采用TM影像的沈陽市熱環(huán)境變化研究

謝志偉 王洪明

【摘要】城市熱環(huán)境是城市空間環(huán)境在熱力場(chǎng)中的綜合表現(xiàn)，掌握城市的熱環(huán)境狀況可以為城市的發(fā)展規(guī)劃和生態(tài)建設(shè)提供有效的依據(jù)。本文將TM數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用單窗地表溫度反演算法，通過輻射亮溫的計(jì)算、比輻射率估算、大氣平均作用溫度的估計(jì)、大氣透過率的估計(jì)、地表溫度計(jì)算等5個(gè)關(guān)鍵步驟，分別得到了1992年、2001年、2010年的沈陽市地表溫度，從而獲得了沈陽市熱環(huán)境的變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沈陽市的最低溫度、最高溫度和平均溫度均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。具有明顯熱島效應(yīng)。

【關(guān)鍵詞】單窗算法 比輻射率 地表溫度 熱島效應(yīng) 沈陽市

Lake在1833年首次對(duì)倫敦市中心的氣溫比郊區(qū)高的現(xiàn)象進(jìn)行定義，提出了“熱島效應(yīng)”。城市熱島效應(yīng)對(duì)城市的氣候環(huán)境、公共健康、能源消耗、空氣質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展等都造成了深遠(yuǎn)的負(fù)面影響。所以，城市熱環(huán)境的研究越來越被重視。因此，快速、科學(xué)、有效的獲取大面積地表溫度，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外遙感的重要內(nèi)容，是城市熱島效應(yīng)從定性轉(zhuǎn)為定量研究的基礎(chǔ)。

McMillin等人最早提出劈窗算法，適用于有兩個(gè)熱紅外波段的數(shù)據(jù)，如AVHRR和MODIS數(shù)據(jù)。Wan等人利用MODIS的7個(gè)波段，提出了多通道算法，可以反演多個(gè)熱紅外波段數(shù)據(jù)的地表溫度，該方法不需要高精度的大氣溫度和水汽輪廓線數(shù)據(jù)，誤差主要是數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)誤差。覃志豪等人提出了單窗算法，通過引入大氣平均溫度的概念，基于熱輻射傳導(dǎo)方程，針對(duì)僅有一個(gè)熱紅外波段的遙感數(shù)據(jù)，提出了的根據(jù)TM6獲取地表溫度的方法。覃志豪的單窗算法所需參數(shù)較少，具有較高的反演精度。

沈陽市是我國(guó)重要的東北工業(yè)基地之一。在城市快速發(fā)展的同時(shí)，使得城市熱量增加、流通緩慢，進(jìn)而產(chǎn)生嚴(yán)重的熱島效應(yīng)。如何讓沈陽在經(jīng)濟(jì)大發(fā)展的同時(shí)打造宜居城市的口號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)，研究其熱環(huán)境狀況，并分析其緩解對(duì)策是必經(jīng)之路。

本文選擇單窗算法進(jìn)行沈陽市地表溫度反演，獲取沈陽市的地表溫度變化情況，為進(jìn)一步地表熱環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。一、基于單窗算法的沈陽市地表溫度反演

單窗算法利用熱紅外波段進(jìn)行地表溫度反演主要包括五個(gè)部分：輻射亮溫的計(jì)算、比輻射率估算、大氣平均作用溫度的估計(jì)、大氣透過率的估計(jì)、地表溫度計(jì)算。單窗算法反演地表溫度流程圖如圖1所示。

（1）輻射亮溫的計(jì)算。輻射亮溫計(jì)算的關(guān)鍵步驟是對(duì)熱紅外波段進(jìn)行輻射定標(biāo)，進(jìn)而求出相應(yīng)亮度溫度。公式為：

Lλ=gain*DN+offset

（1）

式中：Lλ為傳感器入瞳處熱輻射亮度值，gain為波段增益系數(shù)，DN為熱紅外波段的灰度值，offset為偏移系數(shù)。由上述公式計(jì)算可得研究區(qū)不同年份地表輻射亮溫。

（2）比輻射率的估算。比輻射率用e表示，定義為物體在溫度T、波長(zhǎng)λ下的輻射出射度Ms與同溫度、同波長(zhǎng)下黑體輻射出射度Mb的比值。本文采用可見光和近紅外的光譜信息參數(shù)，利用經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行地表比輻射率的估計(jì)。

（3）大氣平均作用溫度的估計(jì)。大氣平均作用溫度主要取決于大氣剖面氣溫分布和大氣狀態(tài)。本文通過分析標(biāo)準(zhǔn)大氣的水分含量以及氣溫隨高程變化的規(guī)律，以標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出在實(shí)際大氣剖面數(shù)據(jù)缺乏的情況下，大氣的平均作用溫度與近地面（離地高2m左右）氣溫的關(guān)系。

（4）大氣透過率的估計(jì)。大氣透過率τ是地表溫度遙感反演的基本參數(shù)。本文運(yùn)用大氣模擬程序LOWTRAN7，考慮了大氣水分在20.4-6.4g/cm區(qū)間內(nèi)變動(dòng)的情況下，模擬了大氣水分含量變化與大氣透射率變化之間的相關(guān)關(guān)系，并建立了相關(guān)方程，如表1所不。

（5）計(jì)算地表溫度。得到所需反演參數(shù)后，依據(jù)地表溫度反演公式，對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行反演。

二、實(shí)驗(yàn)分析

應(yīng)用單窗地表溫度反演算法分別對(duì)沈陽市1992年、2001年、2010年的TM影像進(jìn)行地表溫度反演，并統(tǒng)計(jì)了不同時(shí)相地表溫度反演得到的結(jié)果，得到的地表溫度結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出1992年的最低溫度為7.35度、最高溫度為21.63度、平均溫度為14.05度；2001年的最低溫為11.94度、最高溫度為27.31度、平均溫度為19.39度；2010年的最低溫度為18.65度、最高溫度為28.44度、平均溫度為23.54度。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，1992年、2001年和2010年沈陽市的最高溫度、最低溫度和平均溫度均呈現(xiàn)出升高的趨勢(shì)，沈陽市的熱島效應(yīng)明顯。

三、結(jié)論

本章首先敘述了采用單窗算法反演地表溫度的原理；然后，闡述了單窗算法反演地表溫度的具體步驟；最后，通過實(shí)驗(yàn)得到出了沈陽市的1992年、2001年和2010年的地表溫度，并發(fā)現(xiàn)了沈陽市的各項(xiàng)溫度均呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，得到了沈陽市熱島效應(yīng)顯著的結(jié)論。