（地图学与地理信息系统专业论文）吉林省中部地表温度和湿度的反演及空间分布.pdf

摘要 地表温度和湿度是衡量地表能量平衡的两个重要的指标，它们在地表与大气 交换中起着重要的作用，对农业生产也有着重要的作用。对地表温度和湿度的研 究已经成为遥感领域中的重要的方向，特别是在水文、地质、气象等领域也有着 广泛的需要。 如何利用热红外遥感获取地表温度和湿度，国内外已经做过大量的研究。利 用热红外波段获得地表温度的方法主要有以下几种：单波段法，分裂窗算法( 双 波段算法) ，白天黑夜法( 多波段算法) 。其中分裂窗算法是一个比较成熟的算法， 这种算法主要需要求算三个参数，亮度温度、大气透射率、地表比辐射率。这种 方法主要是利用两个不同的波段在不同的大气窗口的投射率的不同，来消除大气 对地表温度的辐射的影响。获取地表湿度的方法主要有：热惯量法、微波遥感法、 光谱法、距平植被指数法、植被供水指数法、作物缺水指数法。这些方法都被广 泛应用在地表湿度的监测中，并都取得良好的效果。 本文利用m o d i s 数据中3 1 、3 2 波段采用分裂窗算法和利用第7 波段采用 光谱法分布反演吉林省中部的地表温度和地表湿度。根据反演的结果，利用空间 自相关算法，找出吉林省中部的地表温和地表湿度度的空间分布特征；运用t m 数据进行遥感解译获得吉林省中部的土地利用类型，分析不同的土地利用类型下 的地表温度和湿度。根据吉林省中部的高程数据，建立地表温度和湿度与高程、 坡度、坡向以及n d v i 之间的定量关系，分析在不同地势下地表温度和湿度分布 特征，从而为指导农业种植和生产提供科学根据。 关键字：地表温度、地表湿度、m o d i s 、反演、土地类用、空间特征 a b s t r a c t l a i l ds 1 h f a c et e m p e r a t l i r ea r l dl a l l db u m i d i t yw 1 1 i c ha r ei m p o r t a n ti 1 1 d i c a t o r si n m e a s u r i n go fm es u r f 砬ee n e r g yb a l a n c e ，p l a yi m p o r t a mr o l e si ne x c h a l l g m go nt h e l a n ds 1 1 】誓- a c ea i l da ：嗽l o s p h e r e ，a n da l s oh a v ei m p o r t a l l tr o l e si na 差五c u l n l r ep i o d u c t i o n i t i si m p o r t a l l td i r e c t i o ni nt h ef i l e do fr e m o t es e n s i n gf o rt h el a u l ds u r f a c e t e n l p e r a l = u r ea n dh u m i d i t ) rs t u d y ，e s p e c i a l l y ，i nh y d r o l o g y ，g e o l o g y ，m e t e o r 0 1 0 9 y ，a i l d o n l e r6 e l d se ) 【t e n s i v en e e d e d h o wr e t r i e v e dt h el a n ds u r f a c ea n dh u 】 i l i d i t v t h a tm e r ea 】em u c hw o r kw m c h n a t i o i l a la 1 1 df o r e i g nr e s e 挪c h e r sh a v ed o n e t h el a i l ds u r f a c et e m p e r a t _ u r ei sr “e v e d f - r o mt h e m l a li h r e d ：t h e r ea r em a l l ym e t h o d sw h j c hh a v eb e e nd o n e f o re x a m d l e ： m o n o - w i n d o wa l g o 棚m ， s p l i t - 埘n d o wa l g o r i t l l i l l ( 铆o1 1 1 e 咖2 l li 血勰db a l l d s ) ， d a y 二n i g h tn l e t h o d ( m o r et h e 铆ot h e r m a li n 盘a r e db 锄d s ) i nt h e s em e m o d s ，t h e s p l i t - w i n d o wi se x t e n s i v eu s e d t h e r ea r et 1 1 r e ei m p o r t 觚tp a r u n e t e r s 、h i c ha r el i g h t t 锄p e r a 臼1 r e ，t r a n s m i t t a l l c ea i l de m i s s i 坝i i lt h i sa l g o r i t h m t be l i m i n a t em ei m p a c t o ft h ea t m o s p h e r e ，i ti st 1 1 eu s eo fm e 栅o b a n dd i 伍贸e n t 信a n s m i s s i o ni na 瞰1 0 s p h e r e 、析n d o w t h el a l l dh l l l n i d i t ! i ，i sr e t r i e v e db yt h e 肋a li 1 1 妇db a n d t h e r ea r em a n v a l g o r i t h m ，f o re x a i 】1 p l e ：t h e l l l l a li n e r t i aa l g o r i t l l r n ，m i c r o w a v ei 沁m o t es e n s i n g a l g o r i t h m ，s p e c t r am e t l l o d ，d 印a r t u r e sv e g e t a t i o ni n d e xm e t h o d ，c r o pw a t e rs tr e s s i n d e xm e t h o d t h o s em e t h o d sh a v eb e e nu s e di nr e 慨e v i n gl a n dh u m i d i t y a n d 也e r e s u l t sa r es u c c e s s f h l i nn l i sp a p e r ，t h e1 a n ds u r f - a c et e m p e 】曩眦w a sr e t r i e v e df o mm o d e r a t e - r e s o l m i o n h n a g i n gs p e c t r l ) r a d i o m e t e r( m o d i s )d a t a 31a 1 1 d3 2b a n d s e m i s s i v i t ) ，u s i n g s p l i t w i n d o wa l g o r i t i m l ，a n dl a n dh 啪i d i t yw a sr e t d e v e d 舶mm o d i sd a t a7b a l l d s r e n e c t i v i 铒 t h el a n ds u r f a c et e m p e r a _ t u r ea n dh u m i d i t y ss p e c i a jd i s t r i b u t i o n c h a r a c t e rw a sd i s c o v e r e d 盘o mm ea b o v er e s u l t sw i 戗ls p a t i a la u t o c o r r e l a t i o nm e t h o d t h el a n du s ed a t a 、硼sg a i n e df r o ml a i l d s e t t mb yi n t e r p r e t a t i o n w ea l l a l y s i st h e l s ta j l dl a n dh u m i d 曲q u a n t i t a t i v ed i 舵r e n c ei nd i f f e r e n tl a n du s e b a s eo nt h e d e mi nt h em i d d l eo fj i l i nd r o v i n c e ，t h er e l a t i o n si sc r e a t e db e 帆e e nm el s ta n d h e i g h t ，s l o p ，a s p e c t 。n d v it oa n a l y s i sl s ta 1 1 d1 a i l dh u i n i d i t yi nd i f f e r e n tt e r r a i l li n o r d e r t op r 0 v i d ei i l f i o r m a t i o nf o ra g r i c u l t u r ep r o d u c t i o n k e yw o r d s ：l s t ，l a n dh u m i d i 够，m o d i s ，s p e c i a ld i s t r i b u t i o nc h 嬲l c t e r ，l a l l du s e 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得 的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了 明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：4 量灶客 日期： 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：东 北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、 汇编本学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库 ( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技 术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：4 塞燮重 日 飙衅血7 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名： 日期： 电话： 邮编： 东北师范大学硕士学位论文 1 绪论 陆地表面温度( l a l l ds u r f _ a c et e l n p e r a ：t u r e ，l s t ) 和湿度是研究陆地与大气之间 物质和能量交换的两个重要参数，也是区域和全球陆地表面物理过程重要影响因 素。对陆地表面温度的研究，早期主要是根据直接测量值通，过插值的方法获取 某一地区的地表温度和湿度，而现在利用卫星遥感影像数据来获得。近些年随着 多时相、高光谱、高分辨率的遥感卫星的发射，对地表温度和湿度的研究又成为 遥感领域中研究的热点。本文利用m o d i s 数据，分别采用分裂窗算法和光谱法， 反演吉林省中部陆地地表温度和湿度。根据反演的结果，分析吉林省中部陆地表 面温度和湿度的空间分布特征以及与地表各种要素的定性和定量关系。 1 1 选题依据以及意义 陆地表温度和湿度的研究是遥感技术应用中两个重要的研究方向，也是近些 年来遥感领域的研究热点。地表温度和湿度是地表热量平衡的产物，蕴含着丰富 的地学信息，在气候、农业、水文、生态和环境学等领域有着广泛的应用。陆地 表面温度将地一气的相互作用及它们之间的能量交换结合起来，对陆地表面生态 系统的研究是必要的。在农业旱灾遥感监测中，利用热红外波段反演的地表温度 和土壤水分与可见光近红外波段获得的植被指数分析植被的生长状况，从而建立 植被干旱模型，判断旱情和旱灾的动态变化。通过卫星获得地表温度还可以运用 到森林、草原的火灾研究中，根据实时动态的地表温度的产品，能够很容易获得 地表温度异常值的地区，从而为减灾和赈灾提供科学的依据。另外地表温度对军 事伪装识别，城市热导效应监测以及矿产勘探、考古等方面都有着重要的作用。 早期获取地表温度和湿度的方法主要是通过局地的气象站点的数据，采用数 学中的插值运算，获得大范围的陆地表面温度和湿度。由于气象站获取的地表温 度和湿度只是局部的地温和土壤湿度，受地物要素影响较大，所以准确度比较差。 随着遥感技术的发展，传感器的波段越来越多，运用卫星影像数据获取地表温度 人们已经做大量的研究，并且总结了几种成熟的方法，这些方法在获取地表温度 时，都能达到比较高的精度。 陆地表面温度和湿度信息的获取是比较难的问题。精确的反演陆地表面温度 和湿度将推动旱灾的预报和作物缺水研究、农产品估产、天气预报、全球环境变 化以及温室效应的监测等各个领域。因此国际遥感学界都把反演误差小于1 k 的 地表温度作为一个重要的研究项目。我国也丌始将地表温度研究作为一项攻关的 东北师范大学硕士学位论文 科学问题。因此，准确掌握陆地表面温度和湿度的空间分布，对与准确模拟地表 与大气之间的能量交换，指导农业生产都有着重大的现实意义。 1 2 国内外地表温度和湿度研究现状 1 2 1 地表温度国内外研究现状 早在2 0 世纪6 0 年代开始，国外学者就开始利用遥感卫星数据反演地表温度。 随着遥感技术不断发展，卫星的数据的种类和质量也在不断的提高。最初的研究 主要是海洋表面温度的研究上，取得了良好的效果，并且形成了一些固定反演海 洋表面温度方法。p r i c e ( 1 9 8 4 ) 等首次将反演海洋的表面温度的方法运用到陆地 表面，通过获得n o a a 卫星4 、5 波段运用分裂窗算法获得陆地表面温度，由于 受到大气条件的限制，当陆地表面温度在3 0 0 k 时，两个通道的比辐射率相差o 0 1 时会导致2 k 的温度的差距【l 】，这是首次将分裂窗算法运用于陆地上获取地表温 度；s o b m o 等总结了一种方法用于大气和地表比辐射率的矫正，地表比辐射率、 大气透射率和另外的两个重要的参数( 大气水分含量和大气吸收状态参数) 在他 们的方法中是比较重要的参数1 2 】；w a i l 和l i 推求出一种多波段的方法利用 m o d i s 数据来获得地表比辐射率和陆地表面温度，这种方法仅仅涉及到两个参 数陆地表面的性质和大气条件。这种方法的精度很高，其误差都在1 k 以内 。纠；g i l l e s p i e 和m a t s u n 醒a 提出了一种方法，这种方法是利用a r s t e r 数据获取 地表温度和地表比辐射率的，利用这种方法反演出地表温度和地表比辐射率的精 度主要取决于地表比辐射率的值和大气呈辐射等因素有关【4 】：国内的学者利用遥 感数据获取地表温度也进行了大量的研究。毛克彪，覃志豪等利用m o d i s 数据 采用分裂窗算法反演陆地表面温度，并且详细的探讨了这种方法在应用中主要影 响参数，以及参数精度对结果精度的影响，经过详细的试验，得到的经过与 m o d i s 发布的产品进行对比，其反演精度可达到0 3 2 k 瞄1 ；郭广猛，杨青生等利 用统计方法和神经网络方法运用m o d i s 数据分别反演出内蒙古东北部的地表温 度，并且两者进行比较，发现运用m o d i s 数据采用神经网络方法反演陆地表面温 度的精度能够达到一般的研究需要1 ；。国内的一些其它学者利用l a n d s a t 数据 利用单波段方法反演陆地表面温度，并且都取得了不错的效果 8 一一们。总之， 运用遥感手段反演地表温度的方法基本上已经成熟，已经广发的运用在地表温度 的研究中。 1 2 2 土壤水分国内外研究现状 运用遥感手段对土壤水分的研究，国内外也做了大量的工作。国外利用遥感 东北师范大学硕士学位论文 手段研究土壤水分始于上世纪6 0 年代末，进入7 0 年代后，逐渐开展了土壤水分遥 感监测研究。其中，w a s t o n 【1 1 ，1 2 】等人最早运用了热模型；r o s e ma 和b i j l e v e l d ( 1 9 7 8 ) 靶进一步发展了他的工作，提出了计算热惯量、每日蒸发的模型，反演获 得了土壤水分和地理学的热惯量方法。这些早期的开创性的试验性研究，为其后 多途径探讨和研究遥感监测干旱奠定了基础。进入8 0 年代后，遥感手段监测土壤 水分的工作得到了全面的而迅速的发展，其它手段包括地面遥感、航空遥感和航 天遥感，遥感波段可从可见、近、中、远、热红外到l 波段、c 波段、x 波段等微 波遥感手段n 引。遥感监测土壤水分的方法和途径有地区蒸发估计、作物表面温度、 土壤热容量和表层干旱、土壤水分含量、干旱条件、植物水分胁迫及叶片含水量 等。其中，p r i c e 、p r a t t 列等人在能量平衡方程的基础上，简化潜热蒸发( 散) 形 式，引入地表综合参量概念，系统地总结了热惯量法及热惯量的遥感成像机理： 在利用气象卫星遥感资料进行大面积土壤水分监测研究方面也有了一些初步尝 试。1 9 9 0 年以来，国外在土壤水分遥感监测方面又有了新的发展。在遥感手段 上，除了仍有微波遥感的深入探讨外，气象卫星遥感也日益受到重视。基于作物 层能量平衡等原理之上，并与遥感热惯量方法、作物缺水指数法相结合，进行土 壤水分或干旱监测的研究日益完善n6 3 。在监测尺度上，从一个特定地区、一个 国家到全球范围：在监测方法上，由单个分析到统计应用，并有了模拟模式。也 有人对目前所用的各种方法作了总结与评述。此外，随着g i s 和r s 一体化技术的 发展，用g 工s 支持干旱遥感监测受到重视，如m a t t h e w s 等胡曾结合g i s 用于气 候变化对土壤水分亏缺影响的评价。 国内开展土壤水分遥感监测试验研究比国外大约晚1 0 年以上，大体上从上 世界8 0 年代中期才开始起步。国内早期的研究工作也与国外刚起步时相似，即 先进性土壤参数的遥感测定研究，所用方法也多为微波遥感，近、远红外遥感及 热惯量法等。中科院地理与资源研究所张仁华圳对热红外遥感研究，利用地表光 照面和阴影的信息差，作为提取热量平衡参数的信息源，通过实践研究，建立了 地物光照面和阴影面温度差为基础的土壤水分含量的遥感模型，为利用多角度信 息提取遥感土壤水分开辟了新途径。陈怀亮，冯定原乜町等利用热惯量法，在地理 信息系统工具的支持下，考虑土壤质地的影响，探讨了n o 从a v h r r 遥感资料估算 深层土壤水分含量，实践证明，表层土壤水分和深层土壤水分之间具有较好的线 性关系，可以利用遥感数据获取表面土壤水分去估算深层土壤水分，并且结果优 于直接分层建立的统计模型。郭广猛，赵冰茹利用m o d i s 数据，根据水分的吸收 率曲线提出使用中红外波段来探测土壤水分，回归分析表明m o d i s 数据的第七波 段与土壤湿度之间有很好的线性相关关系，通过在内蒙古地区实地的调查，其结 果满足要求，所以利用m o d i s 数据进行大面积土壤湿度的监测是可行的。利用微 波探测土壤水分已经称为土壤水分探测的热点，近些年来，特别是多个国家发射 东北师范大学硕士学位论文 了雷达传感器，数据的可获取性得到了很大的提高，越来越多的学者开始利用微 波来研究土壤水分含量。张钟军，孙国清瞳妇等使用了一种基于辐射传输理论的离 散模型，研究植被的发射率和传输率，这种方法可以更真实的刻画组成植被的散 射个体如叶、茎，树枝，树干等对这两个传输参数的影响，因而能够更准确的描 述植被对下垫面的影响。为了减少土壤水分反演算法中未知量的数目，通过模拟 这两个参数在a m s r e 三种不同频率下之间的关系，从而获取这两个参数。通过 大量的研究工作，利用遥感数据获取土壤水分的方法已经成熟，而且在实践中已 经得到了运用。 1 2 3 土地利用覆盖变化研究 土地利用覆盖变化( l a l l du s e c o v e rc h a n g e ，简称l u c c ) 是当前全球变化研 究的主题内容之一。开展地表温度和湿度的研究是土地利用覆盖变化研究的一 个重要的方向。 当前研究地表温度和湿度与l u c c 之间的关系主要集中在植被指数和l s t 之 间的关系上。b a l l i n g 和b r a z e l 基于a v h r r 影像，分析了菲尼克斯地区地表温 度的空间模式和土地覆被特征的相关关系。刘宇【2 2 】等利用l a l l d s a tt m 6 数据反演 了快速城市化比较典型的城市东莞城市的地表温度，构建了三个热效应评价指 数：热效应共享指数、热像元权重指数和区域热像元权重指数，来定量的分析不 同土地利用类型对城市地表温度的贡献度，发现城乡工矿居民地、林地和耕地热 效应贡献度较大，水域和草地的贡献度较小，未利用地热效应的贡献度最小。苏 伟忠，杨英宝【2 3 j 等利用l a l l d s a te t m + 反演获取南京市陆地表面温度，分析南京 市热场的分布规律，构建了土地覆被指数l c i 定量的表示热场分布特征与土地利 用覆盖的关系，结果表明，土地利用覆盖的空间格局总体上决定了城市的热场 空间分布，下垫面介质的热特征和生物学特征的差异是地表温度不同的根本原 因。 不同的土地利用类型下土壤水分含量的研究主要集中在实际测量数据上，利 用遥感手段获取二者之间的关系的研究还比较少。张北赢，徐学选【2 4 】等采用定位 监测法，对黄土丘陵沟壑区不同土地利用类型方式下土壤水分动态变化规律进行 系统分析，结果表明，植被对土壤水分的差异性利用使得土壤平均水分含量以及 土壤水分剖面分层存在差异，各层土壤水分变异系数垂直变化也随着土地利用类 型那个不同而存在差异。陈伏生，曾得慧1 2 5 】等利用地统计学的方法，研究了科尔 沁地区不同的土地利用方式草地和玉米地春季土壤含水量的空间变化规律，结果 表明草地表层、亚表层土壤含水量的变异函数可以很好的模拟球状模型，具有明 显的空间结构特征；而耕地表层、亚表层含水量变异函数分别可以模拟成线状和 球面模型，通过对土壤水分含量的模拟，耕地土壤水分含量空间格局特张表现为 4 东北师范大学硕士学位论文 依赖性小，随机性大，空间自相关范围小，破碎化程度高等特征，所以有必要采 取退耕还草的措施来保护和恢复生态系统的健康。 本文将利用m o d i s 数据反演吉林省中部地表温度和湿度，并结合l a n d s a t t m 遥感解译数据得到的吉林省中部的土地利用图，分别统计不同的土地利用类 型下地表温度和湿度之间的定量的差异，研究地表温度和湿度的空间分布特征。 1 3 研究的内容、方法以及技术路线 1 3 1 研究的目标 本文利用分裂窗算法和光谱法反演吉林省中部地区地表温度和湿度，利用公 布的m o d i s 地表温度产品，检验反演地表温度的正确性；根据反演的结果，研 究地表温度和湿度与其影响因素之间关系。 1 3 2 研究的内容 1 、对获得的遥感影像进行几何和大气校正 2 、获取反演陆地表面温度的参数 3 、利用分裂窗算法和光谱发法对吉林省中部地表温度和湿度反演 4 、研究吉林省中部地表温度和湿度的空间分布规律 5 、研究影响地表温度和湿度的因素以及各种因素之间的关系 1 3 3 研究的技术路线 本文首先对反演的地表温度的m o d i s 影像进行几何纠正，再进行简单的大 气纠正。根据m o d i s 第3 1 和3 2 波段的n d 值，运用普朗克方程反演出第3 l 和3 2 波段亮度温度；利用m o d i s 的第2 波段和第1 9 波段反演大气水分含量， 根据中纬度大气剖面模型，利用大气水分含量获取大气透射率；根据m o d i s 数 据的第1 和2 波段获取n d v i 值，利用n d v i 值得到地表比辐射率；最后运用分 裂窗法反演地表温度，根据n a s a 公布的m o d i s 产品检验反演结果的精度。根 据土壤水分和遥感的热红外波段之间的负相关关系，利用m o d i s 第七波段通过 光谱法获取地表湿度。根据反演的结果以及其它辅助数据，探求地表温度和湿度 与其影响因素之间的定性和定量关系。 东北师范大学硕士学位论文 图1 1 论文研究路线技术流程图 f i 9 1 1 ：t h en o w c h a i r to f p a p e r 6 东北师范大学硕士学位论文 2 研究区的概况 2 1 研究区的地理位置、自然条件 2 1 1 地理位置 本文的研究区域选取吉林省中部，介于东经1 2 3 。77 1 2 8 。5 ，北纬4 2 。1 87 4 5 。1 07 。该区主要松嫩平原西部，主要包括长春、吉林、四平、辽源 四个地级市，全区的总面积为6 7 8 4 3 万平方公里。 图2 1 吉林省中部政区图 f i g2 1t h ea d m i n i s t r a t i v em a po f t h em i d d l eo f j i l i np r o v i n c e 2 1 2 自然条件 ( 一) 地质地形条件 东北师范大学硕士学位论文 吉林省中部属天山一兴安地槽褶皱区吉黑褶系松辽拗陷的东部边缘，区域下 分布着深厚的白垩纪泉头组，为一套红色较粗粒碎屑岩( 页岩、泥岩、细砂岩和 砂页岩互层) ，坎为不透水层或含水性极微层，地层深厚( 5 0 0 米尚为穿透) ，岩 屋致密，倾角很小( 5 。一1 0 。) 。此外，第四世纪沉积相当普遍，洪积层上部为 黄土物质，下部分红色粘土或砂层。新构造运动以来，地体微微上升，地表受流 水切割，沟谷发育，形成微波状地平原。 吉林省中部以平抗的台地平原为主，主要地貌类型为：( 1 ) 低山丘陵，属大 黑山脉的一部分，海拔大部分在2 5 0 3 5 0 米之间，相对高度5 卜1 0 0 米；位于 长春东部大顶子山组成的岩石有花岗岩、安山岩、基岩等变质岩系，其中以花岗 岩分布面积最广，久经侵蚀，己成浑圆状；山地丘陵面积在市区内所占面积比重 甚微，山地丘陵中有森林，低丘之间有些冲击平原和盆谷地，为农业区；伊通河 出大黑山北麓，从面向北穿过市区东部，在狭口处有修建水库的良好条件。( 2 ) 台地平原土质主要由黄土状土构成，海拔在2 0 0 一2 3 0 之间，浅谷谷坡漫长。( 3 ) 冲击平原。主要由伊通河冲宽阔的其中带状平原，面积近3 0 ，地势低平，海拔 多在2 0 0 米左右；沿河两岸的低洼部分，汛期常被洪水淹没，属河漫滩部分，组 成物质多为粗砂或细砂；河漫滩两侧为宽窄不等的高漫滩或一级阶地，宽度一般 在4 5 公里间；平原上的河迹洼地，因为多为淤泥质粘土或亚粘土，并夹灰色砂 质透镜体，大多排水不畅，土体抗压较差，但在大部分如地平原上的沟谷系统则 为城市自然排水通道。 ( 二) 水文气候条件 吉林省中部分布属第二松花江水系，松花江、饮马河、伊通河的中下游，还 有沐石河、双阳河、雾开河、新开河及卡岔河等流经镜内，有波罗泡子、敖宝吐 宝泡子、元宝泡子等主要泡子湖泊多处；区域内地表水，较大的河流，也是饮马 河的支流一伊通河及其支流一新开河等。由于该区的下落基岩为中生代白垩系红色 岩系，岩层致密，为一不透水层或含水水性极微，因而无深层地下水源，故地下 水贫乏。 吉林省中部气候介于东部湿润与西部草原半干旱之间的过渡类型。该区域距 海洋不远，但由于长白山地的阻拦，削弱夏天季风的作用；西部和北部为地势平 缓，受松辽平原西伯利亚极地平气团畅通无阻，故气候总体特点是四季分明。春 季较短，干燥多风；夏季温热多雨，炎热天气不多；秋季气爽，日夜温差大；冬 季漫长较寒。 春季，地表温度增高，蒙古高压系统势力减弱，这时低压系统自贝加尔湖区 侵入，形成东北低压并经常过境，低压前部常出现强大的西南气流，后部有猛烈 的西北气温，大风天气多最大风速可达3 0 米秒，且低压系统后部引起北方寒流 冷气南下，形成寒潮天气。 东北师范大学硕士学位论文 夏季，东南风盛行，有从小笠原群岛吹来的档南风，也有渤海补充的湿气， 自南而来的夏季风极锋锋线位置也移到本地，并有温带气旋过境。年平均降水量 5 2 2 6 1 5 毫米，夏季降水量占全年降水量的6 0 以上；最热月( 7 月) 平均气温 2 3 0 c 。 秋季，贝加尔湖低压系统虽有入侵，但发展的机会不如春季显著，高压在 本区停滞的机会较多，因而在秋季可形成持续数日的晴朗而温暖的天气，温差较 大，风速也较春季小。初霜多在9 月2 6 日，最早为9 月1 0 日，最晚是1 0 月9 日；年平均无霜期1 4 0 一1 5 0 天左右 冬季，爱强蒙古高压系统影响，冷气流经常自北及西北侵入，盛行偏西风， 气候寒冷、干燥。天气变化主要取决于高空西风带中的低槽过境：低槽移近时， 常有较盛的偏南北入境，形成多动云、多雪的阴湿天气，低槽过后，高压脊的前 部侵入，致使风向转向为西北风，气温骤降，并有时出现雪暴天气，然后高压系 统全部占据，天气晴朗、干燥、风力微弱。这种更替，一次大约本四天，形成冬 季“三寒四温 的天气特征，1 月份平均气温为1 6 3 。c 冬季长达7 个月左右， 最大雪厚可过2 2 厘米，结冰层最大厚度为i 6 5 1 8 0 米。 ( 三) 、自然资源 吉林省中部地区地域辽阔，土地资源较丰富，耕地数百万公顷。粮食人均占 有量、粮食商品率、粮食调出量、玉米出口量连续多年居全国首位。吉林省是中 国最大的商品粮基地。盛产玉米，大豆，水稻等。松辽平原土地肥沃，我国重要 的粮食生产基地、世界著名的玉米带。 土质主要是黑土、草甸土、黑钙土等，分别占耕地面积的3 4 5 、2 9 0 6 、1 5 2 8 。 土质肥沃，一般黑土层厚达o 6 1 0 米。有林地数十万公倾，森林的组成以东 亚阔叶林成分为主，华北系成分、长白区系成分也有渗入，如黑松、樟子松、云 杉、冷杉、长白落叶松、侧柏、桧柏、水曲柳、黄檗、花曲柳、山杨、黑桦等。 野生植物资源群落中，有森林植物、草甸植物、草原植物等，具有经济价值的野 生植物3 0 0 余种：可供药用的有五味子、大活、党参、苍术等1 5 0 多种；可做工 副业原料的有胡枝子、芦苇、蒙古栎等5 0 多种；可供食用的有蕨菜、黄花菜、 山楂、山葡萄等3 0 多种；可做饲料的有碱草、草木樨、小叶樟等5 0 多种。野生 动物资源有豹猫、红狐、鸿雁、林蛙、中华鳖、虎斑文蛇、背角无齿蚌等5 类 3 4 种。 吉林省中部的矿产资源，除已探明的煤、油页岩矿、水泥石灰岩矿、水泥黏 土矿、珍珠岩砂、膨润土、萤石、铸型用砂矿、铜、银、铁以外，石油、天然气 也有一定储量。 东北师范大学硕士学位论文 2 2 研究区的社会经济条件 本地区主要包括长春、吉林、四平和辽源四个地级市，该区是全省的经济中 心。位于吉林省中部的长春市是东北松辽平原腹地，是吉林省省会，全省的政治、 经济、文化、交通中心。总人口7 1 3 万人，其中市区人口2 9 8 万人，居住着汉、 满、朝鲜、回、蒙古、壮等3 8 个民族。建国5 0 年来、特别是改革开放以来，长 春经过不断的发展建设，成为工农业基础雄厚、商业繁荣兴旺、科技教育事业发 达、对外开放程度较高的中心城市。2 1 年，全市完成国内生产总值1 ，0 0 3 亿 元，比上年增长1 3 4 ，增长速度在1 5 个副省级城市中居第2 位。全社会固定 资产投资总额2 8 5 亿元，比上年增长2 1 2 ；实现进出口总额2 3 亿美元，比上 年增长3 3 5 。如果用一句话概括长春，可以说它是个“多城之城 。经过多年 的发展建设，长春的特色愈显突出，渐渐地被海内外的朋友冠以“森林城”、“汽 车城”、“电影城”、“科技文化城”等美誉，于是便有了“多城之城之说。 “汽车城的概念相信大家不会陌生，中国最大的汽车生产科研基地一中国一汽 集团公司就在这里。长春是座“科技文化城”，是国家“科教兴国”先进城市之 一。长春在高新技术产业发展上有着一定的优势，尤其是在光学电子、精密仪器、 激光技术、高分子材料、生物工程和汽车技术等方面的研究居国内领先地位。2 0 0 1 年，长春市高新技术产业产值达到3 0 0 亿元。目前，长春依托光电产业和医药产 业的优势，正在全力建设国家生物制药高科技产业基地，打造长春中国光谷。 吉林市是东北地区的重要的石油化工基地，拥有东北地区最大的石化工业， 近些年也，在高新技术的推动下，科技实力不断提高，从而带动整体工业的发展。 四平市是东北地区的重要的交通枢纽，交通便利，近些年经济发展十分迅速。 吉林省中部是吉林省人口最密集的地方，占全省人口的进2 3 ，为该地区发 展提供充足的劳动力。 东北师范大学硕士学位论文 3 吉林省中部地表温度和湿度反演 3 1 地表温度和湿度反演的理论基础 3 1 1 热辐射的相关概念 1 、绝对黑体 如果一个物体对于任何波长的电磁波辐射都是全部吸收，则这个物体就是绝 对黑体。它的吸收率和发射率均为1 。也就是说在任何温度下，对各种波长电磁 波的吸收系数恒为1 。黑体是理解热辐射的基础，黑体的热辐射只与黑体的温度 有关，而与黑体的本身性质无关。自然界中没有真正的黑体。一般情况下，黑色 的烟煤可以看作黑体，其吸收系数接近9 9 。恒星和太阳辐射也被看作近似黑体 辐射的辐射源。 2 、亮度温度( b r i g h ：n l e s st e m p e r 狐聪) 物体的亮度温( t b ) 度是指辐射出与观测物体相等的辐射能量的黑体温度。即 m = 61 r 4 k i n ，6t 4 k i n = m = 6r b t b = 4 t 。由于自然界的物体不是完 全黑体，因而习惯上一个具有比该物体的真实温度低的等效黑体温度来表征物体 的温度。亮度温度是衡量一个物体温度的指标，但不是温度的真实温度。亮度温 度和辐射温度、表征温度是一致的。 3 、辐射亮度( l ) 对于个辐射源，其向外辐射的强度随辐射方向而不同，则辐射亮度( l ) 定义 为辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通量，即 l = 中q ( a c o so )( 3 一1 ) 辐射亮度的单位为w ( s r m 2 ) 辐射源向外辐射电磁波时，l 随这。角度而改变，也也就是说，接受辐射的 观察者以不同的。角观察辐射源时，辐射亮度值不同。 辐射亮度l 与观察角e 无关的辐射源，称为郎伯体。一些粗糙的表面可以近 似看成朗伯源。太阳通常可近似看称朗伯源，使对太阳辐射研究能够简单化。严 格地说，只有绝对黑体才是朗伯体。 4 比辐射率( e m i s s i v i 田) 由于黑体的概念是采用一个简单的理论工具来描述辐射原理的，而其真实的 物体并非黑体，它的辐射出射度小于同温度下的辐射出射度。将真实物体在文图 东北师范大学硕士学位论文 t 、波长入的辐射出射度与同温度、同波长下黑体的辐射出射度之比，这就是比 辐射率的概念。 比辐射率，称发射率，用e ( t ，入) 表示。， ( t ，入) = m 。( t ，入) m 。( t ，入)( 3 2 ) 比辐射率是一个比值，其值在0 1 之间。它是波长的函数，有物体本身的性 质决定。通常在较大的温度变化范围内为常数，与物体本身的温度无关。 3 1 2 关于热辐射的几个定律 1 、黑体辐射定律 普遍使用于绝对黑体的辐射的公式，叫做普朗克公式，其表达式为： m 。( 入，t ) = 2 兀h c 2 入5 木1 e k 7 1 ”一l( 3 3 ) 其中c 为真空中的光速；k 为波尔兹曼常数为1 3 8 术l o 2 3 j k ：h 为普朗克常数 为6 6 3 水1 0 书4 j s ；m 为辐射出射度。这一公式对遥感的重要意义还不在于公式的 本身，而在于它的普遍适用性。 2 、斯忒藩一波尔兹曼定律 整个电磁波的总辐射出射度m ，为某一单位波长辐射出射度m 。对波长入做o 到无穷大的积分，即 m ： ，。”m x ( 入) d 入 ( 3 4 ) 用普朗克公式对波长进行积分，便推导出斯忒藩一波尔兹曼定律，即绝对黑 体的总辐射出射度与黑体的温度的四次方成正比。 m =ot 4 ( 3 5 ) o 为斯忒藩一波尔兹曼常数，o = 5 6 7 木1 0 一8 w m 一2 k 一4 有上式可知，电磁波总辐射出射度为黑体在某温度在整个波段的积分值。 3 、维恩位移定律 利用普朗克公式可以导出另一个定律，黑体辐射光谱最强辐射的波长入。 与黑体绝对温度t 成反比 入。；t = b ( 3 6 ) b 是常数，b = 2 8 9 8 木1 0 m k ，这就是所谓的维恩位移定律。 从定律可知，温度越高，其曲线的顶峰就越向左移，即向波长的方向移动，如果 辐射的最大值落到可见光波段，物体的颜色会随着温度的升高而变化，波长逐渐 变短，颜色有红外到红在逐渐变成蓝变成紫。 4 、基尔霍夫定律 在一定的温度下，任何物体的辐射出射度f 与其吸收率a 的比值是一个 函数e ( 入，t ) 。e ( 入，t ) 只是温度波长的函数，与物体的本身性质无关。 e ( 入，t )= fx ，a x 。，( 3 7 ) 1 2 东北师范大学硕士学位论文 基尔霍夫定律表明：任何物体的辐射出射度f 和其吸收率a 之比都等于同一 温度下黑体的辐射出射度e ( 入，t ) 。e ( 入，t ) 与物体性质无关，吸收率a 大的， 其发射能力就强。 3 1 3 热辐射传输方程 太阳作为万物的能源，是地表发射能量的主要来源。地球吸收太阳的短波辐 射后开始升温，将太阳能转化为热能，然后以长波的形式向外辐射能量。在热红 外遥感的地一气辐射传输中，地面与大气都是热红外辐射的辐射源，辐射能量多 次穿过大气层，被大气吸收、散射与发射。因此研究地面的热红外辐射需要进行 大气干扰的纠正。 图3 1 ：热红外遥感地一气辐射传输示意图( 来自祝善友) fi9 3 1 ：硼1 e m l a li n 丘a r e dr e m o t es e n s i n gl a l l d 一锄o s p h e r et r a n s m i s s i o nm 印( 行o m z h us h a n y o u ) 由辐射传输理论可知，在晴空大气的条件下，大气顶某一方向波普辐射能可 以表示为： i = r t + r a 。 f+ r s 。f( 3 8 ) 式中：t 入为大气透射率，r a t 入f 为大气路径向上辐射能，r s 入f 为大气散射 太阳辐射所产生的路径向上辐射能，r 。为地表辐射能。 r 。=e 。b 。( t 。) + ( 1 一、) r a 。、i + ( 1 一。) r 。、l +pb 。e 。c o s ( e 。) t 、( o 。) ( 3 9 ) 式中t 。代表地面温度，r a 。、l 是大气向下半球热热辐射通量除以j 1 ，r s 。l 是大气 向下散射太阳能所产生的热辐射通量除以j l ，p 。、是太阳角e 。和观测角9 方向上 的地表波普双向反射率，e 。是大气顶层的太阳的辐射能。 若假定地表和大气热辐射具有朗伯体性质。太阳对热辐射的贡献忽略不计， 东北师范大学硕士学位论文 则大气传输方程可以简化为： i i = r ，木ti+ i k 。jf( 3 1 0 ) r i =i b i ( t s ) + ( 1 一i ) r a t il( 3 一1 1 ) 目前，所有的地表温度反演算法都是基于方程( 3 9 ) 和( 3 1 1 ) ，通过不同的 假设或是在此基础上发展而起来的。地表温度反演解决的主要问题大气影响的消 除和比辐射率的确定。 3 2 数据及其处理 3 2 1 m o d i s 数据的来源以及特点 m o d i s ( m o d e r a t er e s o l u t i o ni m a g i n gs p e c 仃o m e t e r ) 即中分辨率成像光谱仪， 是n a s a 实施的e o s 计划中的第一颗卫星t e m ，该星携带5 个传感器，m o d i s 是其中之一。m o d i s 是当今世界上新一代“图谱合一”的光学传感器，具有3 6 个光谱波段，主要分布在0 卜1 4 电磁波，其中可见光一短波红外2 0 个波段， 热红外1 6 个波段，m o d i s 分辨率分有三种分别是2 5 0 米，5 0 0 米，1 0 0 0 米，像 元的大小随着视角而增加，边缘像元能比星下点像元大4 倍，扫描视角为5 5 度，扫描宽度为2 3 3 0 千米。m o d i s 在对地观测时，每一秒钟可以获得6 1 m 来自 大气、海洋、陆地表面信息。每1 2 天可以获取一次全球观测数据，从而获得 陆地和海洋表面温度，初级生产率、陆地表面植被、陆地表面覆盖( n d v i ) 、云、 气溶胶、水汽和火情等信息。 m o d i s 数据的特点： 1 、多通道同时观测。m o d i s 数据波段范围广，包括了3 6 个波段( 0 4 1 4 3 u m ) ， 其中2 0 个可见光一近红外波段，1 6 个热红外波段。有许多大气校正的特征波段， 便于大气参数的反演。m o d i s 数据大大增加了对地球环境的观测力和识别力。 2 、高分辨率观测。m o d i s 数据空间分辨率有三个尺度，1 2 波段是2 5 0 m ，3 7 波段是5 m ，8 3 6 波段是1 0 0 0 m ；像元大小随视角而增加，边缘像元可比 星下点像元大4 倍，而且m o d i s 的回归周期为l 一2 天，这些都增强了对地球大 范围自然灾害细致的观测能力