基于TM遙感影像的北京城區(qū)地表溫度反演研究.doc

基于TM遙感影像的北京地區(qū)地表溫度反演杜香霖 2012045001鄧文星 2012045002蔣 偉 2012045004目錄1 項(xiàng)目概述21.1研究背景21.2研究意義21.3研究?jī)?nèi)容21.4研究方法22.2研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)資料獲取42.3遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理62.3.1輻射定標(biāo)62.4計(jì)算歸一化植被指數(shù)NDVI值112.5 地表比輻射率計(jì)算132.6 反演地表溫度173. 分析總結(jié)19結(jié)果分析:191 項(xiàng)目概述1.1研究背景地球表面溫度是一個(gè)重要的水文、氣象參數(shù)， 它影響著大氣、海、陸之間的感熱和潛熱交換， 是諸多研究領(lǐng)域不可或缺的基礎(chǔ)資料， 精確定量反演陸面溫度的成果將推動(dòng)旱災(zāi)預(yù)報(bào)和作物缺水研究、農(nóng)作物產(chǎn)量估算、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、全球氣候變化和全球碳平衡等領(lǐng)域研究的進(jìn)展。地表溫度在大氣與地表的物質(zhì)與能量交換， 植被生態(tài)，氣候變化等方面有著重要的應(yīng)用。而遙感信息技術(shù)發(fā)展以來(lái)，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在各個(gè)領(lǐng)域得到重大應(yīng)用。利用熱紅外遙感可以在短時(shí)間內(nèi)獲得大范圍、多時(shí)相、多分辨率的地表溫度及其溫度場(chǎng)空間分布信息，與傳統(tǒng)的觀測(cè)方式相比，具有快速、便捷、觀測(cè)范圍大和信息連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)。因此，利用熱紅外遙感數(shù)據(jù)反演地表溫度的應(yīng)用日趨廣泛， 利用衛(wèi)星遙感資料進(jìn)行地表溫度的反演也成為目前遙感定量研究中的重要任務(wù)之一。1.2研究意義近年來(lái)“城市氣候和環(huán)境”問(wèn)題引起了研究者的廣泛興趣，其中城市熱環(huán)境、城市熱島效應(yīng)及其與環(huán)境的相互關(guān)系等領(lǐng)域是當(dāng)前城市氣候與環(huán)境研究的中心問(wèn)題1。地表溫度是很多環(huán)境模型的一個(gè)重要參數(shù)，在大氣與地表的物質(zhì)與能量交換，天氣預(yù)報(bào)，氣候變化等方面有著重要的應(yīng)用。利用熱紅外遙感2可以在短時(shí)間內(nèi)獲得大范圍的地表溫度及其溫度場(chǎng)空間分布信息，與傳統(tǒng)的觀測(cè)方式相比，具有速度快、便捷、觀測(cè)范圍大和信息連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)。本文利用Landsat TM 第6 波段數(shù)據(jù)反演北京地區(qū)地表溫度，分析了北京地區(qū)地面溫度分布模式及城市熱島效應(yīng)，并探討了城市熱島效應(yīng)與城市土地覆蓋類型及植被指數(shù)之間的關(guān)系。1.3研究?jī)?nèi)容利用ENVI軟件，2003年及2009年兩年的Landsat TM 數(shù)據(jù)的熱紅外數(shù)據(jù)(第六波段，波長(zhǎng)0.4 - 12.5m) 對(duì)北京地區(qū)的地表溫度夏季分布規(guī)律進(jìn)行了研究，并結(jié)合利用遙感數(shù)據(jù)獲得的土地利用/覆蓋資料和社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料分析了各區(qū)溫度差異的原因與變化規(guī)律，為北京市的城市建設(shè)和土地合理利用規(guī)劃提供一定的借鑒。1.4研究方法實(shí)際操作中，以LandsatTM數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)源，首先網(wǎng)上下載符合操作要求的北京地區(qū)兩年TM遙感影像，在ENVI 5.0下對(duì)遙感影像進(jìn)行圖像增強(qiáng)，輻射定標(biāo)，大氣矯正，幾何校正，接著在ENVI軟件中測(cè)定影像的比輻射率，然后經(jīng)過(guò)一系列的處理，得到地表溫度，并進(jìn)行結(jié)論分析，得到結(jié)果。操作部湊如下:第一步對(duì)遙感影像進(jìn)行圖像增強(qiáng)，輻射定標(biāo)、大氣矯正，幾何校正。第二步，圖像計(jì)算NDVI值，運(yùn)用ENVI軟件對(duì)遙感影像測(cè)定比輻射率。第三步，計(jì)算相同溫度下黑體的輻射亮度值。第四步，反演地表溫度。第五步，將兩幅圖像進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論。2.影像處理過(guò)程2.1遙感影像處理軟件簡(jiǎn)介ENVI (The Environment for Visualizing Images)是美國(guó)ITT Visual Information Solutions公司的旗艦產(chǎn)品。ENVI由遙感領(lǐng)域的科學(xué)家采用IDL開(kāi)發(fā)的一套功能強(qiáng)大的遙感圖像處理軟件；它是快速、便捷、準(zhǔn)確地從地理空間影像中提取信息的首屈一指的軟件解決方案，它提供先進(jìn)的，人性化的使用工具來(lái)方便用戶讀取、準(zhǔn)備、 探測(cè)、分析和共享影像中的信息。今天，眾多的影像分析師和科學(xué)家選擇ENVI來(lái)從地理空間影像中提取信息。已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科研、環(huán)境保護(hù)、氣象、石油礦產(chǎn)勘探、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、醫(yī)學(xué)、國(guó)防安全、地球科學(xué)、公用設(shè)施管理、遙感工程、水利、海洋，測(cè)繪勘察和城市與區(qū)域規(guī)劃等行業(yè)。ENVI包含齊全的遙感影像處理功能：常規(guī)處理、幾何校正、定標(biāo)、多光譜分析、高光譜分析、雷達(dá)分析、地形地貌分析、矢量應(yīng)用、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析、區(qū)域分析、GPS聯(lián)接、正射影象圖生成、三維圖像生成、豐富的可供二次開(kāi)發(fā)調(diào)用的函數(shù)庫(kù)、制圖、數(shù)據(jù)輸入/輸出等功能組成了圖像處理軟件中非常全面的系統(tǒng)。ENVI對(duì)于要處理的圖像波段數(shù)沒(méi)有限制，可以處理最先進(jìn)的衛(wèi)星格式，如Landsat7、IKONOS、SPOT， RADARSAT， NASA， NOAA， EROS和TERRA，并準(zhǔn)備接受未來(lái)所有傳感器的信息。主界面圖如圖1。圖1 ENVI主界面圖2.2研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)資料獲取北京地處華北平原北端，位于北緯3926- 414，東經(jīng) 11524-11831 之間。 位于華北平原西北邊緣。毗鄰渤海灣，上靠遼東半島，下臨山東半島。北京與天津相鄰，并與天津一起被河北省環(huán)繞。西部是太行山山脈余脈的西山，北部是燕山山脈的軍都山，兩山在南口關(guān)溝相交，形成一個(gè)向東南展開(kāi)的半圓形大山彎，人們稱之為“北京彎”，它所圍繞的小平原即為北京小平原。全市土地面積16410 平方公里， 其中平原面積6338 平方公里 ，占38.6%。屬于典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨。 在該區(qū)利用遙感信息進(jìn)行區(qū)域性尺度的地表溫度及時(shí)空要素監(jiān)測(cè)非常重要，有實(shí)際指導(dǎo)意義。本文選用Landsat TM的影像數(shù)據(jù)，TM影像包含7個(gè)波段，各個(gè)波段的特征和用途及遙感數(shù)據(jù)詳細(xì)信息如下所示: TM 影像各波段特征及主要用途波段號(hào)波段類型波長(zhǎng)空間分辨率功能與主要用途1藍(lán)色0.45-0.5230對(duì)水體有穿透能力，用來(lái)分析土地利用、干燥的土壤、植被特征、編制森林分布圖2綠色0.52-0.6030對(duì)水體的穿透能力較強(qiáng)，對(duì)植被的反射敏感，位于葉綠素的兩個(gè)吸收帶之間，利用這一波段增強(qiáng)鑒別植被的能力；能區(qū)分林型、樹種3紅色0.63-0.6930位于葉綠素的吸收區(qū)，能增強(qiáng)植被覆蓋與無(wú)植被之間的反差，亦能增強(qiáng)同類植被的反差；可根據(jù)植被的色調(diào)判斷植物的健狀況4近紅外0.76-0.9030集中反映植物的強(qiáng)反射，用于植被類型、生物量和作物長(zhǎng)勢(shì)的調(diào)查，繪制水體邊界和土壤濕度，也可用來(lái)增強(qiáng)土壤與農(nóng)作物和陸地與水域之間的反差5中紅外1.55-1.7530處于水的吸收帶，對(duì)含水量反應(yīng)敏感，可用于土壤濕度、植物含水量調(diào)查、水分狀況研究、作物長(zhǎng)勢(shì)分析6熱紅外10.4-12.5120屬于熱紅外波段，對(duì)熱異常敏感。監(jiān)測(cè)與人類活動(dòng)有關(guān)的熱特征，用于熱分布制圖、巖石識(shí)別和地質(zhì)探礦、水體溫度變化制圖7中紅外2.08-2.3530探測(cè)高溫輻射源，如監(jiān)測(cè)森里火災(zāi)、火山活動(dòng)等，區(qū)分巖石類型、地質(zhì)探礦與制圖 數(shù)據(jù)源詳細(xì)信息 數(shù)據(jù)日期 分辨率（m） 投影2003-08-25 30 UTM，WGS84 Zone502009-09-12 30 UTM，WGS84 Zone50遙感圖像下載過(guò)程2.3遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理由于地球自轉(zhuǎn)、大氣折射、地形起伏、傳感器姿態(tài)變化等多種因素的影響，使遙感圖像產(chǎn)生輻射失真和幾何變形，這些失真與畸變會(huì)影響影像的質(zhì)量和應(yīng)用，必須進(jìn)行消除。2.3.1輻射定標(biāo)輻射定標(biāo)，就是將像素灰度值 DN( Digital Number) 轉(zhuǎn)換為輻射亮度或者反射率。通過(guò)定標(biāo)，可以消除一些大氣的干擾。本文通過(guò)ENVI軟件中自帶的對(duì)TM的定標(biāo)工具，計(jì)算輻射亮度或反射率。實(shí)現(xiàn)方法： File-Open External File-Landsat-GeoTIFF with MetadataBasicTools-Preprocessing-Calibration Utilitties-Landsat Calibration利用ENVI，在輸入欄中輸入太陽(yáng)高度角，成像日期等參數(shù)。如圖3.定標(biāo)對(duì)話框輻射定標(biāo)后的圖像如圖4。 影像定標(biāo)結(jié)果2.3.2ENVI 大氣矯正大氣校正的目的是消除大氣和光照等因素對(duì)第五反射的影響，獲得地物反射率、輻射率、地表溫度等真實(shí)物理模型參數(shù)，包括消除大氣中水蒸氣、氧氣、二氧化碳、甲烷和臭氧等對(duì)地物反射的影響；消除大氣分子和氣溶膠散射的影響。 第一步：輻射定標(biāo) 第二步：輻射亮度單位轉(zhuǎn)換 由于輻射定標(biāo)之后得到的輻射亮度單位為W/(m2msr)， FLAASH要求的輻射亮度單位為W/(cm2nmsr)，兩者相差10倍，并且FLAASH模塊要求BIL的圖像存儲(chǔ)方式，因此需要作出調(diào)整。 第三步：輸入FLAASH參數(shù)。 FLAASH參數(shù)輸入 單位調(diào)整： Basic Tools-Band Math 表達(dá)式為：b1/10 圖像存儲(chǔ)方式： Basic Tools-Convert Data(BSQ、BIL、BIP) FLAASH模塊： 根據(jù)圖像元數(shù)據(jù)輸入?yún)?shù)，高級(jí)設(shè)置為默認(rèn)，執(zhí)行模塊，輸出結(jié)果。大氣校正結(jié)果展示2.3.3圖像的幾何校正通過(guò)一系列的數(shù)學(xué)模型來(lái)改正和消除遙感影像成像時(shí)因攝影材料變形、物鏡畸變、大氣折光、地球曲率、地球自轉(zhuǎn)、地形起伏等因素導(dǎo)致的原始圖像上各地物的幾何位置、形狀、尺寸、方位等特征與在參照系統(tǒng)中的表達(dá)要求不一致時(shí)產(chǎn)生的變形。幾何校正步奏如下所示：2.4計(jì)算歸一化植被指數(shù)NDVI值在假設(shè)地表為朗伯體的前提下，用求得的輻射亮度計(jì)算表觀反射率。表觀反射率就是指大氣層頂?shù)姆瓷渎剩椛涠?biāo)的結(jié)果之一，大氣層頂表觀反射率，簡(jiǎn)稱表觀反射率，又稱視反射率。分別對(duì)2003年以及2009年北京遙感影響做NDVI歸一化植被指數(shù)計(jì)算，如下所示：2003年北京地區(qū)NDVI顯示 2009年北京NDVI植被顯示對(duì)比2003年與2009年北京同一地區(qū)植被指數(shù)：2.5 地表比輻射率計(jì)算物體的比輻射率是物體向外輻射電磁波的能力表征。它不僅依賴于地表物體的組成，而且與物體的表面狀態(tài)(表面粗糙度等)及物理性質(zhì)(介電常數(shù)、含水量等)有關(guān)，并隨著所測(cè)定的波長(zhǎng)和觀測(cè)角度等因素有關(guān)。在大尺度上對(duì)比輻射率精確測(cè)量的難度很大，目前只是基于某些假設(shè)獲得比輻射率的相對(duì)值，本文主要根據(jù)可見(jiàn)光和近紅外光譜信息來(lái)估計(jì)比輻射率。2.5.1植被覆蓋度計(jì)算計(jì)算植被覆蓋度Fv 采用的是混合像元分解法，將整景影像的地類大致分為水體、植被和建筑，具體的計(jì)算公式如下：FV = (NDVI- NDVIS)(NDVIV - NDVIS) (10)其中，NDVI 為歸一化差異植被指數(shù)，取NDVIV = 0.70 和NDVIS = 0.00，且有，當(dāng)某個(gè)像元的NDVI 大于0.70 時(shí)，F(xiàn)V取值為1；當(dāng)NDVI 小于0.23，F(xiàn)V取值為0。利用ENVI 主菜單-Basic Tools-Band Math，在公式輸入欄中輸入：（b1 gt 0.7）*1+（b1 lt 0）*0+（b1 ge 0 and b1 le 0.7）*（(b1-0.0)/(0.7-0.0)）b1：NDVI 值，如圖6。圖6 計(jì)算植被覆蓋度對(duì)話框得到植被蓋度圖像，如圖7。 2003年植被覆蓋度2009年植被覆蓋度2.5.2地表比輻射率計(jì)算根據(jù)前人的研究，將遙感影像分為水體、城鎮(zhèn)和自然表面3 種類型。本專題采取以下方法計(jì)算研究區(qū)地表比輻射率：水體像元的比輻射率賦值為0.995，自然表面和城鎮(zhèn)像元的比輻射率估算則分別根據(jù)下式（3）（4）進(jìn)行計(jì)算：G1= 0.9625 + 0.0614FV - 0.0461FV2 （11） G2 = 0.9589 + 0.086FV - 0.0671FV2 （12）式中，G1和G2 分別代表自然表面像元和城鎮(zhèn)像元的比輻射率。利用ENVI 主菜單-Basic Tools-Band Math，在公式輸入欄中輸入：（b1 le 0）*0.995+（b1 gt 0 and b1 lt 0.7）*(0.9589 + 0.086*b2 - 0.0671*b22)+(b1 ge0.7)*(0.9625 + 0.0614*b2 - 0.0461*b22)，如圖8。b1：NDVI 值；b2：植被覆蓋度值。圖8 計(jì)算比輻射率對(duì)話框地表比輻射率計(jì)算利用ENVI 主菜單-Basic Tools-Band Math，在公式輸入欄中輸入：（b2-3.39-0.6*（1-b1）*5.12）/（0.6*b1）b1： 地表比輻射率值；b2：表示熱紅外波段大氣校正后的輻射定標(biāo)值。得到了溫度為T 的黑體在熱紅外波段的輻射亮度值。如圖10。 2003年亮溫圖2009亮溫圖2.6 反演地表溫度在獲取溫度為TS 的黑體在熱紅外波段的輻射亮度后，根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)，求得地表真實(shí)溫度TS：TS = K2/ln(K1/ B(TS)+ 1) （15）對(duì)TM，K1 =666.09W/(m2srm)，K2 =1282.71K。利用ENVI 主菜單-Basic Tools-Band Math，在公式輸入欄中輸入：（1282.71）/alog（666.09/b1 +1）-273b1：溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度值。得到真實(shí)的地表溫度值，單位是攝氏度。如圖11。圖11 地表溫度反演對(duì)話框結(jié)果顯示：3. 分析總結(jié) 結(jié)果分析:利用 ENVI 彩色制圖工具處理地溫反演結(jié)果，得到北