黃河三角洲濕地地表溫度的遙感反演方法研究

張青

摘 要：研究黃河三角洲濕地地表溫度對氣候變化研究、土壤管理及保護黃河三角洲濕地生態系統穩定具有重要意義，本文基于2016年Landsat 8 OLI_TRIS數據，利用大氣校正法和單窗算法分別反演成成像時刻的地表瞬時溫度場。研究結果表明，兩種結果都明顯地表現出上部沖積平原地區地表溫度明顯高于下部沖積海積平原和潮灘與河口灘地區地表溫度。另外城鎮和居民點兩種算法的地表溫度反演結果相差較大。在將大氣校正法的反演結果和單窗算法的反演結果進行求差運算之后，呈現東北到西南呈現出溫度差逐漸變大的趨勢。

關鍵詞：地表溫度反演;大氣校正法;單窗算法;黃河三角洲

一、數據與方法

（一）研究區概況

黃河三角洲位于渤海灣南岸和萊州灣西岸，地處中緯度，本文的研究區為除廣饒縣以外的東營市各區縣，采用的遙感圖像來自于地理空間數據（http：//www.gscloud.cn/），以黃河三角洲地區2016年遙感影像為數據源，為Landsat 8 OLI_TRIS影像，軌道行號：121，軌道列號：34，成像于2016年12月16日，含云量5.43%。在多光譜波段分辨率為30m*30m，熱紅外波段分辨率為100m*100m。

（二）研究方法

大氣校正法，又稱輻射傳導方程法（Radioactive Transfer Equation，RTE），其基本思路為：首先估計大氣對地表熱輻射的影響， 然后把這部分大氣影響從衛星傳感器所觀測到的熱輻射總量中減去， 從而得到地表熱輻射強度， 再把這一熱輻射強度轉化為相應的地表溫度。

另一種方法是單窗算法（Mono-window Algorithm），是覃志豪等（2004）[1]根據地表熱輻射傳導方程，推導出的一種地表溫度反演的算法，他推導出單窗算法的方程：

式中，Ts是地表實際溫度;a和b是常量，分別為-67.355351和0.458606;C和D是中間變量，C=ετ，D=（1-τ）[1+（1-ε）τ]，其ε是地表輻射率，τ是大氣透射率;T10是衛星高度上傳感器所探測到的像元亮度溫度（K）[2]。

二、地表溫度反演過程

（一）利用大氣校正法進行地表溫度反演

將數據按照波長分為五個數據集，分別對影像的多光譜數據和熱紅外數據進行輻射定標，得到相應的輻射亮度圖像，然后進行大氣校正。采用TM/ETM+6相同的地表比輻射率計算方法。使用Sobrino提出的NDVI閾值法算地表比輻射率：

式中， Pv是植被覆蓋度，用以下公式進行計算：

其中，NDVI為歸一化植被指數，NDVISooil為完全是裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值，NDVIVeg則代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。取經驗值NDVIVeg = 0.70和NDVISooil= 0.05，即當某個像元的NDVI大于0.70時，Pv取值為1;當NDVI小于0.05，Pv取值為0[3]。

輸出的NDVI圖像與植被覆蓋度圖像如圖2.1與2.2所示：

最后利用植被覆蓋度計算得到地表比輻射率，得到的地表比輻射率圖像如下圖2.3所示。根據以上數據和地表比輻射率、Band 10輻射亮度得到同溫度下的黑體輻射亮度[4]，圖像如圖2.4所示，最后根據同溫度下的黑體輻射亮度，得到地表溫度圖像（單位為℃）。

（二）利用單窗算法進行地表溫度反演

本文用Band 10反演地表溫度，需要針對Band 10的波段特征，對公式中的系數a和b進行修正，大氣透過率以及地表輻射率也需要重新確定[5-7]。

對于地表發射率的估算，覃志豪等提出了混合像元的地表發射率估算方法。但由于地物在不同的波譜區間，其發射率不同，為了確定各類地物在Band 10波段范圍內的發射率，本文分別計算了水體、植被、土壤和人造物在Band 10波段范圍內的發射率均值，最后在估算地表發射率時取水體的發射率為0.991，植被的發射率為0.982，土壤的發射率為0.971，建筑物的發射率為0.967[8]。

三、結果與分析

（一）大氣校正法

利用大氣校正法反演地表溫度采用的是Landsat 8 OLI_TRIS衛星影像數據的多光譜數據和熱紅外數據，反演結果如圖3.1所示。

基于大氣校正法的黃河三角洲濕地地表溫度反演的結果溫度范圍在-9.19℃～17.57℃之間，反演結果的溫度范圍上限和下限相差太大。地表溫度等級分類在-9.19℃～-4.73℃、8.65℃～13.11℃、13.11℃～17.57℃之間的像元個數極少;反演結果溫度集中在-2.66℃～4.19℃、4.19℃～8.65℃之間。故而可以認為地表溫度等級在-9.19℃～-4.73℃、8.65℃～13.11℃、13.11℃～17.57℃之間的像元是因為云量、噪聲等因素的影響而使反演結果發生誤差。

在黃河三角洲的上部沖積平原地區溫度主要集中在4.19℃～8.65℃，下部沖積海積平原地區溫度主要集中在-2.66℃～4.19℃，在潮灘與河口灘地區溫度集中在-4.73℃～-2.66℃。主要為縣城和居民點的上部沖積平原地區與主要為作物種植區的下部沖積海積平原相比溫度較高，有明顯的城市熱島效應。

（二）單窗算法

利用單窗算法反演地表溫度采用的是Landsat 8 OLI_TRIS衛星影像的熱紅外數據Band 10，然后根據公式對地表溫度進行了反演，反演結果如圖3.2所示。

基于單窗算法的黃河三角洲濕地地表溫度反演的結果溫度范圍在-9.97℃～15.94℃之間。利用單窗算法進行的黃河三角洲濕地地表溫度反演同樣因為云量、噪聲等因素的影響而使地表溫度等級在-9.97℃～-5.66℃、7.30℃～11.61℃、11.61℃～15.94℃之間的像元發生誤差。

在黃河三角洲的上部沖積平原地區溫度主要集中在2.98℃～7.30℃，下部沖積海積平原地區溫度主要集中在-1.34℃～2.98℃，在潮灘與河口灘地區溫度集中在-5.66℃～-1.34℃。主要為縣城和居民點的上部沖積平原地區與主要為作物種植區的下部沖積海積平原相比溫度較高，有明顯的城市熱島效應。

（三）大氣校正法和單窗算法對比分析

根據以上結果可以看出大氣校正法反演結果明顯高于單窗算法反演結果的地表溫度。將以上兩個結果進行求差運算，結果如圖3.3所示。

從圖中可以看出大部分地表溫度相差結果在0.79℃～1.65℃之間。另外從圖中也可以看出溫度相差結果從東北到西南呈現出溫度差逐漸變大的趨勢，不同的算法居民點的溫度相差相對較大。

四、結論與討論

本文利用大氣校正法和單窗算法這兩種算法對黃河三角洲濕地地區進行地表溫度反演，大氣校正法的地表溫度主要集中在-2.66℃～4.19℃，單窗算法的地表溫度主要集中在-1.34℃～2.98℃，單窗算法的地表溫度結果明顯高于大氣校正法的地表溫度反演結果。兩種結果的溫差為0.79℃～1.65℃。兩種結果都明顯地表現出上部沖積平原地區地表溫度明顯高于下部沖積海積平原和潮灘與河口灘地區地表溫度，城鎮和居民點的地表溫度高于作物種植區的地表溫度，另外城鎮和居民點兩種算法的地表溫度反演結果相差較大。

由于沒有實際的地表溫度作為比較，在反演過程中地表溫度反演結果的精度可能受到地表分類結果的影響。另外在計算大氣剖面參數的時候僅用一個值來代替整個黃河三角洲濕地地區的情況，可能會對結果精度產生一定的影響。在將大氣校正法的反演結果和單窗算法的反演結果進行求差運算之后，為什么會出現從東北到西南呈現出溫度差逐漸變大的趨勢，還需要進行下一步研究。

參考文獻 ：

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