基于Landsat8的唐山市地表温度反演

孙愉钧，杨久东

(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210)

引言

城市热岛效应是指城市温度明显高于郊区的现象，种种人为或自然的原因导致城市地表温度[1]升高明显，远高于周围建筑物稀少、植被茂密的郊区，在气温图上就像茫茫大洋上的孤岛一般，故形象地称其为热岛效应。所谓的“热岛”自然是指温度高于城市外围，故称为城市热岛。形成城市热岛效应的主要因素包括：因人类生产生活行为导致发热产生的人工热源、建筑、裸地、水泥等高蓄热体作为城市下垫面的影响；植被遭到破坏和工业区的增加导致空气污染、水气改变以及人类的迁徙行为。热红外遥感技术[2]可以测定比较精确的数据。以此为基础利用遥感技术反演地表温度愈发可靠[3]。利用Landsat8反演唐山市地表温度[4]，有利于进一步分析热岛效应和其他环境问题的产生原因，从而达到控制并实现环境改善问题的效果。

1地表温度理论

1.1 红外辐射定律

普朗克定律：描述绝对黑体辐射出射度随波长和温度的分布函数，被称为普朗克定律，它是辐射中最重要的定律。用数学表达式表示如下：

(1)

式中：E(λ，T)—绝对黑体辐射出射度，W/(m2·um)；c—光速，c=2.997 93×108 m·s-1；h—普朗克常数，其值为6.626× 10-34J·s；K—玻尔兹曼常数，数值为1.380 6× 10-23J/K；T—黑体的绝对温度；λ—波长，um。

利用普朗克公式还可导出另一定律，黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体绝对温度T成反比：

(2)

式中：b是一个常数，等于2 897.8 um/K。对于T=6 000 K的黑体,λmax=0.483 um (蓝色光)，对于T=300 K的黑体，λmax=9.66 um (远红外)。

1.2 辐射定标

辐射定标是遥感图像预处理中重要的步骤，其目的是获得绝对辐射亮度值和其他物理量。但卫星传感器记录的是电压或数字量化值，这时就需要运用ENVI软件中定标工具( Radiometric Calibration)来对其进行转换，从而获得所需要的数据。辐射定标分为相对定标和绝对定标2种类型。

1.3 NDVI

归一化植被指数(NDVI)是一种重要的同时也是十分常用的植被指数，其值的范围是[-1,1] ，可以代表植被的覆盖情况，数值越大，植被情况越好，一般绿色植被的NDVI区间为[-0.2,0.8]。

(3)

式中：ρNIR代表近红外波段，ρRED代表红外波段。

1.4 植被覆盖率：

植被覆盖度是指植被面积占统计区总面积的百分比。该参数应用领域十分广泛，计算地表比辐射率需要该参数。其中利用植被指数近似估算植被覆盖度是一种较为合适的方法，采用李苗苗[5]等在像元二分模型的基础上研究的模型：

(4)

式中,：NDVIsoil为完全是裸土或无植被覆盖区域的NDVI值，NDVIVeg则代表完全被植被所覆盖的像元的NDVI值值，即纯植被像元的NDVI值值。取经验值NDVIVeg= 0.70和NDVIsoil= 0.05

1.5 地表比辐射率

比辐射率是物体在温度T、波长λ处的辐射出射度与同温度、同波长下的黑体辐射出射度的比值[6]。研究使用Sobrino提出的NDVI阈值法[7]。

ε=0.004PV+0.986

(5)

1.6 黑体辐射亮度与地表温度计算

利用辐射传输方程

Lλ=[εB(Ts)+(1-ε)L↓]τ+L↑

(6)

式中：ε为地表比辐射率;Ts为地表真实温度(单位为K);B(Ts)为黑体热辐射亮度;τ为大气在热红外波段的透过率。

则温度为T的黑体在热红外波段的辐射亮度B(Ts)为：

(7)

(8)

对于TM数据，K1=607.76 W/(m2·μm·sr)，K2= 1 260.56 K;对于ETM+数据，K1=666. 09 W/( m2·μm·sr)，K2=1 282. 71 K;对于TIRS Band10 数据，K=774.89 W/( m2·μm·sr)，K2=1 321.08 K。

2研究案例

2.1 研究区概况

唐山位于河北省东部环渤海湾位置。位于东经117°31′-119°19′，北纬38°55′-40°28′，唐山市身处交通要塞，地理位置优越，众多铁路从此经过，拥有漫长的海岸线，港口码头遍布；此外矿产资源、石油资源丰富，区位优势和资源优势都为这里的进一步发展创造了条件。

2.2 数据来源

该项研究采用Landsat8遥感影像对唐山市进行地表温度反演，分别采用2016年12月、2017年4月、2017年12月、2018年5月数据进行地表温度反演对比研究。其中数据来源于地理空间数据云。图1所示为唐山市地理空间数据云区域示意图，该研究方法选用大气校正法[8]。

图1 研究区域示意图

2.3 数据处理

(1)数据准备：首先在地理空间数据云网站上下载相应时间唐山市数据，以唐山市矢量行政图为辅助数据来做裁剪处理而进行后续分析。

(2)图像辐射定标：利用其ENVI中自带的辐射定标工具进行辐射定标，可得到Band10波段的辐射亮度图像。

(3)OLI大气校正：这一步主要是完成数据的辐射定标，并按照FLAASH对输入数据的要求进行相关的处理。

(4)镶嵌：在对覆盖唐山市3幅影像依次进行以上操作后，对3幅影像进行镶嵌。

(5)裁剪：导入事先准备的唐山市行政shp数据，并以此裁剪图像。从而得到经过辐射定标和大气校正处理的唐山市遥感影像。

(6)地表比辐射率计算：在Band Math中，按照要求输入表达式，未知数选择上一步得到植被覆盖率，计算得到地表比辐射率图像。

(7)黑体辐射亮度与地表温度计算：在得到大气剖面信息以后继续使用Band Math工具通过公式计算黑体辐射亮度。最后依然是使用Band Math根据上一步计算的黑体辐射亮度以及之前辐射定标后的Band10图像进行地表温度的计算。处理流程如图2所示。

图2 案例流程图

3实验结果与分析

3.1 地表温度反演

图3所示为2017年4月地表温度。

图3 2017年4月地表温度

由图3区域角度分析，曹妃甸区地表温度最低，有轻微的热岛效应，但范围并不大。滦县、丰润区、开平地植被状况较差，温度绝大部分位于30 ℃以上，环境保护刻不容缓。乐亭县地表温度整体平稳，大部分在30 ℃之下，该地耕地状况良好，植被状况良好。滦南县裸地居民地很多，地表温度在30～35 ℃之间，东北侧耕地状况良好，温度相对较低。迁安市北部地表温度较高，该区域植被破坏较为严重，裸地较多。迁西遵化两地虽然海拔较高，但中南部山体植被覆盖率不高，故地表温度高。图4所示为2018年5月地表温度反演。

图4 2018年5月地表温度反演

由图4区域角度分析，滦县、迁安两地地表温度最高，大部分地区位于30 ℃以上，两地裸地较多，植被覆盖率较低，城市热岛效应比较严重。滦南县内西侧居民地，裸地众多，地表温度大多在30 ℃上下，东侧植被覆盖率较好，耕地保护较好，地表温度在20～30 ℃之间。丰润区北部山体破坏严重，境内裸地较多，居民地较多，温度多在30 ℃以上，热岛效应较为严重。曹妃甸区地表温度最低，有轻微的热岛效应，但范围并不大。图5所示为2016年12月地表温度反演。

图5 2016年12月地表温度反演

由图5区域角度分析，曹妃甸区整体温度位于6 ℃以下，内陆较沿海温度有所提升，乐亭除沿海地区和部分居民地在4 ℃以下，其余大部分地区均在4～6 ℃之间。滦南地区西部裸地面积极大，温度在4～6 ℃之间，东部在2～4 ℃之间。丰南区南部耕地温度较高，居民区多在4 ℃以下，开平区丰润裸地温度高，市区温度较低，在4 ℃以下，郊区温度大于4 ℃。由此可见，12月初的唐山无热岛效应。图6所示为2017年12月地表温度反演。

图6 2017年12月地表温度反演

由图6区域角度分析，曹妃甸区整体温度位于6 ℃以下，为全市最低。乐亭除沿海地区在4 ℃以下，其余大部分地区均在4～6 ℃之间。滦南地区西部裸地面积极大，温度也最高多在4 ℃以上。滦县居民地温度较低在0～2 ℃之间，裸地温度较高多在4 ℃以上。其余地区地表温度及分布特征与2016年12月相比并无大变化。

3.2 热岛效应分析

由观察经过大气校正法反演得到的唐山市地表温度结果可以看出，唐山市夏季热岛效应比较严重，冬季并无明显热岛效应，为了更好地分析唐山市热岛效应问题，在此引入热岛强度(HLI这里用相对地温来表示)来提高反演结果的可比性，对唐山市夏季热岛效应进行分析其公式如下[9]：

(9)

式中：LST为地表温度；Tmean为区域平均温度。

依据上述公式利用ENVI软件对各年份唐山市热岛强度进行分级可得到以下结果：2017年5月份唐山市热岛等级划分如图7所示。

图7 2017年5月热岛等级划分

利用公式(9)将热岛强度等级划分为5个等级，如表1所示：

表1 热岛强度分级表

将其面积与所占比例绘制成表格，如表2所示。

表2 2017年5月各等级热岛面积及所占比例

通过热岛等级分布图与唐山市遥感影像对比分析，可以看出唐山市除玉田、乐亭、曹妃甸三地外热岛效应都比较明显，其中强热岛主要位于市区、滦南，热岛强度由城区向郊区逐渐降低，由裸地向植被覆盖地区逐渐降低。

通过表2可以看出，总体而言唐山市热岛面积所占比例较大，其中主要是中等热岛，该型热岛在城市分布广泛，绿岛比例多达39%，但其分布范围并不广泛，仅仅集中于南部沿海、玉田和北部山区等远离市区的地方。

图8所示为2018年5月热岛等级划分。

图8 2018年5月热岛等级划分

由图8唐山市热岛强度分布图可以看出，唐山除了位于中部的市区、滦南一带，其余地区大多为绿岛或弱热岛，整体状况较好，与2017年相同地区相比热岛强度变化由城区向郊区逐渐降低，由裸地向植被覆盖地区逐渐降低。将其面积与所占比例绘制成表格，如表3所示。

表3 2018年5月各等级热岛面积及所占比例

通过表3可以看出，总体而言唐山市热岛面积所占比例较大，其中主要是弱热岛和中等热岛，这两种类型的热岛[10]在城市和裸地分布广泛。

4结论

(1)唐山市夏季热岛效应较为严重，范围比较大，市区最为严重。在城市中增加绿化面积，增加水量可在一定程度上应对热岛效应。冬季热岛效应并不明显。

(2)地表温度与某一地区所处位置，海拔高度，下垫面类型，人口密度，植被覆盖度，含水量都有密切关系。

(3)就唐山市而言曹妃甸区地表温度反演结果较为健康，除该地区离海较近这一地理优势外，该地区湿地众多，水田水产养殖场多，环境破坏并不严重也是重要因素。玉田县耕地保护情况好，夏季地面无明显高温。北部遵化，迁西两地海拔最高，植被覆盖率也较高，山脉地区温度较低，但山区植被有一定破坏，导致其温度较高。迁安滦县滦南丰润裸地 数量过多，导致地表温度高。市区绿化面积较小，热岛效应比较严重。