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        基于Landsat8的唐山市地表溫度反演

        2022-04-26 10:59:02孫愉鈞楊久東
        關(guān)鍵詞:熱島黑體定標(biāo)

        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(qiáng)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(yùn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度等級劃分為5個等級,如表1所示:

        表1 熱島強(qiáng)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(qiáng)熱島主要位于市區(qū)、灤南,熱島強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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。

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