基于TM遙感影像的北京城區(qū)地表溫度反演研究

1、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 項目概述21.1研究背景21.2研究意義21.3研究內(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計算歸一化植被指數(shù)NDVI值112.5 地表比輻射率計算132.6 反演地表溫度173. 分析總結(jié)19結(jié)果分析:191 項目概述1.1研究背景地球表面溫度是一個重要的水文、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旱災(zāi)預(yù)報和作物缺水研

2、究、農(nóng)作物產(chǎn)量估算、數(shù)值天氣預(yù)報、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，以其獨(dú)特的優(yōu)勢在各個領(lǐng)域得到重大應(yīng)用。利用熱紅外遙感可以在短時間內(nèi)獲得大范圍、多時相、多分辨率的地表溫度及其溫度場空間分布信息，與傳統(tǒng)的觀測方式相比，具有快速、便捷、觀測范圍大和信息連續(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“城市氣候和環(huán)境”問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

3、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)境研究的中心問題1。地表溫度是很多環(huán)境模型的一個重要參數(shù)，在大氣與地表的物質(zhì)與能量交換，天氣預(yù)報，氣候變化等方面有著重要的應(yīng)用。利用熱紅外遙感2可以在短時間內(nèi)獲得大范圍的地表溫度及其溫度場空間分布信息，與傳統(tǒng)的觀測方式相比，具有速度快、便捷、觀測范圍大和信息連續(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研究內(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0.

4、4 - 12.5m) 對北京地區(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/覆蓋資料和社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計資料分析了各區(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軟件中測定影像的比輻射率，然后經(jīng)過一系列的處理，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，圖像計算N

5、DVI值，運(yùn)用ENVI軟件對遙感影像測定比輻射率。第三步，計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)行對比，得出結(jié)論。2.影像處理過程2.1遙感影像處理軟件簡介ENVI (The Environment for Visualizing Images)是美國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方便用戶讀取、準(zhǔn)備、 探測、分析和共享影像中的信息。今

6、天，眾多的影像分析師和科學(xué)家選擇ENVI來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)、國防安全、地球科學(xué)、公用設(shè)施管理、遙感工程、水利、海洋，測繪勘察和城市與區(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、豐富的可供二次開發(fā)調(diào)用的函數(shù)庫、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對于要處理的圖像波段數(shù)沒有限制，可以處理最先進(jìn)的衛(wèi)星格式，如Landsat7、IKONO

7、S、SPOT， RADARSAT， NASA， NOAA， EROS和TERRA，并準(zhǔn)備接受未來所有傳感器的信息。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39°26'- 41°4'，東經(jīng) 115°24'-118°31' 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，形成一個向東南展開的半圓形大山彎，人們稱之為“北京彎”，它所圍繞的

8、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空要素監(jiān)測非常重要，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個波段，各個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波段類型波長空間分辨率功能與主要用途1藍(lán)色0.45-0.5230對水體有穿透能力，用來分析土地利用、干燥的土壤、植被特征、編制森林分布圖2綠色0.52-0.6030對水體的穿透能力較強(qiáng)，對植被的反射敏感，

9、位于葉綠素的兩個吸收帶之間，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、生物量和作物長勢的調(diào)查，繪制水體邊界和土壤濕度，也可用來增強(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、作物長勢分析6熱紅外10.4-12.5120屬于熱紅外波段，對熱異常敏感。監(jiān)測與人類活動有關(guān)的熱特征，用于熱分布制圖

10、、巖石識別和地質(zhì)探礦、水體溫度變化制圖7中紅外2.08-2.3530探測高溫輻射源，如監(jiān)測森里火災(zāi)、火山活動等，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

11、射率。通過定標(biāo)，可以消除一些大氣的干擾。本文通過ENVI軟件中自帶的對TM的定標(biāo)工具，計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高度角，成像日期等參數(shù)。如圖3.定標(biāo)對話框輻射定標(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

12、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/(m2·µm·sr)， FLAASH要求的輻射亮度單位為µW/(cm2·nm·sr)，兩者相差10倍，并且FLAASH模塊要求BIL的圖像存儲方式，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 圖像存儲方式： Basic Tools-Conv

13、ert Data(BSQ、BIL、BIP) FLAASH模塊： 根據(jù)圖像元數(shù)據(jù)輸入?yún)?shù)，高級設(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一系列的數(shù)學(xué)模型來改正和消除遙感影像成像時因攝影材料變形、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)要求不一致時產(chǎn)生的變形。幾何校正步奏如下所示：2.4計算歸一化植被指數(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算表觀反射率。表觀反射率就是指大氣層頂?shù)姆瓷渎?，輻射定?biāo)的結(jié)果之一，大氣層頂表觀反射率，簡稱表觀反射率，又稱視反射率。

14、分別對2003年以及2009年北京遙感影響做NDVI歸一化植被指數(shù)計算，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)，并隨著所測定的波長和觀測角度等因素有關(guān)。在大尺度上對比輻射率精確測量的難度很大，目前只是基于某些假設(shè)獲得比輻射率的相對值，本文主要根據(jù)可見光和近紅外光譜信息來估計比輻射率。2.5.1植被覆蓋度計算計算植被覆蓋度Fv 采用的是混合像元分解

15、法，將整景影像的地類大致分為水體、植被和建筑，具體的計算公式如下：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)某個像元的NDVI 大于0.70 時，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

16、圖6。圖6 計算植被覆蓋度對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

17、->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 計算比輻射率對話框地表比輻射率計算利用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

18、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