基于Landsat8的地表溫度與地形要素的關(guān)系研究

伍 顯，安裕倫，趙海兵，郝新朝，夏 林，孫 婷

(1.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550001;2.貴州省山地資源與環(huán)境遙感應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽(yáng)550001)

隨著遙感數(shù)據(jù)的問世，傳統(tǒng)的靠人為測(cè)量獲取地表溫度的方式已經(jīng)逐漸退出歷史舞臺(tái)，因?yàn)槠渲荒塬@取小范圍的點(diǎn)數(shù)據(jù)并須要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力等;相比傳統(tǒng)測(cè)量地表溫度的方式，遙感數(shù)據(jù)具有大范圍、全天候的特點(diǎn)，大大地縮短了獲取地表溫度的時(shí)間周期。由于地表溫度容易受到很多易變因素的影響，比如天氣、季節(jié)、地表覆蓋類別的變化等，同種地物在不同的天氣和季節(jié)條件下會(huì)有很大的差異，如果測(cè)量周期太長(zhǎng)，很多地物會(huì)發(fā)生變化。目前，利用不同遙感數(shù)據(jù)反演地表溫度的研究已經(jīng)趨近于成熟，如針對(duì)ASTER的單窗算法和多通道算法［1－2］;針對(duì) MODIS的晝/夜算法、劈窗算法［3－6］等;針對(duì)TM和ETM的溫度反演而言有Qin等提出的單窗算法和單通道算法［7－11］。胡德勇等前后利用單窗算法結(jié)合地表發(fā)射率、大氣透過率等參數(shù)遙感估算方法針對(duì)Landsat8的第10波段對(duì)地表溫度進(jìn)行了反演并進(jìn)行了反演精度驗(yàn)證［12－13］。蔣大林等利用單通道算法進(jìn)行了針對(duì)Landsat8第10波段的系數(shù)修改，得到了針對(duì)Landsat8的單窗口算法的公式［14］。用獲取的地表溫度作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行更深一層的研究也有很多，比如韋春竹等研究地表溫度跟植被覆蓋度的定量關(guān)系［15］，宋挺等利用地表溫度反演的結(jié)果進(jìn)行了城市熱島效應(yīng)的相關(guān)研究［16－19］，韓貴鋒等分析了地表溫度與地形要素之間的響應(yīng)關(guān)系［20－21］。但是，從像素層面來(lái)分析溫度與地類、坡向、坡度等之間的關(guān)系的研究尚顯不足，本研究通過利用Landsat8影像的熱紅外波段(第10波段)、人機(jī)交互式解譯的土地利用數(shù)據(jù)和DEM(數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，揭示地表溫度與地類之間的定量關(guān)系、空間關(guān)系以及地表溫度與地物類別、坡度、坡向之間的關(guān)系。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程逐漸加快，尤其進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)城鎮(zhèn)化的規(guī)模超過了之前的總和，由此引起的城市熱島效應(yīng)也越來(lái)越嚴(yán)重，挖掘它們?nèi)咧g的關(guān)系可以為城市規(guī)劃和研究城市熱效應(yīng)提供參考數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究的研究區(qū)域選擇位于貴安新區(qū)的思雅河流域，地理位置 26°20'41.862″～ 26°25'10.849″N、106°34'13.533″～106°39'45.279″E。該流域通過 1 ∶10 000 的地形圖獲取。它包含了貴州省為了推進(jìn)貴州省高等教育實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展而建立起來(lái)的大學(xué)城的絕大部分區(qū)域，包括貴州師范大學(xué)、貴州財(cái)經(jīng)大學(xué)、貴州醫(yī)科大學(xué)、貴州民族大學(xué)、貴州輕工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院以及貴州城市職業(yè)學(xué)院等。整個(gè)區(qū)域也屬于國(guó)家級(jí)新區(qū)－貴安新區(qū)的范圍。區(qū)域的性質(zhì)使得它的發(fā)展極為迅速。從圖1和表1可以看出，人造地表大幅度增加，并且大都是從林地、耕地、草地變化而來(lái)，堆掘地占其中的一小部分，由于此區(qū)域的水域面積很小，所以水域完全沒有變化。除此之外，思雅河流域之內(nèi)新建的大學(xué)城的建筑相對(duì)比較密集，而且修建的時(shí)間不是很長(zhǎng)，與流域內(nèi)的許多分散的、修建時(shí)間較長(zhǎng)的建筑形成對(duì)比;除水體之外，各自然地表的面積相差不是很大，這有利于地表平均溫度的分析。

2 研究數(shù)據(jù)和研究方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

本研究的研究數(shù)據(jù)包括用于地表溫度反演的Landsat8的熱紅外(第10波段)遙感數(shù)據(jù)、通過人機(jī)交互式解譯方法解譯的土地利用矢量數(shù)據(jù)以及用于生成坡度和坡向的30 m空間分辨率的DEM數(shù)據(jù)。其中熱紅外遙感數(shù)據(jù)的原始分辨率為100 m，一級(jí)產(chǎn)品經(jīng)過重采樣之后的分辨率為30 m，正好與30 m DEM數(shù)據(jù)生成的坡度和坡向數(shù)據(jù)做疊加分析。其中土地利用分類按照第一次地理國(guó)情普查的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。

2.2 研究方法

表1 2011—2017年思雅河流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

首先利用Landsat8的第10波段進(jìn)行溫度反演，將溫度反演的柵格結(jié)果轉(zhuǎn)化為30×30的矢量單元格，讓每個(gè)單元格存儲(chǔ)地表溫度值;然后將這個(gè)結(jié)果跟土地利用的矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，使得每個(gè)單元格同時(shí)有溫度和地類2個(gè)數(shù)據(jù);最后對(duì)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以得出地類、溫度、各類面積之間的關(guān)系。利用30 m DEM數(shù)據(jù)求出坡度和坡向，然后將坡度和坡向轉(zhuǎn)化成30×30的矢量數(shù)據(jù)，讓每個(gè)矢量單元分別存儲(chǔ)坡度和坡向數(shù)據(jù)，將其與溫度數(shù)據(jù)疊加，最后統(tǒng)計(jì)溫度與地類、坡度、坡向的關(guān)系(圖2)。

2.3 溫度反演

目前針對(duì)各種不同影像數(shù)據(jù)的波段設(shè)置，學(xué)者們提出了不同的溫度反演算法，因?yàn)閱未翱谒惴ㄖ皇轻槍?duì)Landsat TM/ETM+提出的，而Landsat8的熱紅外波段(第10波段:10.6～11.19 μm，第 11 波 段:11.5 ～12.50 μm)的 設(shè) 置 跟LandsatTM/ETM+不一致，所以不能直接使用單窗口的算法，另外又因?yàn)長(zhǎng)andsat8的第11波段存在很大的不穩(wěn)定性，所以單獨(dú)使用第10波段進(jìn)行溫度反演?；诖?，蔣大林等對(duì)單窗口算法的參數(shù)進(jìn)行了修正，得出了專門針對(duì)Landsat8的第10波段溫度反演的單窗口算法的公式［14］。

式中:C=εT，D=(1－τ)［1+(1 － ε)τ］，ε 為地表發(fā)射率，τ為大氣透射率，T10為Band10的星上亮度，Ta為大氣平均作用溫度，a和b分別為修正后的系數(shù)，當(dāng)溫度在0～50℃(273～323 K)范圍內(nèi)時(shí)，a、b 的值分別為 62.735 657、0.434 036;當(dāng)溫度在0～70℃(273～343 K)范圍內(nèi)時(shí)，a、b的值分別為－66.279 546、0.446 139。

大氣透射率τ的確定:運(yùn)用MODTRAN大氣模擬程序針對(duì)Landsat8第10波范圍，對(duì)大氣水汽含量在0.4～6.0 g/cm2范圍內(nèi)的大氣透射率進(jìn)行模擬，得到了大氣透射率與水汽含量之間的關(guān)系式，然后對(duì)其進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到式(2)。

式中:ω表示大氣的水汽含量，單位為g/cm2，可通過楊景梅等提出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀傻孛嫠畾鈮汗浪愕玫剑?2］，P1、P2、P3、P4為系數(shù)，其值分別為 0.003 746 415、－0.039 887 29、－0.005 006 28、0.947 512。

Band10的星上亮溫可由影像的原始數(shù)據(jù)計(jì)算得到，用式(3)將原始的DN值定標(biāo)為輻射亮度值。

式中:Lλ為衛(wèi)星所在高度處傳感器所接收到的熱輻射值，W/(m2·sr·μm)，ML和AL可從影像的頭文件中獲取。Qcal為影像的DN值。計(jì)算出熱輻射值之后，再由式(4)將熱輻射值轉(zhuǎn)化為星上亮度。

式中:T10為星上溫度;K1、K2為系數(shù)，可從影像的頭文件中讀取，分別為 774.885 3、1 321.078 9。

發(fā)射率的確定:基于覃志豪等提出的混合像元地表發(fā)射率的估算方法［23］估算出了第10波段范圍內(nèi)水體、植被、耕地和人造地物的發(fā)射率，其值分別為水體0.991、植被0.982、耕地 0.971、人造地表 0.967。

大氣平均溫度的確定:根據(jù)覃志豪等的由地面氣溫T0近似計(jì)算大氣平均作用溫度的方法［23］為

2.4 坡度、坡向圖

利用貴州省的DEM裁剪出思雅河流域的DEM，進(jìn)而得到坡度和坡向圖，然后分別將坡度和坡向圖按照30×30的網(wǎng)格進(jìn)行矢量化，如圖3所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 溫度反演結(jié)果與分析

通過“2.3”節(jié)所得出的單窗口算法的式(1)和其他修正參數(shù)以及從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)查詢到衛(wèi)星過境當(dāng)天的貴陽(yáng)市的平均水氣壓和當(dāng)天的平均氣溫，分別計(jì)算出大氣的透射率和大氣平均作用溫度，分別為0.90和28.837 79℃，最后得出了思雅河流域的溫度圖(圖4)。

從溫度反演的圖4可以看出，跟其他地方相比，新建的大學(xué)城區(qū)域的溫度明顯要高出很多，產(chǎn)生了一個(gè)相對(duì)的“熱島”。造成這一結(jié)果的原因是人造地表和堆掘地的熱慣量要比林地、草地和耕地小，以致蓄熱的能力比其他地物弱，對(duì)溫度的敏感性比較強(qiáng)，很容易受到環(huán)境溫度的影響。

3.2 溫度與地類之間的關(guān)系

地表不同的地物具有不一樣的紋理、不同的熱慣量、不同的形狀等，導(dǎo)致了不同地物接收、反射和蓄熱的能力也有很大的差別。具體關(guān)系如表2所示。

表2 溫度與地類之間的關(guān)系

從表2可以看出，不同地類之間的平均溫度由大到小順序?yàn)槎丫虻?23.52℃)＞人造地表(23.27℃)＞草地(22.42℃)＞耕地(21.76℃)＞林地(21.31℃)＞水域(19.87℃)。堆掘地的平均溫度比人造地表高，但是地物的最高溫度卻是在人造地表，而且人造地表的最低溫度比堆掘地和草地的低，造成這個(gè)現(xiàn)象的原因是思雅河流域內(nèi)的人造地表里大多數(shù)的房屋、道路等已經(jīng)建成多年，在這些房屋和道路的表面會(huì)有很多的“非人造地表”元素，而堆掘地基本都是新開挖的、還沒修建的地表，這一點(diǎn)可以從溫度圖上看出來(lái)。由此可以看出，人類對(duì)地表的開發(fā)程度跟地表溫度是成正比。

3.3 溫度、地類、坡度之間的關(guān)系

不同的坡度會(huì)影響太陽(yáng)輻射的入射角和反射率，所以在地物相同而坡度不同的情況下地表地物的溫度會(huì)有明顯的差別。對(duì)于不同的地類而言，地表地物的溫度隨著坡度的變化也各不相同。下列圖中趨勢(shì)線的斜率表示了各地物溫度受到坡度影響的程度關(guān)系。從圖5至圖9可以清楚地看出，隨著坡度的增加，各地物的平均溫度逐漸減低，除此之外各地物受坡度影響由大到小依次為人造地表(－0.085)＞堆掘地(－0.065 6)＞耕地(－0.062 8)＞草地(－0.059 3)＞林地(－0.020 8)。由于本研究區(qū)的水域面積很小，不能體現(xiàn)隨坡度變化的關(guān)系，故對(duì)水域不做分析。

3.4 地表溫度與地類坡向相互之間的關(guān)系

坡度的劃分通常為東(67.5°～ ＜112.5°)、東南(112.5°～＜157.5°)、南 (157.5°～ ＜ 202.5°)、西 南 (202.5°～＜247.5°)、西 (247.5°～ ＜ 292.5°)、西 北 (292.5°～＜337.5°)、北(0°～ ＜22.5°、337.5°～ ＜360°)、東北(22.5°～＜67.5°)，由于坡面的朝向會(huì)影響地表接受太陽(yáng)輻射的時(shí)間和太陽(yáng)輻射的入射角度，因此地表地物的溫度會(huì)受到坡向的影響。對(duì)于北半球來(lái)講，朝向南面的坡稱為陽(yáng)坡，朝向北面的坡為陰坡，朝向東面的稱為半陽(yáng)坡，朝向西面的坡稱為半陰坡。但是本研究所研究的區(qū)域成像時(shí)的太陽(yáng)高度角為128.934 561 41°，相比南坡而言，在這個(gè)高度角下的太陽(yáng)光線要偏向東南坡一些。所以堆掘地、人造地表以及草地的平均最高溫度都出現(xiàn)在東南坡，而對(duì)于耕地而言其最高溫出現(xiàn)在東坡，這應(yīng)該是與耕地所種植的農(nóng)作物種類有關(guān)。至于林地的最高溫出現(xiàn)在南坡應(yīng)該是跟植被類型有關(guān)。總體而言從北坡到西北坡總體上呈現(xiàn)了先升高后降低的趨勢(shì)(圖10)。雖然坡向?qū)囟犬a(chǎn)生了影響，但是溫差不是很大，這是因?yàn)楸狙芯克x的研究區(qū)的最高平均坡度只有14°，所以坡度對(duì)地表溫度的影響不是很明顯。另外水域在本研究區(qū)所占的面積很小，導(dǎo)致在有的坡向上沒有水體，所以忽略水體值。

4 結(jié)果

本研究利用Landsat8的第10波段作為地表溫度反演的源數(shù)據(jù)，得到了思雅河流域的地表溫度圖，加上土地利用數(shù)據(jù)和DEM派生的坡度和坡向數(shù)據(jù)，通過疊加分析得出了以下結(jié)論:(1)將溫度圖和土地利用圖疊加可以發(fā)現(xiàn)，在相同的條件下地物的平均溫度由大到小的順序?yàn)槎丫虻?23.52℃)＞人造地表(23.27℃)＞草地(22.42℃)＞耕地(21.76℃)＞林地(21.31℃)＞水域(19.87℃)，總體上呈現(xiàn)為人造地表的地表平均溫度比自然地表的溫度高。(2)坡度通過影響太陽(yáng)輻射的角度對(duì)地物溫度產(chǎn)生影響。對(duì)于同種地物而言，隨著溫度的升高，地物的溫度會(huì)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，而且不同地物的下降趨勢(shì)不一樣，人造地表的下降趨勢(shì)會(huì)比自然地表要快。具體表現(xiàn)為人造地表(－0.085)＞堆掘地(－0.065 6)＞耕地(－0.062 8)＞草地(－0.059 3)＞林地(－0.020 8)。(3)坡向通過影響太陽(yáng)輻射的時(shí)間影響地物的溫度，對(duì)于北半球而言，從北坡到西北坡地物的溫度呈現(xiàn)了先增加后減少的整體趨勢(shì)。對(duì)于本研究而言，每一種地物的平均最高溫都出現(xiàn)在東南坡向上，這是因?yàn)楸狙芯坑跋瘾@取時(shí)的太陽(yáng)高度角為128.934 561 41°，相較于南坡太陽(yáng)的輻射更偏向東南一些，所以東南坡地物的溫度比南坡的高。

5 不足與展望

本研究雖然對(duì)各地性因素對(duì)溫度的影響進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，但是缺乏從時(shí)間的角度對(duì)不同地物與溫度之間的響應(yīng)關(guān)系的研究，比如不同季節(jié)、相同季節(jié)的不同天氣狀況對(duì)地表溫度都會(huì)產(chǎn)生很大的影響。另外，大學(xué)城相較于其他地方有一個(gè)很明顯的特點(diǎn)，大學(xué)城在上課的期間人口數(shù)量和放假期間的人口數(shù)量會(huì)有很大的差距，人口數(shù)量因素會(huì)不會(huì)影響地表的溫度還有待研究。將來(lái)將進(jìn)一步從不同時(shí)間角度和人文因素角度對(duì)地表溫度進(jìn)行分析。