基于MODIS的江漢平原比輻射率季節(jié)變化規(guī)律研究

李朋澤，王新生,2，郭光毅，徐 靜，許 亮，謝 凱

（1. 湖北大學 資源環(huán)境學院，湖北 武漢430062；2. 農(nóng)業(yè)部 遙感應用中心 武漢分中心，湖北 武漢 430062）

基于MODIS的江漢平原比輻射率季節(jié)變化規(guī)律研究

李朋澤1，王新生1,2，郭光毅1，徐 靜1，許 亮1，謝 凱1

（1. 湖北大學 資源環(huán)境學院，湖北 武漢430062；2. 農(nóng)業(yè)部 遙感應用中心 武漢分中心，湖北 武漢 430062）

基于Terra-MODIS L3級產(chǎn)品（MOD11C3），研究江漢平原區(qū)域比輻射率在一年四季的變化特征。結(jié)果表明，江漢平原區(qū)域的比輻射率值在1 a內(nèi)整體處于一個穩(wěn)定的區(qū)間,相比其他三季，冬季高比輻射率區(qū)間所占面積有明顯增加，同時存在多種類別的比輻射率值；春季和冬季的平均比輻射率值最高，夏季最低，秋季比輻射率值居夏冬兩季之中。對不同土地覆被類型的比輻射率值的研究表明，水田和水域的比輻射率值最高，建設(shè)用地比輻射率值最低但波動較大，林地和草地的比輻射率值最為穩(wěn)定，耕地的比輻射率值明顯高于自然植被；各種地類的比輻射率年變化趨勢基本一致，均在夏季出現(xiàn)波谷，秋季呈上升趨勢，冬季有小幅的波動，春季最穩(wěn)定。

江漢平原；MODIS；地表比輻射率；季節(jié)變化 ；土地覆被類型

1 MODIS數(shù)據(jù)及其預處理

中分辨率成像光譜儀MODIS 是Terra和Aqua衛(wèi)星上搭載的主要傳感器之一，其標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品根據(jù)內(nèi)容的不同分為0級、1級數(shù)據(jù)產(chǎn)品，在1 B級數(shù)據(jù)產(chǎn)品之后，劃分2～4級數(shù)據(jù)產(chǎn)品，包括陸地標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品、大氣標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品和海洋標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品等3種主要標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型，總計分解為44種標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型。本文使用的MOD11C3數(shù)據(jù)為陸地3級標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品，內(nèi)容為地表溫度和輻射率的全球0．05°×0．05°格網(wǎng)月值數(shù)據(jù)集[1-7]，選取的時間范圍為2011-03～2014-02。

運用MRT（MODIS reprojection tool）軟件將數(shù)據(jù)重新投影為Albers等積投影下的GeoTIFF格式，輸出所需的31、32兩波段值，通過Erdas軟件對所得數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換處理，得到兩波段的比輻射率值：

ε31= DN × 0.002 + 0.49 (1)

再采用梁順林提出的線性擬合方法得出寬波段的比輻射率[8]，線性擬合公式為：

ε = 0.314ε31+ 0.411ε32+ 0.261 (2)式中，ε31和ε32分別為MODIS31波段和MODIS32波段的比輻射率；ε為寬波段的比輻射率，通過裁剪得到江漢平原區(qū)域比輻射率月產(chǎn)品時序圖像。

2 研究區(qū)概況

江漢平原位于湖北省中南部，由長江與漢江沖積而成，是中國海拔最低的平原之一。介于北緯29°26'～31°10'，東經(jīng)111°45'～114°16'。在行政區(qū)劃上含荊州市（原沙市市、江陵縣）、石首、漢川、監(jiān)利、潛江、云夢、松滋、應城、天門、當陽、洪湖、仙桃、公安、枝江，總面積為28 235．12 km2，是長江中游重要的產(chǎn)糧區(qū)和農(nóng)副產(chǎn)品基地。該區(qū)氣候溫暖濕潤，無霜期長達243～275 d；活動積溫5 100℃～5 400℃；年降水量為980～1 300 mm，4～9月降水量占全年雨量2/3以上，雨熱同期[9]，植被呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化。

3 江漢平原比輻射率季節(jié)變化規(guī)律

通過對數(shù)據(jù)的處理分析，得到了2011-03～2014-02每月的比輻射率值。為了對江漢平原區(qū)域進行季相分析，選取每年的3～5月、6～8月、9～11月、12月～次年2月作為春、夏、秋、冬四季，所以時間上是從2011-03開始到2014-02結(jié)束。

將每月的比輻射率值做成折線圖（見圖1），可發(fā)現(xiàn)江漢平原區(qū)域的比輻射率值在1 a內(nèi)呈現(xiàn)“兩頭高中間低”的趨勢：春冬兩季明顯比夏秋兩季更高；春季的比輻射率最穩(wěn)定，變化不大，夏季起伏最大。

圖1 江漢平原地表比輻射率月份變化

在對江漢平原區(qū)域進行季相分析之前，需要將各季節(jié)對應的3個月份比輻射率值做平均值，得到對應年份的四季值。為了能夠更好地表現(xiàn)出比輻射率的變化，結(jié)合月比輻射率值的實際情況，將其分為5個區(qū)間：低比輻射率區(qū)（0．970 0～0．971 5）；中低比輻射率區(qū)（0．971 6～0．972 5）；中比輻射率區(qū)（0．972 6～0．073 5）；中高比輻射率區(qū)（0．973 6～0．974 5）；高比輻射率區(qū)（0．974 6～0．976 1）。

通過對比分析3年各個季節(jié)的比輻射率平均值可以發(fā)現(xiàn)，江漢平原區(qū)域的比輻射率值基本處于一個穩(wěn)定的區(qū)間（0．970 0～0．980 0之間），各季節(jié)的分布范圍也比較固定，主要原因可能與其地勢平坦且一年四季農(nóng)作物覆蓋廣泛、土壤水分充足有一定的關(guān)系?？v向?qū)Ρ韧攴莶煌竟?jié)的比輻射率，由圖2可以看出，0．973 6～0．974 5的中高值區(qū)和0．974 6～0．976 1的高值區(qū)所占的面積比例最大，二者之和可以達到90%以上；冬季相比其他三季，不同區(qū)間比輻射率的分布更加豐富一些，不過仍以中高區(qū)和高區(qū)為主，高比輻射率區(qū)間所占面積有明顯增大。

圖2 江漢平原（2011～2013年）四季比輻射率

橫向?qū)Ρ炔煌攴菹嗤竟?jié)的各個比輻射率區(qū)間的空間分布可以發(fā)現(xiàn)，雖然存在一定的差異，但在整體上具有一定的吻合度。例如在冬季，比輻射率的高值區(qū)域與低值區(qū)域很明顯在一定程度上保持一致。為了能進一步探討江漢平原區(qū)域比輻射率在季節(jié)上的變化規(guī)律，對各個季節(jié)的比輻射率圖計算出均值，制作均值在不同季節(jié)變化的折線圖（如圖3）。

由圖3可以看出，江漢平原區(qū)域比輻射率四季的均值整體維持在一個穩(wěn)定的范圍（0．972 0～0．976 0之間），3條曲線的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律：無論是哪一年，曲線的波峰都是在春季和冬季，波谷都出現(xiàn)在夏季，秋季比輻射率值則都處在了夏冬兩季的中間區(qū)域。夏季是我國地表溫度達到最高值的時間段，江漢平原位于長江中下游區(qū)域，更是我國的高溫區(qū)，但其比輻射率值卻在四季中降到谷底，相反春冬兩季地表溫度低得多，其比輻射率值卻上升到一定的高度，氣溫的變化或許對地物比輻射率的變化產(chǎn)生了一定的影響。

圖3 江漢平原（2011～2013年）四季平均比輻射率變化曲線

比輻射率的變化也與環(huán)境因素的變化有關(guān)系。雖然冬季樹木草地枯萎，農(nóng)作物也收割完畢，本應隨著裸地面積的增加比輻射率下降，但由于江漢平原是我國重要的農(nóng)作物種植基地，農(nóng)田在冬季一般都會進行灌水或者保持很高水分，使農(nóng)田比輻射率表現(xiàn)出水的特征，而水具有很高的比輻射率，導致冬季比輻射率整體較高。到了夏季，隨著農(nóng)作物和植被的生長，下墊面產(chǎn)生了改變，江漢平原以農(nóng)作物為主，從而比輻射率下降。

4 江漢平原不同土地覆被類型比輻射率變化分析

地表比輻射率除具有明顯的波譜特征外[10]，其主要取決于植被覆被、土壤濕度、土壤紋理、礦物質(zhì)組分以及冰雪[11]。不同的土地覆被類型是這些因素的綜合反映結(jié)果。地表比輻射率隨著土地覆被類型變化而改變，并與下墊面植被和土壤比例密切相關(guān)[12,13]。因此，為了更好地探討江漢平原區(qū)域地表比輻射率的變化機理，將江漢平原土地類型分為城鎮(zhèn)用地、耕地、林地、水域、草地和未利用地6大類，其中，耕地又分成水田和旱地2類，研究江漢平原區(qū)域不同的土地覆被類型對其比輻射率變化產(chǎn)生的影響。

由圖4可以看出，耕地占江漢平原區(qū)域大部分面積，經(jīng)統(tǒng)計達到了70%。所以將耕地分為水田和旱地2 類進行分析，能更加準確地對其變化規(guī)律進行判斷。這里，水田指有水源保證和灌溉設(shè)施，在一般年景能正常灌溉，用以種植水稻、蓮藕等水生農(nóng)作物的耕地，包括實行水稻和旱地作物輪種的耕地；旱地指無灌溉水源及設(shè)施，靠天然降水生長作物的耕地，或有水源和澆灌設(shè)施，在一般年景下能正常灌溉的旱作物耕地，以及以種菜為主的耕地，正常輪作的休閑地和輪歇地。

圖4 江漢平原土地分類圖

水田和水域的比輻射率值最高；建設(shè)用地比輻射率值最低，且其波動最大；林地和草地的比輻射率值最為穩(wěn)定；耕地的比輻射率值明顯高于自然植被；各種地類的比輻射率月變化趨勢一致，均在夏季出現(xiàn)波谷，秋季呈上升趨勢，冬季有小幅的波動，春季最穩(wěn)定。由于不同的土地利用類型的比輻射率表現(xiàn)出的波動性除了與自身組成物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，還受人類活動影響，人類活動程度越大，其波動的程度越明顯[14]，如圖5所示。

通過耕地發(fā)現(xiàn)，在4月份有個升高的小趨勢，這是由于農(nóng)作物返青的原因。5月份降低，是因為冬季作物的收割。江漢平原大范圍種植水稻，水稻種植時，稻田被水面覆蓋，這些農(nóng)用地會表現(xiàn)為水的特征。農(nóng)用地的比輻射率在7、8月份有個急劇降低的過程，可能與夏季雨水多、云的影響，或夏季水汽含量高，蒸騰作用強等原因有關(guān)，需要進一步研究。

圖5 江漢平原不同土地類型比輻射率變化

根據(jù)覃志豪等人研究成果，水體、植被、裸土和建筑的比輻射率分別可以用0．995、0．986、0．972 15和0．97來作為估計[15]。以此作為參考，可以發(fā)現(xiàn)MODIS Day/Light算法對水域的計算偏低，水體的比輻射率值基本小于農(nóng)用地。整體在夏季值偏低，表現(xiàn)出較小的季節(jié)性?；谶@種算法得到的比輻射率對土地類型比較敏感，各地類類型比輻射率值界限明顯，但同一地類的比輻射率差異小。農(nóng)作物在不同生長期變化大，特別是水稻種植，稻田被水面覆蓋，表現(xiàn)為水的特征，與林地和草地相比，變化更大。因此MODIS Day/ Light 算法結(jié)果用來計算農(nóng)用地比輻射率值以及溫度會帶來一定的誤差。

5 結(jié) 語

江漢平原區(qū)域四季的平均比輻射率值具有一定的規(guī)律性：春季和冬季的平均比輻射率值最高，夏季最低，秋季比輻射率值在夏冬兩季的中間區(qū)域。MODIS Day/ Light算法得出的比輻射率對土地類型比較敏感，但表現(xiàn)出較小的季節(jié)性。對于大面積農(nóng)用地來說，農(nóng)作物在不同生長期變化大，MODIS Day/Light 算法得到的MODIS 6 km產(chǎn)品可以大面積獲取地表比輻射率，大尺度監(jiān)測地球溫度信息，其影像和產(chǎn)品意義重大，但MODISC3產(chǎn)品的分辨率低，只能滿足全球范圍的溫度估計與分析，對于區(qū)域范圍的比輻射率的反映不夠靈敏。因此，建立不同地表下墊面比輻射率遙感反演算法具有十分重要的意義。

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P237.9

B

1672-4623（2015）05-0069-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.05.023

李朋澤，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)遙感和比輻射率遙感反演方面的研究。

2014-08-28。

項目來源：全球變化研究國家重大科學研究計劃資助項目（2010CB950902）。