基于Landsat TM 数据的祁连县地表温度反演

杨扬　王庆丹

摘 要：以青海省祁连县为研究对象，利用覃志豪单窗算法对2009年7月遥感影像数据进行地表温度反演，将反演结果进行等间距分类后得到地表温度等级图。研究结果表明：单窗算法可以对天山山区地表温度进行有效反演，具有一定可靠精度。不同的土地利用方式对地表温度具有不同的影响，其中建设用地温度明显偏高具有热岛效应。

关键词：Landsat TM；地表温度；祁连县

地表温度（Land Surface Temperature，LST）是研究地表与大气之间辐射和能量通量传输的重要参数[1]。在我国西北干旱区，融雪径流是水资源的重要补给来源[2]，而山区地面温度是影响融雪径流的重要因子，它对该区域的水文研究具有重要意义[3]。利用卫星遥感技术反演的大面积地表温度信息已被广泛地应用在农作物估产、作物长势和农业旱情监测等方面，而地表温度的反演精度直接影响到遥感技术在农业上应用的效果[4]。

地表温度的空间差异较大，地表温度的大面积观测需要大量的人力和物力，利用卫星热红外传感器获取大范围地表温度是有效的途径之一[5]。随着遥感卫星空间分辨率和光谱分辨率的发展，当前，MODIS、AVHRR、TM、ETM+等都是地表温度空间分布遥感反演的重要数据来源[3]。Landsat TM是一种非常重要的反演地表温度的数据，基于辐射传输过程的辐射传输方程算法以及单通道算法可以较好的反演。

1 研究区概况及数据准备

1.1 研究区概况

祁连县位于青海省东北、海北藏族自治州的西北部，地处祁连山中段。东与门源县、大通县接壤，南与海晏县、刚察县相连，西与天峻县为邻，北及西北与甘肃省酒泉市、肃南县、民乐县、山丹县为界。地理坐标为98°05'35"E-101°02'06"E，37°25'16"N-39°05'18"N，平均海拔3500m。县境沿祁连山南麓呈北西-南东向的不規则长条形，南北宽约185km，东西长约280km。总面积14781km2，占青海省总面积的2.05%，海北藏族自治州总面积的43%。祁连县地处高寒山区，属大陆性高寒山区气候。寒冷期长，四季难分，其降水主要集中于5-9月份。中山下部属半干旱草原气候，年均温2-5℃，年降水量250-300mm。中山上部为半湿润森林草原气候，年均温0-1℃，年降水量400-500mm、亚高山和高山属寒冷湿润气候，年均温-5℃左右，年降水量约为800mm[6]。

1.2 数据来源及预处理

研究中所使用的遥感影像为Landsat-5TM影像，下载地址为美国地质勘探局网站（USGS），网址为http：//glovis.usgs.gov/。考虑到影像的覆盖范围及成像时间，选用了可以覆盖祁连县大部分区域的Landsat-5TM影像，其影像分辨率为30m，影像轨道号为P134R033，成像日期为2009年7月17日，成像时间为北京时间11：50am，影像云覆盖率为0.35%。

在使用卫星资料时，需要对其进行几何精校正，并且将其重采样到30m的像元分辨率，然后裁剪出研究区域。对研究区域进行辐射定标、大气校正以及地形校正，以获得较为准确的地表反射率。

2 研究方法

由于Landsat TM仅有一个热红外波段，所以文章主要根据覃志豪等[7]推导出的单窗算法反演研究区的地表温度。首先对TM热红外波段按照下式求算卫星高度的像元亮温值（Ts）：

Ts=[a6（1-C6-D6）+[b6（1-C6-D6）+C6+D6] T6-D6Ta]/C6 公式（1）

式中，Ts为地表真实温度（K）；Ta为大气平均作用温度（K）；Ta利用覃志豪经验公式，计算得到Ta=-16.0110+0.92621T0，a6、b6为常量，一般情况下，取值a6=-67.355351，b6=0.458606；C6和D6是中间变量，可由C6=？着6？子6、D6=（1-？着6）[1+（1-？着6）？子6]计算得到。T0为地面附近的气温（K），？着6为地表辐射率，可由归一化植被指数NDVI进行估算[8]；？子6为大气透射率，由水汽含量换算而得。

3 结果与分析

利用单窗算法，在ArcGIS10.0支持下，反演出研究区域2009年7月17日的地表温度。由图1可以看出，地表温度与地形地貌之间有着密切关系，温度较低区域分布在研究区北部、中部和南部等边缘地带，与山体走向基本一致，呈带状分布，普遍在0℃以下。温度较高区域分布县城及周边建筑用地区域，普遍温度高于28℃，总的来看，祁连县的地表温度分布表现为连续渐变性。但从变化梯度上看，也表现出与地形地貌相一致的条带区域性。

由于祁连县的地表覆盖类型多为植被，其下垫面介质的反射率比水体的反射率小，能吸收更多的太阳辐射。其中裸土裸岩地带，植被覆盖度低，土壤含水量少，用于蒸发消耗的热量少，这些因素促使绿洲周围的荒漠地表温度比植被、水体等下垫面温度高，从而呈现沿中心逐渐向四周增高的分布规律，表现出植被有较好的降温效应。通过计算发现研究区下垫面温度主要集中在-6～46℃，其中，冰川、水体温度在-6～13℃，表现为低温区；耕地、草地及林地的地表温度主要集中分布于13～28℃，变现为中温区，而城乡居住建设用地及裸土裸岩分布区域的地表温度则绝大多数高于28℃，局部的地表温度达到40℃以上，为高温分布区，表现出较为明显的热岛效应。

4 结束语

使用2009年7月17日的 TM 数据反演祁连县的地表真实温度，研究区内温度总的分布既表现出连续渐变性，但从变化梯度上看，也表现出与地形地貌相一致的条带区域性。这说明反演结果较为合理，精度可以被接受。

地表温度随海拔的增高而降低，不同的土地利用方式对地表温度的影响不同，其中建设用地具有热岛效应，从而温度明显偏高。植被盖度程度和覆盖类型对地表辐射的影响也不相同，从而也造成地表温度不同的分布。

随着祁连山区地区城镇化建设的发展，人类活动的不断增强，祁连县的土地利用覆盖方式的多样化，植被状况对地表温度的影响作用也不断变化，作为生态脆弱区，合理布局和发展城镇建设并注重植被的保护，对绿洲的可持续发展具有重要意义。

参考文献

[1]赵静，宫阿都，徐捷.国内外城市热岛研究进展[J].自然灾害学报，2008，17（6）：64-67.

[2]房世峰，裴欢，刘志辉，等.遥感和GIS支持下的分布式融雪径流过程模拟研究[J].遥感学报，2008，12（4）：655-662.

[3]王建，沈永平，鲁安新，等.气候变化对中国西北地区山区融雪径流的影响[J].冰川冻土，2001，23（1）：28-33.

[4]白洁，刘绍民，扈光.针对TM/ETM+遥感数据的地表温度反演与验证[J].农业工程学报，2008，24（9）：148-154.

[5]刘朝顺，高炜，高志强，等.基于ETM+遥感影像反演不同土地利用类型地表温度的研究[J].南京气象学院学报，2008，31（4）：503-510.

[6]海显仑，马生林.祁连县志[M].甘肃：甘肃人民出版社，1993.