇，鞏彩蘭，等.熱紅外遙感地表溫度反演研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].遙感信息，2012，27（6）：118-123，132.

[8] 李鑒清，張慶國，朱雅莉，等.合肥市地表溫度反演及熱力景觀格局動態(tài)變化研究[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，39（4）：629-636.

[9] 劉文淵，謝亞楠，萬智龍，等.不同地表參數(shù)變化的上海市熱島效應(yīng)時(shí)空分析[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2012，27（5）：797-803.

[10] 陳愛蓮，孫然好，陳利頂.基于景觀格局的城市熱島研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2012，32（14）：4553-4565.

[11] Sobrino JA，Coll C，Caselles V.Atmospheric correction for land surface temperature using NOAA-11 AVHRR channels 4 and 5[J].Remote Sensing of Environment，1991，38（1）：19-34.

（責(zé)任編輯：趙中正）