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(hù)黃河三角洲濕地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要意義，本文基于2016年Landsat 8 OLI_TRIS數(shù)據(jù)，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(jié)果表明，兩種結(jié)果都明顯地表現(xiàn)出上部沖積平原地區(qū)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(qū)地表溫度。另外城鎮(zhèn)和居民點(diǎn)兩種算法的地表溫度反演結(jié)果相差較大。在將大氣校正法的反演結(jié)果和單窗算法的反演結(jié)果進(jìn)行求差運(yùn)算之后，呈現(xiàn)東北到西南呈現(xiàn)出溫度差逐漸變大的趨勢。

關(guān)鍵詞：地表溫度反演;大氣校正法;單窗算法;黃河三角洲

一、數(shù)據(jù)與方法

（一）研究區(qū)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(qū)為除廣饒縣以外的東營市各區(qū)縣，采用的遙感圖像來自于地理空間數(shù)據(jù)（http：//www.gscloud.cn/），以黃河三角洲地區(qū)2016年遙感影像為數(shù)據(jù)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(dǎo)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(wèi)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(qiáng)度， 再把這一熱輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)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(jù)地表熱輻射傳導(dǎo)方程，推導(dǎo)出的一種地表溫度反演的算法，他推導(dǎo)出單窗算法的方程：

式中，Ts是地表實(shí)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(wèi)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(jìn)行地表溫度反演

將數(shù)據(jù)按照波長分為五個數(shù)據(jù)集，分別對影像的多光譜數(shù)據(jù)和熱紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)，得到相應(yīng)的輻射亮度圖像，然后進(jìn)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(jìn)行計算：

其中，NDVI為歸一化植被指數(shù)，NDVISooil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，即純植被像元的NDVI值。取經(jīng)驗(yàn)值NDVIVeg = 0.70和NDVISooil= 0.05，即當(dāng)某個像元的NDVI大于0.70時，Pv取值為1;當(dāng)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(jù)以上數(shù)據(jù)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(jù)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(jìn)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(shù)a和b進(jìn)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(fā)射率的估算，覃志豪等提出了混合像元的地表發(fā)射率估算方法。但由于地物在不同的波譜區(qū)間，其發(fā)射率不同，為了確定各類地物在Band 10波段范圍內(nèi)的發(fā)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(nèi)的發(fā)射率均值，最后在估算地表發(fā)射率時取水體的發(fā)射率為0.991，植被的發(fā)射率為0.982，土壤的發(fā)射率為0.971，建筑物的發(fā)射率為0.967[8]。

三、結(jié)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(wèi)星影像數(shù)據(jù)的多光譜數(shù)據(jù)和熱紅外數(shù)據(jù)，反演結(jié)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(jié)果溫度范圍在-9.19℃～17.57℃之間，反演結(jié)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(shù)極少;反演結(jié)果溫度集中在-2.66℃～4.19℃、4.19℃～8.65℃之間。故而可以認(rèn)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?yàn)樵屏俊⒃肼暤纫蛩氐挠绊懚狗囱萁Y(jié)果發(fā)生誤差。

在黃河三角洲的上部沖積平原地區(qū)溫度主要集中在4.19℃～8.65℃，下部沖積海積平原地區(qū)溫度主要集中在-2.66℃～4.19℃，在潮灘與河口灘地區(qū)溫度集中在-4.73℃～-2.66℃。主要為縣城和居民點(diǎn)的上部沖積平原地區(qū)與主要為作物種植區(qū)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(yīng)。

（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(wèi)星影像的熱紅外數(shù)據(jù)Band 10，然后根據(jù)公式對地表溫度進(jìn)行了反演，反演結(jié)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(jié)果溫度范圍在-9.97℃～15.94℃之間。利用單窗算法進(jìn)行的黃河三角洲濕地地表溫度反演同樣因?yàn)樵屏俊⒃肼暤纫蛩氐挠绊懚沟乇頊囟鹊燃壴?9.97℃～-5.66℃、7.30℃～11.61℃、11.61℃～15.94℃之間的像元發(fā)生誤差。

在黃河三角洲的上部沖積平原地區(qū)溫度主要集中在2.98℃～7.30℃，下部沖積海積平原地區(qū)溫度主要集中在-1.34℃～2.98℃，在潮灘與河口灘地區(qū)溫度集中在-5.66℃～-1.34℃。主要為縣城和居民點(diǎn)的上部沖積平原地區(qū)與主要為作物種植區(qū)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(yīng)。

（三）大氣校正法和單窗算法對比分析

根據(jù)以上結(jié)果可以看出大氣校正法反演結(jié)果明顯高于單窗算法反演結(jié)果的地表溫度。將以上兩個結(jié)果進(jìn)行求差運(yùn)算，結(jié)果如圖3.3所示。

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

四、結(jié)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(qū)進(jìn)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(jié)果明顯高于大氣校正法的地表溫度反演結(jié)果。兩種結(jié)果的溫差為0.79℃～1.65℃。兩種結(jié)果都明顯地表現(xiàn)出上部沖積平原地區(qū)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(qū)地表溫度，城鎮(zhèn)和居民點(diǎn)的地表溫度高于作物種植區(qū)的地表溫度，另外城鎮(zhèn)和居民點(diǎn)兩種算法的地表溫度反演結(jié)果相差較大。

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

參考文獻(xiàn) ：

[1] 孟鵬， 胡勇， 鞏彩蘭， 李志乾， 栗琳， 周穎. 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， 06： 118-123+132.

[2] 高文蘭， 李新通， 石鋒， 鄒昶和， 王之順. 環(huán)境一號B星熱紅外波段單通道算法溫度反演[J]. 中國科學(xué)： 信息科學(xué)， 2011，S1： 89-98.

[3] 楊學(xué)森. 基于單通道算法的Landsat8衛(wèi)星數(shù)據(jù)地表溫度反演研究[D]. 北京： 中國地質(zhì)大學(xué)， 2015.

[4] 丁鳳， 徐涵秋. TM熱波段圖像的地表溫度反演算法與實(shí)驗(yàn)分析[J]. 地球信息科學(xué)， 2006， 03： 125-130+135.

[5]張永紅， 陳瀚閱， 陳宜金， 朱利， 殷亞秋， 楊紅艷， 侯海倩. 基于Landsat-8/TIRS的紅沿河核電基地海表溫度反演算法比對[J]. 航天返回與遙感， 2015， 05： 96-104.

[6]鄭國強(qiáng)， 魯敏， 張濤， 劉國恒， 柯昌玉.地表比輻射率求算對濟(jì)南市地表溫度反演結(jié)果的影響[J]. 山東建筑大學(xué)學(xué)報， 2010， 05： 519-523.

[7]劉晨晨. 風(fēng)云衛(wèi)星地表溫度反演及其在霜凍監(jiān)測中的應(yīng)用[D]. 成都： 電子科技大學(xué)， 2013.

[8]于一凡. 短波紅外遙感高溫目標(biāo)溫度反演模型研究[D]. 長春： 吉林大學(xué)， 2014.