基于遙感的疫情后工業(yè)企業(yè)復(fù)工復(fù)產(chǎn)監(jiān)測(cè)研究

胡永森，周朝陽(yáng)，施開(kāi)分，王 力

（1.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.江西省國(guó)防科技信息和衛(wèi)星應(yīng)用中心，江西 南昌 330038；3.國(guó)家統(tǒng)計(jì)局遼寧調(diào)查總隊(duì)，遼寧 沈陽(yáng) 110033）

江西省南昌市在2019 年末至2020 年初受疫情影響，大部分企業(yè)停工停產(chǎn)。2020年2月20日，江西省人民政府印發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)疫情科學(xué)防控推進(jìn)全省企業(yè)復(fù)工復(fù)產(chǎn)的通知》，全面推動(dòng)企業(yè)穩(wěn)步有序復(fù)工復(fù)產(chǎn)。文章以南昌市主要工業(yè)園區(qū)為研究對(duì)象，基于高分二號(hào)光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)及Landsat8 衛(wèi)星熱紅外傳感器TIRS數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)研究區(qū)地物解譯和地表溫度反演來(lái)追蹤工業(yè)企業(yè)復(fù)工復(fù)產(chǎn)導(dǎo)致地表溫度異常區(qū)域，引入氣象預(yù)報(bào)溫度剔除季節(jié)因素影響，對(duì)研究區(qū)內(nèi)工業(yè)企業(yè)復(fù)工復(fù)產(chǎn)情況進(jìn)行可視化監(jiān)測(cè)分析。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

2013年2月11日，最新一代Landsat8衛(wèi)星發(fā)射成功，其攜帶的熱紅外傳感器TIRS（thermal infrared sensor）具有兩個(gè)熱紅外波段，分別是第10（10.6～11.9 μm）波段和第11（11.5～12.51 μm）波段[1]，為地表溫度反演提供了新的數(shù)據(jù)。高分二號(hào)衛(wèi)星是國(guó)家高分重大專項(xiàng)中的一顆亞米級(jí)衛(wèi)星，于2014年8月19日發(fā)射成功，高分二號(hào)衛(wèi)星分別配置了0.8 m分辨率全色和3.2 m分辨率多光譜相機(jī)，其數(shù)據(jù)已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)解譯、土地利用監(jiān)測(cè)與變更調(diào)查，城鄉(xiāng)建設(shè)管理等領(lǐng)域[2]。

綜合查詢疫情前后Landsat8 數(shù)據(jù)，排除云量過(guò)大等無(wú)效數(shù)據(jù)，結(jié)合疫情防控和企業(yè)復(fù)工復(fù)產(chǎn)進(jìn)程，最終選 取時(shí)相 為2020 年2 月18 日、2020 年4 月15 日的可用數(shù)據(jù)兩景，作為對(duì)比分析數(shù)據(jù)。在中國(guó)陸地資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)查詢南昌市高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，時(shí)相從2019年8月至2020年4月，完整覆蓋研究區(qū)行政區(qū)域，作為數(shù)據(jù)分析底圖。

2 研究方法

2.1 地表溫度反演

目前，針對(duì)Landsat8 熱紅外遙感數(shù)據(jù)已有大量地表溫度反演算法，其中，代表性算法有覃志豪單窗算法和劈窗算法、JCJ Mu?oz 單通道算法和劈窗算法、JK Dan單窗算法和Sobrino多通道多角度算法等[3-5]。相對(duì)而言，反演地表溫度的劈窗算法誤差較大，而單通道算法反演精度較高，適用性強(qiáng)，反演溫度和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有較好的一致性。根據(jù)部分學(xué)者的研究結(jié)果以及USGS的建議，目前，TIRS第11熱紅外波段存在不穩(wěn)定性，定標(biāo)參數(shù)不理想[6]，故本文采用TIRS第10波段進(jìn)行單通道算法反演，過(guò)程如下：

亮度值及光譜輻射值轉(zhuǎn)換：

式中，L為大氣頂部光譜輻射值；Q為影像亮度值，M、A為頭文件中調(diào)整因子和調(diào)整參數(shù)。利用Planck公式，將大氣頂部光譜輻射值轉(zhuǎn)換為亮度溫度值。

式中，T為輻射亮溫，K1、K2為定標(biāo)常數(shù)[7-8]，對(duì)于TRIS 傳感器第10 波段，K1=774.89 W/（m2·sr·um），K2=1 321.08 W/（m2·sr·um）。

單通道法反演地表溫度：

式中，ε為地表比輻射率，可通過(guò)ASTER光譜庫(kù)獲得主要地物在TIRS 第10 波段的比輻射率，林地、草地、土壤、建筑物和水體在TIRS 第10 波段的比輻射率分別為0.981 3、0.982 3、0.972 2、0.921 2和0.990 8，對(duì)于TRIS 第10 波段，參數(shù)bγ為1 320.46，L和T分別可由公式（1）（2）獲得，?1、?2、?3分別為大氣水含量的函數(shù)ω，τ為大氣透過(guò)率，可在NASA（美國(guó)國(guó)家航空航天局）相關(guān)網(wǎng)站上查得，L↓、L↑分別為大氣下行和上行輻射強(qiáng)度[9]。

2.2 溫度變化值分析

在得到不同時(shí)期地表溫度反演結(jié)果后，進(jìn)行波段運(yùn)算得到溫度變化值。同時(shí)，考慮到當(dāng)天溫度差異，須剔除氣溫變化帶來(lái)的地表溫度變化從而剝離季節(jié)影響。

式中，Tq為影像拍攝不同時(shí)間的氣溫差異；Tq1，Tq2為影像拍攝時(shí)的該地氣溫。

式中，TΔ為溫度變化值；LST1、LST2 為不同時(shí)相Landsat8影像反演得到的溫度值。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 地表溫度反演結(jié)果

基于TIRS 第10 波段，根據(jù)單通道反演算法得到地表溫度圖（圖1）。2月18日數(shù)據(jù)拍攝時(shí)間為14∶50左右，通過(guò)查詢歷史資料，南昌市氣溫約為12℃，4月15日數(shù)據(jù)拍攝時(shí)間為14∶43左右，氣溫約為25℃，將兩期數(shù)據(jù)重疊區(qū)域反演結(jié)果按照公式（7）、（8）進(jìn)行波段運(yùn)算，剔除氣溫差異后得到溫度變化值分布圖（圖2）。

圖1 不同時(shí)相地表溫度反演結(jié)果分布圖

3.2 高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)底圖生產(chǎn)

選取時(shí)相為2019年8月至2020年5月，高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)40 景，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，綜合云量小于1%，實(shí)現(xiàn)研究區(qū)全覆蓋[10]。

本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)GXL遙感數(shù)據(jù)處理加速器進(jìn)行處理。高分二號(hào)影像經(jīng)過(guò)控制點(diǎn)校正、區(qū)域網(wǎng)平差、正射校正、影像融合后得到單景數(shù)據(jù)成果，再進(jìn)行影像間的統(tǒng)一勻光勻色，使不同時(shí)相數(shù)據(jù)紋理信息趨于一致，最后進(jìn)行鑲嵌、裁切得到研究區(qū)正射影像成果。

4 結(jié)果分析

4.1 主要工業(yè)園區(qū)地表溫度反演結(jié)果分析

從圖1 能夠看出，2 月18 日南昌市影像反演地表溫度值大部分位于10～30℃之間，4 月15 日南昌市影像反演地表溫度值大部分位于20～45℃之間。通過(guò)選取主要工業(yè)園區(qū)影像（長(zhǎng)堎工業(yè)區(qū)、小藍(lán)工業(yè)區(qū)、昌北經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)）進(jìn)行對(duì)比分析（圖3）。

圖3 主要工業(yè)園區(qū)地表溫度反演影像圖

分別對(duì)比每個(gè)工業(yè)區(qū)2個(gè)不同月份的地表溫度反演結(jié)果，長(zhǎng)堎工業(yè)區(qū)變化較為明顯，小藍(lán)工業(yè)區(qū)次之，昌北經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)變化幅度相對(duì)最小。這種分布情況與長(zhǎng)堎工業(yè)區(qū)（南昌市三大物流基地之一）工、企業(yè)分布情況所導(dǎo)致的熱紅外遙感表征明顯的現(xiàn)狀正好相吻合，也顯示出企業(yè)工作量環(huán)比增加，復(fù)工復(fù)產(chǎn)明顯；昌北經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)定位為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地，配套制造業(yè)轉(zhuǎn)移基地，大專院校、科研機(jī)構(gòu)科技成果轉(zhuǎn)化基地，科技人才、留學(xué)人員創(chuàng)業(yè)基地，商務(wù)化辦公較多，因此呈現(xiàn)出相對(duì)小型點(diǎn)狀熱紅外輻射結(jié)果。

4.2 部分重點(diǎn)企業(yè)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

基于復(fù)工復(fù)產(chǎn)后4月15日定量反演數(shù)據(jù)及高分二號(hào)衛(wèi)星鑲嵌數(shù)據(jù)，選取部分具有代表性的重點(diǎn)企業(yè)開(kāi)展監(jiān)測(cè)[11-12]?；诟叻侄?hào)衛(wèi)星解譯數(shù)據(jù)結(jié)合熱紅外遙感監(jiān)測(cè)可知，主營(yíng)業(yè)務(wù)為汽車制造的江西江鈴控股有限公司生產(chǎn)區(qū)處于高活躍狀態(tài)，比周邊溫度高出10℃左右。

江西洪都鋼廠為國(guó)有大型企業(yè)，通過(guò)高分二號(hào)遙感影像定位其煉鋼廠區(qū)域，監(jiān)測(cè)到該公司廠區(qū)分布十余座廠房，溫度反演影像顯示大部分都處于高輻射強(qiáng)度狀態(tài)，部分強(qiáng)度超高（溫度超過(guò)40℃），證明該公司大部分廠房處于工作狀態(tài)。

4.3 不同時(shí)相溫度變化值分析

通過(guò)分析2個(gè)時(shí)相地表溫度反演變化值分布圖，對(duì)比兩期影像的溫度反演結(jié)果，剔除季節(jié)性氣溫升高的影響因素，發(fā)現(xiàn)主要工業(yè)區(qū)的地表溫度變化值都有所升高，尤其是長(zhǎng)堎工業(yè)區(qū)，增幅十分明顯，基本在15℃之間，反映出工業(yè)園區(qū)熱輻射強(qiáng)度有所增加，主要為企業(yè)復(fù)工復(fù)產(chǎn)比例和生產(chǎn)量環(huán)比增加所致。

4.4 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

對(duì)比江西省工業(yè)和信息化廳2020年4月23日發(fā)布數(shù)據(jù)，截至3 月底，全省規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)復(fù)工復(fù)產(chǎn)率100%[19]，與本文方法監(jiān)測(cè)結(jié)果相符。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)landsat8 熱紅外遙感數(shù)據(jù)及高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，基于單通道算法反演地表溫度，監(jiān)測(cè)疫情后南昌市復(fù)工復(fù)產(chǎn)情況的方法，取得了良好的效果。該方法不僅對(duì)工業(yè)園區(qū)復(fù)工復(fù)產(chǎn)情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，還對(duì)單個(gè)規(guī)模以上企業(yè)復(fù)工復(fù)產(chǎn)情況進(jìn)行了精細(xì)化監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果與工業(yè)園區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、江西省工業(yè)和信息化廳發(fā)布數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)，證明了方法的可行性。但因云量影響，本實(shí)驗(yàn)未能獲取2020年1月底前后，疫情最嚴(yán)重時(shí)的研究區(qū)熱紅外影像數(shù)據(jù)，無(wú)法做進(jìn)一步分析，在后續(xù)研究中應(yīng)采用編程方式對(duì)研究區(qū)提前進(jìn)行加密拍攝以便能夠獲取時(shí)相最優(yōu)的影像。