采用TM影像的沈陽市熱環境變化研究

謝志偉 王洪明

【摘要】城市熱環境是城市空間環境在熱力場中的綜合表現，掌握城市的熱環境狀況可以為城市的發展規劃和生態建設提供有效的依據。本文將TM數據作為實驗數據，采用單窗地表溫度反演算法，通過輻射亮溫的計算、比輻射率估算、大氣平均作用溫度的估計、大氣透過率的估計、地表溫度計算等5個關鍵步驟，分別得到了1992年、2001年、2010年的沈陽市地表溫度，從而獲得了沈陽市熱環境的變化情況。實驗結果表明，沈陽市的最低溫度、最高溫度和平均溫度均呈現上升趨勢。具有明顯熱島效應。

【關鍵詞】單窗算法 比輻射率 地表溫度 熱島效應 沈陽市

Lake在1833年首次對倫敦市中心的氣溫比郊區高的現象進行定義，提出了“熱島效應”。城市熱島效應對城市的氣候環境、公共健康、能源消耗、空氣質量以及經濟發展等都造成了深遠的負面影響。所以，城市熱環境的研究越來越被重視。因此，快速、科學、有效的獲取大面積地表溫度，已經成為國內外遙感的重要內容，是城市熱島效應從定性轉為定量研究的基礎。

McMillin等人最早提出劈窗算法，適用于有兩個熱紅外波段的數據，如AVHRR和MODIS數據。Wan等人利用MODIS的7個波段，提出了多通道算法，可以反演多個熱紅外波段數據的地表溫度，該方法不需要高精度的大氣溫度和水汽輪廓線數據，誤差主要是數據的配準誤差。覃志豪等人提出了單窗算法，通過引入大氣平均溫度的概念，基于熱輻射傳導方程，針對僅有一個熱紅外波段的遙感數據，提出了的根據TM6獲取地表溫度的方法。覃志豪的單窗算法所需參數較少，具有較高的反演精度。

沈陽市是我國重要的東北工業基地之一。在城市快速發展的同時，使得城市熱量增加、流通緩慢，進而產生嚴重的熱島效應。如何讓沈陽在經濟大發展的同時打造宜居城市的口號能夠實現，研究其熱環境狀況，并分析其緩解對策是必經之路。

本文選擇單窗算法進行沈陽市地表溫度反演，獲取沈陽市的地表溫度變化情況，為進一步地表熱環境動態監測提供科學依據。一、基于單窗算法的沈陽市地表溫度反演

單窗算法利用熱紅外波段進行地表溫度反演主要包括五個部分：輻射亮溫的計算、比輻射率估算、大氣平均作用溫度的估計、大氣透過率的估計、地表溫度計算。單窗算法反演地表溫度流程圖如圖1所示。

（1）輻射亮溫的計算。輻射亮溫計算的關鍵步驟是對熱紅外波段進行輻射定標，進而求出相應亮度溫度。公式為：

Lλ=gain*DN+offset

（1）

式中：Lλ為傳感器入瞳處熱輻射亮度值，gain為波段增益系數，DN為熱紅外波段的灰度值，offset為偏移系數。由上述公式計算可得研究區不同年份地表輻射亮溫。

（2）比輻射率的估算。比輻射率用e表示，定義為物體在溫度T、波長λ下的輻射出射度Ms與同溫度、同波長下黑體輻射出射度Mb的比值。本文采用可見光和近紅外的光譜信息參數，利用經驗和半經驗公式進行地表比輻射率的估計。

（3）大氣平均作用溫度的估計。大氣平均作用溫度主要取決于大氣剖面氣溫分布和大氣狀態。本文通過分析標準大氣的水分含量以及氣溫隨高程變化的規律，以標準大氣狀態為標準，計算出在實際大氣剖面數據缺乏的情況下，大氣的平均作用溫度與近地面（離地高2m左右）氣溫的關系。

（4）大氣透過率的估計。大氣透過率τ是地表溫度遙感反演的基本參數。本文運用大氣模擬程序LOWTRAN7，考慮了大氣水分在20.4-6.4g/cm區間內變動的情況下，模擬了大氣水分含量變化與大氣透射率變化之間的相關關系，并建立了相關方程，如表1所不。

（5）計算地表溫度。得到所需反演參數后，依據地表溫度反演公式，對遙感數據進行反演。

二、實驗分析

應用單窗地表溫度反演算法分別對沈陽市1992年、2001年、2010年的TM影像進行地表溫度反演，并統計了不同時相地表溫度反演得到的結果，得到的地表溫度結果如圖2所示。從圖2可以看出1992年的最低溫度為7.35度、最高溫度為21.63度、平均溫度為14.05度；2001年的最低溫為11.94度、最高溫度為27.31度、平均溫度為19.39度；2010年的最低溫度為18.65度、最高溫度為28.44度、平均溫度為23.54度。通過實驗結果可以看出，1992年、2001年和2010年沈陽市的最高溫度、最低溫度和平均溫度均呈現出升高的趨勢，沈陽市的熱島效應明顯。

三、結論

本章首先敘述了采用單窗算法反演地表溫度的原理；然后，闡述了單窗算法反演地表溫度的具體步驟；最后，通過實驗得到出了沈陽市的1992年、2001年和2010年的地表溫度，并發現了沈陽市的各項溫度均呈現升高的趨勢，得到了沈陽市熱島效應顯著的結論。