（环境科学专业论文）基于遥感数据的贵阳市热岛研究.pdf

a b s t r a c t u r b a n i z a t i o ni st h ec o n t e m p o r a r ) ，t e n d e n c yo fs o c i a ld e v e l o p m e n t ，t a i l e d a f t e rw h i c h ，t h eu r b a i lh e a ti s l a n de 骶c th a sc a u 曲tal o to fa t t e n t i o n t h e q u a n t i f i c a t i o n ，a n a l y s i sa n de v a l u a t i o no fu r b a nh e a ti s l a i l de 骶c th a v e b e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt a s l 【si nt h ef i e l do fu r b a nd i m a t ea n d e n v i r o n m e n ts t u d y ( 、o n v e n t i o n a lc l i m a t em o n i t o r i n gm e t h o do n l y p r o c e s s e sd a t ac 0 1 l e c t e df r o ml i m i t e dw e a t h e rs t a t i o n sb yi n t e 叩o l a t i o n a n dc a l c u l a t i o ns oa st og e tt h et e m p e r a t u r ea n da v e r a g et e m p e r a t u r ei i l t h eo t h e ra r e a sa sw e l la s i i lt h ew h o l ec i t y ，w h i c hi si i li t sn a t u r e b o t t l e n e c k s u 虢r e db e c a u s eo fd a t as h o r t a g e 觚d 弱ar e s u nf a i lt or e a c h s a t i s f a c t o 巧a c h i e v e m e n ti nt h eg e n e r a lo b s e r v a t i o na n da i l a l y s i so f u r b 锄 h e a ti s l a n dd i s t r i b u t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea i l dt e c h n o l o g y ， r e m o t es e n s i l l gd a t ah a v ew o nr e s e a r c h e r s f a v o rb yi t sa m a z i l l gd a t a c a p a c i t y ，l a 玛ec o v e r a g ea b i l i t ya n du n p r e c e d e n t e dt i m ee f l e c t v a r i o u s e i n p i r i c a lf o m m l a sh a v eb e e nc r e a t e dt or e t r i e v et e m p e r a t u 托舶mt h e r a d i a n c ei n f ol o a d e dw i t h i i lt h er e m o t es e n s i n gi m a g e s 觚dr e a c h e d s a t i s f a c t o r ) ，r e s u l t s n i sp a p e rr e t r i e v e sf 】吣mt mi m a g et h eh e a ti s l a n dd i s t i i b u t i o ni n g u i y a n g ，ad t yc r o w n e da st h et o u r i s ma n df o r e s tc i t yi nc h i n a ，b y b u i l d i n gm o d e l so ft h em a t u r e dm o n o - 珊n d o w g o r i t l l i n ( m 哪锄d s i n 酉e c l l a l l n e l 舢g o r i t h m ( s c ) r e s u l ts h o w st h em wa j g o r i t h mb e t t e r r e p r e s e n t s t h er e a lt e m p e r a t u r e t h i sr e s e a r c hp r 0 v e sn o t0 1 1 l yt h a t g u i y a n ge n j o y sam i l dc l i m a t eb u ta l s ot h a tt h e r ea r e2d i f 陀r e n tt y p e so f h e a ti s l a n dw i t h i ni t 0 n ei st h en o m a li s l a n dl o c a t e di n s i d eo ft h ec i t y a n dc o u n t ya r e a sa n dt h eo t h e ri sa na b n o r m a lo n er e s t i n gi nt h en a t u r a l s u b u r b a na r e aa n de v e nc l a i m sn o t i c e a b l yl a 唱e ra r e at h a nt h ef o m e r b a s eo nr e m o t e s e n s i n gi m a g e so fd i 骶r e n ts e a s o n s ，t h i sp 印e ra i l a l y s e s a n dq u a n t i t i e st h i su n i q u eh e a ti s l a n de i 琵c ta n dp r 0 v e st h ee x i s t e n c eo f a b n o r m a lo n ei nar e a ls e n s ea i l dr e l a t et h ec a u s et ot h ek a r s te c 0 1 0 9 i c a l e n v i r o n m e n to ft h i s c i t y a f t e rt h er e m o v a lo fe l e v a t i o ni m p a c to n t e m p e r a t u r eo fm o u n t a i n o u sa r e a ，t h i sp a p e rq u a n t i t a t i v e l ye x p l o r e st h e c o r r e l a t i o no ft e m p e r a t l l r ea n dv e g e t a t i o ne s p e c i a l l yt h a to ft h ek a r s ta r e a a n e ra ut h ea n a l y s i sa n dd e d u c t i o n ，t h i sp a p e rc o n c l u d e st h a tt h eh e a t i s l a n de f f 色c ti ng u i y a n gc i t yl a 玛e l yl i e si nt h es c a r c e l yv e g e t a t e dk a r s t a r e aa 1 1 dt h e p r o b l e m s o l v i n g s o l u t i o n g o e st o g e t h e r w i t ht h e r e h a b i l i t a t i o na n dm a n a g e m e n to fd e s e r t i f i c a t e dk a r s ta r e a k e o r d s ： h e a ti s l a n d ，m o n o - w i n d o w g o r i t h m( m w ) ， s i n 百e c h a n n e l g o r i t h m ( s c ) ， a b n o 加a lh e a ti s l a n d u 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导f = ，独立进行研冗 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人或集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：1 右也 洲年上月功日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州师范大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅； 本人授权贵州师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 】 论文作者签名：啸迄导师躲颦复呻 刎年y 月日 第一章序言 1 1 选题背景和研究意义 地表温度是地球资源环境动态分析的重要指标。城市温度高于郊区温度的气 温分布格局称为城市热岛，它是城市环境在热力场中的综合表现。自1 8 3 3 年l a k e h o w a r d 提出“城市热岛”概念以来，城市热环境问题一直备受关注。西方发达 国家如美国、英国、加拿大以及西欧等国，相继在此领域开展了多项探索和研究。 所谓城市热岛效应，通俗地讲就是城市化的发展，导致城市中的气温高于外围郊 区的这种现象。在气象学近地面大气等温线图上，郊外的广阔地区气温变化很小， 如同一个平静的海面，而城区则是一个明显的高温区，如同突出海面的岛屿，由 于这种岛屿代表着高温的城市区域，所以就被形象地称为城市热岛，它反映的是 一个温差的概念，只要城市与郊区有明显的温差，就可以说存在了城市热岛，。因 此，一年四季都可能出现城市热岛。 下 敛 肇l 孵 黔 鞠 温饕 度 辐 、 、 x 厂”、7 一 ， 、i 一r 、 i 。渤锄黝碜舞曦渗撇玲麂鼬 郊区商务区城市居民区近郊居民点 近郊居民区市中心 公园 图1 城市热岛气温剖面示意图( o k e ，1 9 8 2 ) 嚣 匏 i i 筠 城市空间热环境对城市微气候、空气质量( 近地表臭氧含量) 、能源消耗结构 以及公共健康等方面产生了深远影响( 吕云峰，2 0 0 6 ) ：( 1 ) 城市中环境气温的升 高，严重威胁着居民的身体健康。当环境气温高于2 8 时，人就会有不舒适感， 温度再高就易导致烦躁、中暑、精神紊乱；频繁的热浪冲击还可引发一系列疾病， 特别是心脏、脑血管和呼吸系统疾病的发病率增加。高温可以加快光化学反应速 率，从而使大气中0 3 浓度上升，进一步伤害人体健康，甚至危及人的生命( 窦 建，2 0 0 1 ) 。( 2 ) 形成光化学烟雾。在高温季节，汽车尾气和工厂排放的废气中的 氮氧化物和碳氢化合物，经光化学反应形成一种青蓝色的烟雾，在热岛的影响下， 形成不易沉降的二次污染物，造成空气混浊，能见度显著下降不利于车辆的行驶 安全。城市热岛的强度越大，这种光化学烟雾就越大，危害就越强。( 3 ) 加重城区 的污染，增加对能源的需求。由于热岛的存在，增强了逆流效应，使原本扩散到郊 区的污染气体又被重新吹回市区，增强了市区空气的污染；同时，由于热岛的存在， 城区中用电量也不断增加( 如空调、电扇用电) ，又加剧了热岛效应，形成了恶性 循环。通过对城市热环境的研究可以揭示城市空间结构和城市规模的发展变化， 有助于引导城市的可持续发展，提高人居环境质量和城市发展水平。大量研究表 明，城市空间热环境在全球增温过程中扮演着重要角色，被认为是主导整个城市 环境的要素之一。 贵阳地处低纬度地区，属于亚热带季风性湿润温和气候，平均海拔1 2 0 0 米 左右，夏无酷暑，冬无严寒。据气象部门统计资料显示：贵阳年平均气温约为 1 5 3 ，一年之中以七月气温最高( 平均为2 4 ) ，一月最低( 平均为4 6 ) ， 可谓冬无严寒、夏无酷暑。特别是夏季，平均气温为2 3 2 ，最高温度在2 5 至2 8 之间，最低气温为1 7 至2 0 左右，一年之中日平均气温超过3 0 的天 数仅为1 0 天左右，这是形成贵阳夏季“清凉 气候的基本条件之一。科学研究 表明，环境气温在1 8 至2 4 之间、湿度在4 5 至7 0 之间时，人体最感舒适， 贵阳两者兼而有之，而且持续整个夏季。另外，由于贵阳夏季白天经常处于多云 天气，有效减少了紫外线的入侵，对肌肤伤害较小。据说目前在国内广为流传“上 有天堂，下有苏杭，气候适宜数贵阳”的说法。 贵阳夏季独特的气候资源为该市打造城市旅游品牌、发展避暑旅游经济提供 了良好的条件。贵阳市不但于2 0 0 4 年、2 0 0 6 年、2 0 0 7 年先后三次成功入选中国 十佳避暑旅游城市，还位居榜首，被评委会授予“中国避暑之都 ( 被国家工商 总局批准注册) 的荣誉称号。对于凭借优越的气候条件，发展避暑旅游经济，打 造“清凉经济 的林城贵阳来说，研究该市的热岛效应，尤其是夏季的热岛效应， 不但为该市优越的“避暑”条件提供有利的科学支持，还可以为该市的宏观调控 提供了良好的参考依据。 1 2 国内外利用遥感手段研究城市热岛的进展 1 2 1 研究城市热岛的方法 国内外研究学者研究城市热岛的方法可以概括为5 种：( 1 ) 气象站法：传统 的热岛效应运用气象站历史数据，选取若干个温度指标，分析一个城市或区域在 不同发展阶段热岛特征变化情况。( 2 ) 定点观测法：根据城市热岛空间分布状况， 定点观测可以从水平和垂直方向2 方面考虑。其中，城市热岛水平分布特征一 般是选用城郊若干个典型的位置，进行数项温度气候指标的测定比较；或者是利 用横穿城市剖线进行观测研究。由于城市热岛不仅影响近地面温度，还会影响城 市边界层内能量交换，具有明显的立体空间分布特征。城市气候立体特征研究多 是使用探空气球、飞机等进行观测，观测高度在1 0 0 7 0 0 0 米之内。也有学者为 了获取长期连续不断的城市与郊区气温垂直变化资料，将气温表安放在铁塔的不 同高度，观测城郊气温垂直差异。( 3 ) 运动样带法：运动样带法通常是在车辆上 安装气温测定传感器，并连接着一个便携式的数据采集器。( 4 ) 是采用遥感技术， 对遥感卫片、航片资料进行分析，进而监测城市的热岛效应。根据地物在不同波 段辐射值的差异，利用热红外传感器对城市地表温度进行大面积观测，再通过计 算机技术，进行室内解译，就可以分析得到地物的热量空间分布。( 5 ) 模拟预测 法：模拟预测法是运用计算机技术运用的统计模型、数值模型、解析模型和物理 模型四种模型模拟城市热岛效应变化的方法，这四种模型已经广泛地应用于理论 和实践研究，其中物理模型是有多种云物理和边界层的物理过程和四维固化功能 实验室模拟最有代表性的是s t r 即t k e 的高斯模型、m i h a l a l 【a k o u 等人工神经网络 模型等，这些模型都可以简单的归纳为数学模型和实验室模拟2 大类。 利用气温对比法来研究城市热岛的最大缺点是气象站有限，只能获取个别 的点信息，不能完全掌握城市热岛的空间分布信息，且对于较大区域尺度的研究 只能用点代面，进行插值以获取面数据，在实际操作中很难真实有效地进行。气 象站点的变动( 包括经度、纬度和高度的变动) 、观测习惯的改变、测量仪器的 误差等均能直接影响到城市热岛效应的研究结果。而且，传统的人工监测方法已 逐渐跟不上日新月异的土地利用变化速度以及由此产生的城市热环境的变化。 模拟预测法涉及的参数多且复杂，采用不同的数学建模方法，可能得出差 异很大的数据结果。模型本身的质量在很大程度上决定了研究成果的好坏，它的 普及性仍然有待商酌。运用遥感技术获取的观测资料具有快捷、时间同步性好、 覆盖范围广、信息连续等特点，基本克服了传统方法的部分缺陷，它的缺点是： 获取数据在时间上仍不连续，遥感量测受天气、云的影响，在反演地表温度方面 精度仍然有待提高。当前，利用遥感技术研究城市热岛能大致分为3 种方法， 即：基于温度的监测方法、基于植被指数的监测方法以及基于“热力景观”的监 测方法。遥感数据也可以作为模拟建模的基本资料，让后者发挥更大的作用。随 着高空间分辨率、高光谱分辨率和高时间分辨率传感器的发展，利用热红外遥感 技术进行城市热岛研究是一种趋势。但地表热红外辐射及比辐射率的方向性问 题、非同温混合像元的分解以及多平台、多尺度数据之间的整合等遥感理论问题 急需解决。 1 2 2 国外以遥感手段研究城市热岛的进展 利用遥感技术来研究城市热岛可以从1 9 6 2 年第一台红外测温仪诞生算起。 r a o ( 1 9 7 2 ) 首次利用热红外遥感数据i t o s l 研究城市热岛现象。c 砒s 锄、m o t s o n ( 1 9 7 7 ) 等分别利用n o a a 、越，h r r 数据研究了美国几个城市昼夜地表温度分 布、城市热岛变化等情况。随后1 9 7 8 年美国又发射热惯量卫星( h c m m ) ，首 次用卫星来观测地球表面的温度差异，这标志着遥感技术已经真正的被用在了热 环境的研究中。p r i c c ( 1 9 7 9 ) 等利用h c m m ( h e a tc 却a c i t ym a p p i n gm i s s i o n ) 数据 评估了美国西北部地区城市热岛的范围和强度。b a l l i n g ( 1 9 8 8 ) 等利用a v h r r 图像分析阿塞拜疆地区辐射温度的分布，发现地表辐射温度分布 与土地类型特征直接相关；p a r k ( 1 9 8 6 ) 等分析1 9 8 2 年6 8 月韩国汉城的观 测资料得出，工厂和商店对汉城的热岛效应强度贡献最大，其次是住宅，温度 最低的是水体；r 0 t l l ( 1 9 8 9 ) 等研究了美国西海岸地区的城市热岛强度及结构， 评价了北美西部沿岸几个城市热岛效应强度：白天工业区温度比农业用地、绿地 等温高，但夜晚的温差减小。d e n g ( 2 0 0 1 ) 等使用由l a n d s a tt m 6 数据提取的地 表温度数据来探测中国西北地区的地下煤炭自燃。w 色n g ( 2 0 0 4 ) 等利用t m 数据 研究了地表温度与植被覆盖度之间的关系。发现植被覆盖度比n d 能更好的反 映决定地表温度( l s t ) 的辐射、热学和湿度属性。不同的遥感器，其通道光谱 信息和空间响应信息均不相同。对于大区域尺度的研究一般选用n o a r ， 其空间分辨率为1 1 1 k m ，过境周期短。但为了获取详细的热岛空间分布，许多 学者常常选用l a n d s a t 的热红外波段1 m 6 或者a s t e r 来评价城市热岛强弱。 热岛问题已经成为了一个世界性的环境问题，不但引起了世界各国学者的广 泛关注，而且受到了政府的高度重视。如美国航空航天局娜a ) 和环保署( e p a ) 在1 9 9 7 年共同发起的“u r b a i lh e a ti s l a n dp i l o tp r o j e c t 计划，选择洛杉矶、芝加 哥、盐湖城、s a c r 锄e n t o 、b a t o nr o u g e 等城市，利用地面观测和遥感技术开展 了针对夏季城市热岛的研究与治理工作。城市热环境及其热效应已成为当前城市 气候与环境研究中，最为重要的研究内容之一。 1 2 3 国内城市热岛研究进展 我国在城市热岛方面的研究起步较晚，在7 0 8 0 年代初期进行过一些气象 方面的研究，主要采用的是传统的常规观测方法，研究区域多限于上海、北京及 沿海等大中城市。进入9 0 年代后，有一些学者逐步利用遥感技术，采用热红外 遥感数据，先后对北京、上海、广州等大城市的热岛现象进行了监测。随着经济 实力的增强，对热岛效应重视程度的增加，城市热岛效应的研究将陆续在全国各 地大中城市开展起来。杨星卫等( 1 9 9 4 ) 通过对比分析1 9 9 2 年4 月、6 月和7 月3 个时相的n o a 剐怂啊r r 图像，发现上海地区春( 4 月) 、夏( 7 月) 两季 的热岛效应较强，而春夏交替之际的6 月则较弱。纪瑞鹏等( 2 0 0 0 ) 利用 n o a a a r r 资料对沈阳等6 城市热岛现象进行连续监测，对所监测城市热 岛最大强度及随季节变化进行对比分析，得出沈阳、鞍山、抚顺、本溪热岛最大 强度较强，大连、丹东较弱，且出现季节不同。周红妹等( 2 0 0 2 ) 以遥感、土地 利用、气象以及绿地统计资料为主要信息源，利用g i s 空间分析技术，对2 0 0 0 年 以来上海中心城区热岛效应与绿地分布状况进行动态监测和综合评估。于淑秋等 ( 2 0 0 5 ) 用北京地区气象观测站1 9 6 睢2 0 0 0 年的温度资料研究了北京城市热岛 的季节变化和年际变化，进而用北京的城市化指数，讨论了它与热岛强度与尺度 范围变化之间的关系，研究结果表明北京城市热岛存在明显的季节变化，其中以 冬季为最强，春、秋季次之，夏季为最小，城市热岛的季节变化主要发生在市区， 而郊区温度冬夏差别不大。此外，改革开放以来，城市化指数成几十倍乃至百倍 的增长，热岛强度也出现了跃变式的增加，且随城市建筑群扩大，热岛搿尺度 范围亦显著扩大。遥感技术的发展极大的促进了对城市热岛效应的研究，随着遥 感影像空间分辨率，光谱分辨率以及时间分辨率的不断提高，运用遥感技术来监 测城市热岛效应展现出了广阔的应用前景。 1 3 研究内容、方法及技术路线 1 3 1 研究内容 本文将以遥感为主要技术手段，采用2 0 0 7 年5 月8 日贵阳市的t m 数据， 进行常规的亮温反演，并分别采用单窗算法和单通道算法来反演地表温度，并根 据反演出的地表温度对贵阳市独特的热岛空间分布格局进行了分析，探索造成这 种热岛效应的影响因子。 1 3 2 主要研究方法 1 ) 基于遥感手段完成相关数据分析，构建各个模型完成各种研究步骤。 2 ) 分析比较了两种常见的温度反演算法，对其精度进行评估，确定最好的反 演效果。 3 ) 通过地表植被覆盖度、地表比辐射率以及所需的其它地气参数，反演研究 区范围内的地表温度空间分布图。对地表温度值进行统计，进而在这基础上研究 城市地表温度热岛效应，分析了城市地表温度热岛的空间分布格局。 4 ) 运用统计方法，分析城市地表温度与归一化差分植被指数n d m o 册a l i z e d d i 腧r e n c ev e g e t a t i o ni i l d e x ) 、喀斯特分布的关系。论述造成贵阳城市热岛效应的 影响因素，并针对性地提出一些改善城市热环境、缓解城市热岛效应的措施和方 法。 1 3 3 技术路线 图2 技术路线图 1 4 研究区范围及概况 图3 研究区示意图 贵阳是贵州省省会，位于贵州省中部偏北，东经1 0 6 。0 7 至1 0 7 。1 7 ，北 纬2 6 01 1 ，至2 7 。2 2 之问，因城区位于贵山之阳而得名，简称“筑 ，贵阳府 的名称沿用至清末。古代贵阳盛产竹子，许多地方以竹命名，因“竹”与“筑” 谐音，故贵阳简称“筑 。贵阳位于云贵高原东部，是我国西南地区重要的中心 城市之一，是贵州省的政治、经济、文化、科教中心和西南地区重要的交通通信 枢纽、工业基地及商贸旅游服务中心。 该市地处云贵高原的东斜坡上，属全国东部向西部高原过渡地带。地形、地 貌走势大致呈东西向延展，地势起伏较大，南北高，中部低。贵阳地貌属山地、 丘陵为主的盆地地区。奇特的喀斯特地貌大量分布，既有高原山地和丘陵，又有 盆地和河谷、苔地，海拔5 4 0 米1 7 4 0 米。其中山地面积4 2 1 8 平方千米，丘陵 面积2 8 4 2 平方千米，平坝地9 1 2 平方千米，此外，还有约1 2 的峡谷地带。贵 阳中部层地貌明显，主要有贵阳一中曹司向斜盆地一花溪一青岩构成的多级溶丘 洼地地貌，溶洞非常发育。东与龙里、瓮安县接壤，南靠惠水、长顺县，谣接平 坝、织金县，北邻黔西、金沙、遵义县。 贵阳市行政区划辖六区( 云岩区、南明区、白云区、乌当区、花溪区、小河 区) 、一市( 清镇市) 、三县( 修文县、开阳县、息烽县) ，市域总面积8 0 3 4 平方 千米，市区面积2 4 0 3 平方千米。城区东起龙洞堡，西至百花山脉、阿哈水库， 南起桐木岭，东北至洛湾，西北至麦架，包括中心区和外围龙洞堡、二戈寨、小 河、花溪、新添、白云、三桥、金阳8 个片区，面积约4 9 5 平方千米。 贵阳是一座“山中有城，城中有山，绿带环绕，森林围城，城在林中，林在 城中的具有高原特色的现代化城市，享有“森林之城，休闲胜地 的美名( 中 国贵阳网站) 。 第二章基于陆地卫星的城市地表温度反演研究 2 1 温度反演的理论基础与相关反演模型 温度是地表物质的热红外辐射的综合定量形式，是地表热量平衡的结果，由 物质的热特性以及几何结构共同决定，同时还受到微气象条件、生态环境、土壤 物理参数等因素的影响。它是地气能量交换过程中的一个重要参数，对于研究大 气与地表的能量与物质交换、天气预报、全球洋流循环、气候变化等都有重要的 意义。利用热红外遥感可以得到大范围的地表温度面状信息，与传统的地表温度 测量方式相比，具有快速、便捷、测量范围大、实时性高等特点，因而受到了国 内外学者的广泛关注。 任何温度高于绝对零度( 0 k 或者2 7 3 ) 的物体都将不断的向外界发射具 有一定能量和波谱分布位置的电磁波，其辐射能量的强度和波谱分布位置与物质 的表面状态有关，它是物质内部组成和温度的函数，即使相同的物质向外发射的 热红外能量也可能由于温度的不同而存在着明显的差异。 辐射严格遵循着黑体辐射定律，即普朗克辐射定律、斯特潘波耳兹曼定律 以及维恩定律。通过对假设的理想辐射体黑体的研究，能够使我们了解物体 热辐射的本质，掌握物体热辐射的特性。普朗克辐射定律给出了黑体的辐射出射 度与温度、波长的定量关系；斯特潘波耳兹曼定律描述了黑体的辐射强度与温 度正相关，即总辐射与温度的4 次方成正比( m 西1 4 ) ：维恩定律指出随着黑 体温度的增加，发射峰值波长减小，两者呈反比关系。对于非黑体的真实物体， 由于比辐射率小于1 ，它的辐射出射度将小于同温下黑体的辐射出射度。 地球表面的平均温度在3 0 0 k 左右，其最大辐射波长约9 砧m ，能量主要 集中于热红外波段，热红外辐射的能量，入眼虽看不见，但是却能被特殊的热辐 射计或者扫描仪所感应，根据黑体辐射定律，再加上热红外辐射传输方程，我们 借助于遥感热红外图像数据，就能够从物体的光谱分布以及辐射总功率中反算出 物体的实际温度，间接的获取到目标对象的温度信息。但是这个过程会受到很多 因素的影响，其中热红外探测器所获取的物体辐射信息中，不仅包含着物体的温 度，还包含着表征物体辐射能力的比辐射率，两者的分离是温度反演的一个难点。 此外，由于热红外遥感本身的复杂性，它的许多理论问题均未很好的解决，使得 温度反演的精度不高，实际应用还有些困难。 目前，国内外许多学者们都正在致力于对热辐射与地面相互作用机理、地 表真实温度的模型反演等诸多领域进行深入探讨研究，在已知地表比辐射率的前 提下，通过对大气辐射传输方程的近似和假设，相继提出了多种地表温度反演的 算法，归纳起来可分为以下4 种：单通道法、多通道法、单通道多角度法、多 通道多角度法( 赵英时等，2 0 0 3 ) 。 单通道法：利用卫星传感器上单独的一个热红外通道获得的辐射能，借助于 探空或卫星遥感确定的大气垂直廓线数据( 温度、湿度、压力) ，结合大气辐射方 程计算大气辐射和大气透射率等参数，以修正大气的影响，从而得出地表温度。 该方法需要已知地表比辐射率、大气廓线，并需要有一个精确的辐射模型。 多通道法：目前应用最广泛的方法是多通道法，又名分裂窗法。主要是通过 对两个相邻的通道测量值的组合来剔除大气影响，进行大气和地表比辐射率的订 正。该算法在海面温度反演中较为成功，其反演误差可小于o 7 ，在全球范围 内精度可达l 。 ， 单通道多角度法：这种方法是建立在同一物体由于从不同角度观测时所经过 的大气路径不同而产生的大气吸收不同的基础上的，通过对单通道在不同角度观 察下所获得的亮温的线性组合来消除大气的作用。有研究表明，这种方法来对海 水表面温度进行反演，精度可达0 3 或者更好。但是由于传感器的限制及陆地 表面状况的复杂性，在陆地表面温度的反演上研究很少。 多通道多角度法：这种方法是多通道法和多角度法的组合，利用不同通道、 不同角度对大气效应的不同反应来消除大气的影响，反演地表的温度。 2 2 基于陆地卫星的地表温度反演算法 目前，常用于热红外卫星遥感的信息源主要有n q 认气象卫星筒愀的 第4 通道( 1 0 5 1 1 缸m ) 、第5 通道( 1 1 5 1 2 靴m ) 以及陆地卫星删，硎+ 的第6 波段( 1 0 4 1 2 靴m ) 数据。虽然1 m 6 波段的噪声等效温差( n e t d 即温 度分辨率) 为o 5 k ，比n 吮卫星热红外通道( 舯为0 1 o 3 k ) 低，但是其 地面分辨率为1 2 0 m ( e t m + 热红外波段数据为6 0 m ) ，远高于n 认气象卫星 的1 1 k m 。因此本次研究选用美国陆地卫星l a n d s a t 7 在2 0 0 1 年月1 1 月1 3 日的 e t m + 影像、以及l a n d s a t 5 在2 0 0 7 年5 月8 日获取的t m 热红外波段数据， 结合以往研究成果进行调查，研究贵阳市的热岛效应。 l a n d s a t 陆地卫星是7 0 年代后发射的地球资源卫星，已经有三十多年的 历史，积累了丰富的影像资料，已经得到了广泛的应用。由于地面分辨率较高， 其更加有利于进行城市温度的时空演变分析研究。伽d s a t 成像宽度是1 8 5 公 里，只要是晴天，基本能保证1 6 天获取一景数据。l a n d s a tt m 的热红外波段 空间分辨率是1 2 0 米，l a n d s a te 1 m + 的热红外波段空间分辨率提高到了6 0 米， 它们的空间分辨率明显优于m o d l s 和趟厂h r r 。对于地面分辨率要求较高的应 用研究来说，例如分析城市的地气相互作用以及能量交换，具有明显的优势，因 而用陆地卫星l a n d s a t 热红外波段( 1 0 4 1 2 舡m ) 来分析地表热辐射和温度 区域差异是个很好的选择。 不同时间、空间分辨率的热红外遥感数据常被用来进行地表温度反演：如 n o a a 的a 忸r r 、t e m 的m o d i s 和a s t e r 等l a n d s a t l m 的第6 波段( t m 6 ) 热红外波段( 1 0 4 1 2 和m ) ，也常用作地面温度的反演然而，尽管l a n d s a t 数据相对于其他遥感数据而言具有空间分辨率较高( 相对于n 0 匕气a 、m o d i s 而 言) 、连续记录存档时间长( 相对于a s t e r 而言) 的综合优势，但在较长一段时间 以来，由于i a n d s a t1 m 数据只拥有一个热红外波段，无法使用劈窗算法、皿三s ( 温度比辐射率分离法) 等发展相对成熟的算法来反演地表温度，使得在应用 l a n d s a t 数据获取地表温度方面受到了较大的限制，以往的研究中，一般直接使 用1 m 6 数据的影像灰度值( d n 值) 或者将其转化为象元亮温，或仅做部分校正， 只考虑地表辐射率的影响，不考虑考虑大气的影响，没有计算真正的地表温度。 这些方法直接使用1 m 6 的d n 值或亮度温度来进行区域分析，得到的结论有可 能存在比较大的偏差，目前，应用t m 6 数据反演地表温度有3 种算法：辐射传 导方程法、单窗算法和单通道算法。 2 2 1 辐射传导方程法 辐射传导方程法( r a d i a t i v et r 卸s f ；时e q u a t i o n ) 也称大气校正法，该方法主要 利用了辐射传输方程来求解地表温度。遥感卫星上的热红外辐射传感器所接收的 能量主要包括三个部分：经大气削弱后被传感器接收的地表热辐射：大气下行辐 射经地表反射后再被大气削弱最终被传感器接收的那部分能量以及大气上行辐 射，即： b e n s o r = r b ( t s ) + ( 1 ) l a t m 上+ l a t m t ( 1 ) 式中，b e n s o r 为传感器接收到的热红外光谱辐射亮度( w m 之s r k m 。) ；为地表 比辐射率；t s 是地表温度( k ) ；b ( ，r s ) 为普朗克黑体光谱辐亮度( w m 之s r 么m 4 ) ； l a t mj ，和b 锄t 分别是大气下行辐亮度和大气上行辐亮度( w m 之s r k m 1 ) ；r 为地面 到传感器的大气总透射率。 由方程可看到，要从传感器的光谱辐射亮度值l s e n s o r 中反演出地表温度必 须知道一个地表参数和三个大气参数，即地表比辐射率、大气总透过率r 、大气 下行光谱辐射亮度l a t m 上和大气上行光谱辐射亮度匕l m t 。其中大气参数我们能 够通过m o d t r 姐、6 s 等大气模拟程序进行模拟计算。因而如果知道了地表比辐射 率，我们就能通过方程( 1 ) 求解出b ( ，r s ) ，再通过方程就能够反演出地表温度b 。 t s = 磁i l l ( k 1 b ( t s ) + 1 ) ( 2 ) 其中，k 1 和为传感器的定标常数，对于l a n d s a t1 m e 弧厦+ 都有不同的 取值。在拥有研究区精确的实时探空廓线数据，且比辐射率已知的情况下，通过 辐射传输方程反演的地表温度可以达到很高的精度，均方根误差( r m s d ) 约为 o 6 k 。然而由于卫星过境时刻大气廓线数据很难获取，因此，通常使用标准大 气廓线数据或当天的非实时探空廓线数据代替实时大气廓线数据进行模拟估算， 这可能使得温度反演的误差较大。如果将地物视作黑体，不考虑比辐射率的影响， 且由于城市区域范围有限，可以认为研究区水汽状况近似一致，不考虑大气对辐 射亮度温度的影响，则可以简化上述公式，获得下垫面辐射温度即亮温。 所谓亮温( t e m p e r a t u r eo fb r i g l l t n e 鼹，t b ) 就是指当物体辐射的功率等于某 一黑体辐射功率时该黑体的绝对温度。在城市气候研究中采用离地面1 5m 高 的气温来研究城市热场，称之为城市气温热场。热红外探测到的是城市下垫面地 物的辐射温度，直接采用亮温表征城市热场。 2 2 2 覃志豪单窗算法 为了避免对大气廓线数据的依赖，覃志豪等( 2 0 0 1 ) 建立了一种利用l a n d s a t 热红外波段反演地表温度的单窗算法( m o n o w i n d o w 舢g o r i 皿，m w ) ： t = 1 c 【a 宰( 1 - c d ) + ( b 幸( 1 一c d ) + d + c ) 1 s e n s o r d t i a 】 ( 3 ) 其中c = t ，d = ( 1 一d 【1 + ( 1 瑚，a = 6 7 3 5 5 4 ，b = 0 4 5 8 6 ，为地表比辐 射率，为地面到传感器的大气总透射率，t s e n s o r 是传感器上的亮度温度( k ) ，t a 是大气平均温度。利用该单窗算法来反演地表温度，所得结果的均方误差 ( r m s d ) 为2 1 5 k ，若根据大气轮廓线计算出的大气参数r 和t a 作为输入参 数时，则均方误差( r m s d ) 可达o 9 k 。由此可以看出，单窗算法对输入参数比 较敏感。该算法的优点在于仅需要三个基本参数：地表比辐射率、大气透过率和 大气平均作用温度。地表比辐射率直接与地表构成有关。大气透过率和大气平均 作用温度可以根据近地面的大气湿度和平均气温来估计。它的缺点在于参数化过 程中使用的数据仍然是标准大气廓线的，并没有使用实时的大气剖面数据，这使 得推导出的经验公式有可能在某些情况下不太适用。 2 2 3 普适性单通道算法 j i n l 爸n e z m u 五o z 和s o b 血o ( 2 0 0 3 ) 通过对普朗克函数在温度值t s e n s o r 附近 作一阶泰勒级数展开，提出了另一种适用于t m 数据的普适性单通道算法 ( s i i 谬e - c h 锄e l 灿9 0 r i t h m ，s c ) ，其计算公式为： b = 丫【e “也s e 靠r + 、l ，2 ) + v 3 】+ d ( 4 一1 ) 丫= 1 c 2 宰l s e n s o r 宰t s e n s o r - 2 【l s e n s o r c l 1 + x 1 】 ( 4 2 ) d - t 6 - 丫l 6 ( 4 3 ) 其中，l 6 是传感器观测到的光谱辐射亮度( w i n - 2 s r - k m d ) ，t 6 是传感器观测 到的亮温( k ) ，九是有效波长，对于t m 热红外波段是1 1 4 5 弘m ，c 1 = 1 1 9 1 0 4 1 0 8 w i n 2 s r - 1 u m - 1 ，c 2 = 1 4 3 8 7 6 8 5 u m k ，大气参数、i ，1 、i ，2 和、l ，3 可以 根据大气总水分含量来确定，对于t m 热红外波段而言，参数计算公式如下： 、i ，1 = o 1 4 7 1 秘0 1 5 5 8 3 国+ 1 1 2 3 4 ( 4 4 ) 啦= 1 1 8 3 6 舻0 3 7 6 0 7 0 5 2 8 9 4 ( 4 5 ) 、i ，3 = o 0 4 5 5 4 舻+ 1 8 7 1 9 0 3 9 0 7 1 ( 4 6 ) 这种算法的优点是需要的参数少，除了需要已知地表比辐射率外，只需要大 气总水分含量，并且s o b r i n 0 ( 2 0 0 4 ) 的研究结果表明这种算法的均方误差 ( r m s d ) 不大于1 k 。 辐射传导方程法由于计算过程较为复杂且需要卫星过空实时大气剖面数据 来进行大气模拟因而实际应用起来较其他二者困难，在缺乏实时大气剖面数据 的条件，而单窗算法需要的大气参数仅包括近地表气温和大气水分含量；而单通 道算法所需的大气参数仅为大气水分含量，地表辐射率则为这两种算法所共有的 关键参数。基于实际情况考虑，本次研究主要采取单窗算法和单通道算法来进行 贵阳市的热岛温度反演。 2 3 相关的参数计算 2 3 1 亮温 2 3 1 11 m 的亮温计算 用1 m 6 波段进行温度反演最重要的一部就是进行大气校正，在没有地面实 测数据或者其它气象数据的情况下，通常用波段回归分析，一般是以第7 波段为 校正波段，将其它波段一一与之比较，进行波段间相对校正，确定各波段的偏移 量。 r m 和e n 什的热红外波段都是1 0 4 0 1 2 5 l m ，分辨率分别为1 2 0 m 和6 0 m ， 在分析过程中对其进行重采样到6 0 m 。 t m 第6 波段的辐射亮度计算公式如下： l 6 = d n 奉g a i n + b i 舔 ( 5 1 ) g 血= ( l m 缸一l m i n ) m ( 5 2 ) b i 弱= l m i n ( 5 3 ) t - k l 【l n ( k 2 l 6 + 1 ) 】 ( 5 - 4 ) 式中，d n 是1 m 6 图像的像元灰度值，无量纲，取值范围m 可从头文件读 出；l 6 是辐射亮度( m w 锄2 s r 。1 ) ：g 血即增益，单位是( m w c m - 2 s r 。1 ) ； l m 戕和l m i n 分别是最大和最小光谱辐射值单位与增益相同。l m 和l m i n 从l 锄d s a _ t 5 的头文件中读出( 冯钟葵，2 0 0 0 ) 。本文中采用的2 0 0 7 0 5 0 8 之t m 数 据的l m a x = 3 2 0 1 0 7 ( m w c i n - 2 趼。1 ) ，l m i n = o 2 5 9 9 4 ( m w c m 。2 s r 1 ) ， m = 2 5 5 ，第6 波段的波谱宽度是2 1 阻。计算可知：l 6 = 0 0 0 5 4 9 ：l c d n + 0 1 2 3 7 8 ( m w c m - 2 盯。1 岬。1 ) ，公式5 - 4 中t 是绝对亮温( k ) ；k l = 1 2 6 0 5 6 ( k ) ；= 6 0 7 6 6 ( m w c m 。2 s r l 岬。1 ) 可得绝对亮温。再将绝对t b 转化 为摄氏度t b ，即t 亮= t 一2 7 3 1 5 (