基于TM影像的地表溫度反演算法研究

摘要：介紹了Landsat TM5遙感數(shù)據(jù)地表溫度反演的流程，并對(duì)輻射定標(biāo)、大氣校正等算法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。選擇四川省綿陽(yáng)市和德陽(yáng)市為實(shí)驗(yàn)區(qū)，對(duì)上述流程和算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明流程合理，相關(guān)算法具有普適性，算法中的大部分參數(shù)容易獲取，反演效果較好，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：遙感影像；輻射校正；亮度溫度；地表溫度

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）02-0223-03

1 概述

當(dāng)前生態(tài)環(huán)境日益惡化，與人們對(duì)生活舒適度要求不斷提高形成鮮明對(duì)比，人居環(huán)境質(zhì)量狀況備受關(guān)注。然而，隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的進(jìn)一步加深，工廠、汽車等人為熱能的排放量也在迅速增加，加之全球氣候變暖的大背景下，城市熱島效應(yīng)這一生態(tài)環(huán)境問(wèn)題也日益突出。自1818年城市熱島概念被提出至今已經(jīng)過(guò)去近200年，各國(guó)的學(xué)者一直致力于該問(wèn)題的研究。進(jìn)而形成了三種不同的研究手段即：地面觀測(cè)法、遙感監(jiān)測(cè)法和數(shù)值模擬法[1]，目前，隨著航空、航天技術(shù)以及計(jì)算機(jī)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，遙感監(jiān)測(cè)法已成主要手段。利用遙感影像反演地表溫度這一指標(biāo)在城市熱島效應(yīng)分析中就顯得尤為重要。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

研究以四川省綿陽(yáng)市主城區(qū)和四川省德陽(yáng)市主城區(qū)兩個(gè)區(qū)域?yàn)閷?shí)驗(yàn)樣區(qū)，綿陽(yáng)市屬四川盆地盆中丘陵區(qū)北部，主城區(qū)以丘陵為主，德陽(yáng)市位于成都平原東北部，主城區(qū)地形以平原為主，兩個(gè)研究區(qū)具有一定的代表性。選擇美國(guó)陸地衛(wèi)星Landsat TM5為數(shù)據(jù)源，TM遙感影像熱紅外波段空間分辨率是120m，其余波段空間分辨率是30m。兩個(gè)區(qū)域的影像各兩個(gè)時(shí)相，時(shí)間均為1988年5月1日和2007年5月6日（軌道號(hào)129/38），兩個(gè)區(qū)域影像質(zhì)均較好清晰無(wú)云，適宜做相關(guān)的反演和分析。

2.2 地表溫度反演流程

地表溫度作為城市熱島效應(yīng)研究的重要指標(biāo)，其準(zhǔn)確可靠性在后續(xù)定量研究中的重要地位是不言而喻的，有關(guān)地表溫度反演算法的研究也越來(lái)越多，尤其是隨著Landsat 8遙感數(shù)據(jù)的逐步應(yīng)用，輻射傳輸方程法[2]、單窗算法[3，4]和IB算法[5]等算法是目前TM影像最常用的地表溫度反演算法。反演的流程主要包括：輻射定標(biāo)、大氣校正、區(qū)域裁剪、亮度溫度反演、NDVI計(jì)算、地表比輻射率估算和地表溫度反演幾個(gè)步驟，詳細(xì)流程見(jiàn)圖1。

2.3 輻射定標(biāo)

由于遙感成像的復(fù)雜性，大氣、太陽(yáng)高度角等對(duì)成像質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生一定的影響，由此，獲取的數(shù)據(jù)必須進(jìn)行前期處理工作，為減弱其影響需完成輻射定標(biāo)等工作。對(duì)于TM數(shù)據(jù)而言，根據(jù)波段光譜輻射亮度進(jìn)行輻射定標(biāo)的模型如下式所示[6，7]：

[Lλ=Lminλ+Qλ×（Lmaxλ-Lminλ）/Qmax] （1）

其中：λ代表波段值；Lλ代表光譜輻射值；Qλ則是標(biāo)定后的像元值；Qmax是DN的最大值理論；Qmin是DN的最小值理論。Lminλ和Lmaxλ可在數(shù)據(jù)頭文件中獲得。

2.4 大氣校正

針對(duì)TM數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正的方法比較多，各種算法也相對(duì)成熟，主要包括：輻射傳輸方程法、直方圖最小值去除法和COST模型法[8]。COST模型法具有操作簡(jiǎn)單、所需參數(shù)容易獲取，校正精度相對(duì)較高等特點(diǎn)，應(yīng)用比較廣泛。其原理見(jiàn)如下：

[LIhaze=LImin-LI1%] （2）

上式：[LIhaze]為光譜輻射值；[LImin]代表傳最小光譜輻射值；[LI1%]代表反射率為1%的黑體輻射值。

經(jīng)COST模型完成TM影像反射波段大氣校正工作。圖2展示了第3波段輻射校正前、后效果。輻射校正完成后DN值發(fā)生了明顯變化，整體普遍增加，但是增加的幅度各不相同。

2.5亮度溫度反演

由于大多數(shù)傳感器探測(cè)到的是城市下墊面的輻射溫度（亮度溫度，簡(jiǎn)稱亮溫）輻射定標(biāo)和大氣校正工作完成后，接下來(lái)進(jìn)行亮度溫度反演，模型如下：

T=K2/ln（1+k1/Lλ） （3）

式中，T代表亮溫（K），K1=60.766mWcm-2sr-1μm-1，K2=1260.56k；Lλ是經(jīng)過(guò)輻射定標(biāo)和大氣校正之后的第6波段熱輻射強(qiáng)度。

2.6 地表比輻射率估算

當(dāng)前，計(jì)算地表比輻射率的主流算法包括：利用最大比輻射率和最小比輻射率差值與地表比輻射率的統(tǒng)計(jì)關(guān)系估算地表比輻射率、NDVI估算法、利用多時(shí)相數(shù)據(jù)確定地表比輻射率[9]。利用NDVI法估算應(yīng)用廣泛，同時(shí)具有相對(duì)較高的精度。而對(duì)于城市范圍內(nèi)由于下墊面結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，TM影像分辨率又相對(duì)較低，所以研究時(shí)將城市下墊面粗略認(rèn)為是建成區(qū)、水體、自然表面的混合體，總結(jié)前人的成果，本研究認(rèn)為水體像元的比輻射率選擇為0.995比較合理。自然表面（公式4）和建成區(qū)（公式5）地表比輻射率的計(jì)算采用下式進(jìn)行[10]。

[εsurface=0.9625+0.0614FV-0.0461FV2] （4）

[εbuild-up=0.9589+0.086FV-0.0671FV2] （5）

其中：εsurface為自然表面像元的比輻射率；εbuild-up為建成區(qū)像元的比輻射率；FV為植被覆蓋度，它由下式計(jì)算獲得。

[FV=（NDVI-NDVIS）/（NDVIV-NDVIS）] （6）

其中：NDVI是歸一化植被指數(shù)。

[NDVI=（ρ4-ρ3）/（ρ4+ρ3）] （7）

其中：ρ3是3波段地表反射率，和ρ4是4波段地表反射率。

2.7 地表溫度反演

根據(jù)地表比輻射率和亮度溫度反演地表溫度?；谟跋袼惴◤慕Y(jié)構(gòu)上看比較簡(jiǎn)單，所需參數(shù)少且容易獲取，全面考慮了地表比輻射率和大氣狀況，避免了獲取大氣透過(guò)率、大氣平均作用溫度、大氣剖面總水汽含量等參數(shù)的困擾，具有較強(qiáng)的可執(zhí)行性。同時(shí)其精度可靠，因此本文選擇該算法計(jì)算地表溫度，模型如下[5]：

[Ts=T1+（λT/ρ）lnε-273.15] （8）

式中：Ts為地表溫度（℃）；T為輻射亮溫（K）；λ=11.5μm；ρ=hc/δ=1.438×10-23J/K，為玻爾茲曼常數(shù)；h=6.626×10-36Js，為Planks常數(shù)；c=2.998×108m/s為光速；ε是地表比輻射率；273.15為開(kāi)氏溫度和攝氏溫度轉(zhuǎn)換常數(shù)。

按照上述算法反演獲得1988年和2007年綿陽(yáng)市和德陽(yáng)市地表溫度分布圖（如圖3、圖4所示）。兩個(gè)不同區(qū)域的4幅地表溫度分布圖整體效果比較理想，高溫區(qū)主要集中在建成區(qū)范圍以內(nèi)以及地表植被覆蓋較差的區(qū)域，河流穿過(guò)的區(qū)域溫度整體都比較低。符合一般性規(guī)律。

綿陽(yáng)市以丘陵地形為主，在所選區(qū)域內(nèi)，1988年最高氣溫37.77℃，最低氣溫20.29℃，溫差為17.48℃；2007年最高氣溫43.39℃，最低氣溫20.74℃，溫差為22.65℃。兩個(gè)時(shí)相最高氣溫相差5.62℃，兩個(gè)時(shí)相最低氣溫僅相差0.45℃。1988年涪城區(qū)和科學(xué)城兩個(gè)區(qū)域溫度比較高，2007年涪城區(qū)、高新區(qū)和永興鎮(zhèn)的溫度比較高。

德陽(yáng)市以平原地形為主，在所選區(qū)域內(nèi)，1988年最高氣溫34.60℃，最低氣溫19.50℃，溫差為15.10℃；2007年最高氣溫40.80℃，最低氣溫22.58℃，溫差為18.22℃。兩個(gè)時(shí)相最高氣溫相差6.20℃，兩個(gè)時(shí)相最低氣溫僅相差3.08℃。1988年旌陽(yáng)區(qū)溫度比較高，同時(shí)由于旌湖出現(xiàn)了干枯情況溫度也明顯高于四周，2007年旌陽(yáng)區(qū)溫度比較高。

3 結(jié)論

文章介紹以陸地衛(wèi)星Landsat TM5為數(shù)據(jù)源的地表溫度反演的詳細(xì)流程，同時(shí)對(duì)輻射定標(biāo)、大氣校正、亮溫反演和地溫反演的相關(guān)算法進(jìn)行了詳細(xì)的解釋。研究中也對(duì)輻射校正前后像元值的變化進(jìn)行了比對(duì)。并選擇綿陽(yáng)市和德陽(yáng)市為試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，證明文中闡述的流程、算法在實(shí)驗(yàn)樣區(qū)取得良好效果，可以在類似研究中推廣使用。

4致謝

遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)（http：//www.gscloud.cn），在此表示衷心的感謝！

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