基于Landsat-8數(shù)據(jù)的合肥市主城區(qū)地表溫度反演研究

陶旭

摘 要 基于2019年3月12日Landsat-8 TIRS遙感影像數(shù)據(jù)，通過大氣校正法，在ENVI和ArcGIS軟件的支持下，對合肥市主城區(qū)進行地表溫度反演，并通過疊加矢量數(shù)據(jù)分析。結(jié)果表明：運用Landsat-8 TIRS遙感影像數(shù)據(jù)進行地表溫度反演方法可行;工業(yè)生產(chǎn)強度與城市地表溫度高低可能呈正相關(guān)性;各地物類型表面溫度由高到低排序依次是建筑物、道路、裸地、植被和水體;合肥市主城區(qū)地表溫度由市中心向外逐漸降低。

關(guān)鍵詞 Landsat-8數(shù)據(jù);大氣校正法;地表溫度;合肥市

中圖分類號：F302.1 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.23.085

地表溫度（Land surface temperature，LST）是地球能量交換和水汽循環(huán)過程中的重要參數(shù)。衛(wèi)星熱紅外遙感為快速、大面積地獲取地表溫度提供了有效途徑[1]。Landsat-8衛(wèi)星是美國陸地探測系列的后續(xù)衛(wèi)星，其裝備有陸地成像儀（簡稱OLI）和熱紅外傳感器（簡稱TIRS），因其方便獲取、時間序列跨度長、數(shù)據(jù)質(zhì)量高等優(yōu)點而在全世界被廣泛使用，通過Landsat-8 TIRS所獲得的TIRS10和TIRS11來進行地表溫度反演是當前的研究熱點[2]。因此，基于Landsat-8 TIRS數(shù)據(jù)和安徽省合肥市矢量數(shù)據(jù)，在ENVI和ArcGIS軟件支持下，運用大氣校正法對合肥市主城區(qū)2019年3月12日的地表溫度進行反演，以期證明反演的可行性并且分析當日合肥市地表溫度變化情況以及分布情況。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

合肥市位于安徽省中部，位于北緯30°57′～

32°32′、東經(jīng)116°41′～117°58′，海拔平均20～40 m。合肥地處中緯度地帶，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，季風明顯，四季分明，氣候溫和，雨量適中。年均氣溫15.7 ℃，年均降水量約1 000 mm，年日照時間約2 000 h，年均無霜期228 d，平均相對濕度為77%。全市下轄4個區(qū)、4個縣、代管1個縣級市，總面積

11 445.1 km2，建成區(qū)面積476.5 km2。此次研究區(qū)為合肥市主城區(qū)，即廬陽區(qū)、蜀山區(qū)、包河區(qū)和瑤海區(qū)，見圖1。

1.2 研究方法

目前，地表溫度反演算法主要包括3種：大氣校正法、單窗算法和分裂窗算法。借鑒其他研究學者研究成果，并根據(jù)研究區(qū)域的特點，本次采用大氣校正法進行地表溫度反演研究[3-10]。

大氣校正法基本原理：衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ由三部分組成。大氣向上輻射亮度L↑、地面的真實輻射亮度經(jīng)過大氣層之后到達衛(wèi)星傳感器的能量、大氣向下輻射到達地面后反射的能量。衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ的表達式可寫為（輻射傳輸方程）：

（1）

式中，ε為地表比輻射率，TS為地表真實溫度（單位為K），B（TS）為黑體熱輻射亮度，τ為大氣在熱紅外波段的透過率。則溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度B（TS）為：

（2）

TS可以用普朗克公式的函數(shù)獲?。?/p>

（3）

對于TM數(shù)據(jù)，K1=607.76 W·m-2·?m-1·sr-1，K2=1 260.56 K;

對于ETM+數(shù)據(jù)，K1=666.09 W·m-2·?m-1·sr-1，K2=1 282.71 K;對于TIRS Band10數(shù)據(jù)，K1=774.89 W·m-2·?m-1·sr-1，K2=

1 321.08 K。

使用Sobrino[11]提出的NDVI閾值法積算地表比輻

射率：

式中，Pv是植被覆蓋度，用以下公式計算：

其中，NDVI為歸一化植被指數(shù)，NDVISoil為完全裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。取經(jīng)驗值NDVIVeg=0.70和NDVISoil=0.05，即當某個像元的NDVI大于0.70時，Pv取值為1;當NDVI小于0.05，Pv取值為0。

1.3 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

從USGS網(wǎng)站（https：//earthexplorer.usgs.gov/）獲取Landsat-8 OLI/TIRS C1 Level-1數(shù)據(jù)，考慮衛(wèi)星成像周期、數(shù)據(jù)云量和季節(jié)影響，本研究選取2019年3月12日覆蓋合肥區(qū)域的Landsat-8遙感影像，影像條帶號和行編號為121/38，云覆蓋量為0.04%，合肥市域范圍上空無云，符合本研究分析要求。大氣剖面參數(shù)獲取可在Atmospheric Correction Parameter Calculator（http：//atmcorr.gsfc.nasa.gov/）網(wǎng)站下載，其主要包含上下行輻射和大氣透過率，通過反演流程（圖2），最終得到地表溫度反演結(jié)果為：合肥當天平均溫度16.4 ℃，最高溫度22.9 ℃，最低溫度0.5 ℃，通過安徽省氣象局查閱，合肥市區(qū)當天最高氣溫為20.0 ℃，最低氣溫為3.0 ℃。

2 結(jié)果與分析

將合肥市四區(qū)邊界與地表溫度反演柵格數(shù)據(jù)進行疊加分區(qū)統(tǒng)計，得到2019年3月12日四區(qū)的地表溫度反演結(jié)果（表1）：蜀山區(qū)最高溫度22.9 ℃，出現(xiàn)在區(qū)內(nèi)東南部的經(jīng)濟開發(fā)區(qū)內(nèi)，最低溫度3.0 ℃，出現(xiàn)在大蜀山附近;廬陽區(qū)最高溫度20.2 ℃，出現(xiàn)在區(qū)內(nèi)東北部經(jīng)濟開發(fā)區(qū)內(nèi)，最低溫度7.0 ℃，出現(xiàn)在董鋪水庫水面;瑤海區(qū)最高溫度18.7 ℃，出現(xiàn)在區(qū)內(nèi)工業(yè)聚集區(qū)，最低溫度

0.5 ℃，出現(xiàn)在蔡塘水庫水面;包河區(qū)最高溫度18.4 ℃，出現(xiàn)在區(qū)內(nèi)經(jīng)濟開發(fā)區(qū)內(nèi)，最低溫度4.3 ℃，出現(xiàn)在巢湖水面。四區(qū)當日平均氣溫由高到低依次是：瑤海區(qū)17.1 ℃，蜀山區(qū)16.9 ℃，廬陽區(qū)15.8 ℃，包河區(qū)15.1 ℃。

通過鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界數(shù)據(jù)與地表反演溫度柵格數(shù)據(jù)疊加分區(qū)統(tǒng)計可知，四區(qū)范圍內(nèi)平均溫度最高的區(qū)域分別是蜀山區(qū)經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、廬陽區(qū)經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、瑤海區(qū)工業(yè)園和包河區(qū)經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，與當日各區(qū)最高氣溫分布點結(jié)果一致，一定程度上反映出工業(yè)生產(chǎn)活動強度與城市地表溫度高低呈正相關(guān)性。

通過圖3中地表溫度分布圖及分區(qū)統(tǒng)計可看出，除去各區(qū)內(nèi)經(jīng)濟開發(fā)區(qū)的影響，由市中心向外呈現(xiàn)溫度逐漸下降的趨勢，反映出城市中心區(qū)域的熱島效應(yīng)要高于城市周邊區(qū)域。將地表溫度分布圖與最新的谷歌地球遙感影像進行疊加，通過目視解譯的方式可發(fā)現(xiàn)，各地物類型的表面溫度由高到低依次是建筑物、道路、裸地、植被和水體，與各區(qū)內(nèi)最低溫度分布點均在植被或水體中的結(jié)果相一致;在人類生產(chǎn)活動中，工業(yè)生產(chǎn)聚集區(qū)的地表溫度最高，商業(yè)活動聚集區(qū)次之，居民居家（居民樓小區(qū)）生產(chǎn)活動溫度最低。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1）通過數(shù)據(jù)反演得到合肥市當日最高溫度22.9 ℃，最低溫度0.5 ℃，通過安徽省氣象局查閱合肥市區(qū)當日最高氣溫為20.0 ℃，最低氣溫為3.0 ℃，差異較小，由此可證明通過遙感數(shù)據(jù)進行地表溫度反演具有可行性。

2）合肥市四區(qū)的工業(yè)聚集區(qū)是溫度分布最高的區(qū)域，工業(yè)生產(chǎn)活動強度與地表溫度高低一定程度上呈正相關(guān)性。

3）通過疊加谷歌地球遙感影像分析，各地物類型表面溫度由高到低排序依次是建筑物、道路、裸地、植被和水體;合肥市四區(qū)最低溫度出現(xiàn)的地物類型是蜀山區(qū)植被覆蓋率高的大蜀山，其他三區(qū)為水體;在人類生產(chǎn)活動中，地表溫度由高到低依次是工業(yè)生產(chǎn)活動、商業(yè)生產(chǎn)活動和居民居家（居民樓小區(qū)）生產(chǎn)活動。

4）越靠近城市邊緣地表溫度越低，越靠近城市中心地表溫度越高;城市地表溫度以市中心為中心向外呈輻射狀。

3.2 討論

近年來，合肥市社會經(jīng)濟發(fā)展活躍，尤其是在2010年安徽皖江城市帶承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移示范區(qū)建設(shè)納入國家發(fā)展戰(zhàn)略、合肥市被確立為中國長三角城市群副中心城市以來，該市吸引大量人口，工業(yè)生產(chǎn)和城市建設(shè)發(fā)展迅猛，從而引發(fā)城市地表溫度升高、城市熱島效應(yīng)顯著。

通過本研究可知，植被和水體可有效緩解地表溫度升高和城市熱島效應(yīng)，未來合肥市在城市規(guī)劃和工業(yè)用地選址、審批等方面可配備相應(yīng)的綠化園林用地和水體景觀用地，協(xié)調(diào)好工業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)景觀之間的關(guān)系，從而緩解地表溫度升高和城市熱島效應(yīng)加劇的現(xiàn)象。

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（責任編輯：趙中正）