劉海隆,王玲,包安明

(1石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,石河子832003;2石河子大學(xué)師范學(xué)院地理系,石河子8320032;3中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,烏魯木齊830011)

基于遙感的天山山區(qū)地表溫度與下墊面的關(guān)系研究

劉海隆1,王玲2,包安明3

(1石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,石河子832003;2石河子大學(xué)師范學(xué)院地理系,石河子8320032;3中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,烏魯木齊830011)

地表溫度是干旱區(qū)山區(qū)融雪徑流研究的基礎(chǔ),其空間變化與下墊面密切相關(guān),為分析地表溫度與下墊面的關(guān)系,本文基于TM數(shù)據(jù),利用單窗算法對天山山區(qū)典型區(qū)域的地表溫度進行了反演,并分析了地表溫度分布與下墊面特征之間的相互關(guān)系。研究結(jié)果表明:單窗算法可以對天山山區(qū)地表溫度進行有效反演,具有一定可靠精度;在研究區(qū)內(nèi),地表溫度隨海拔高度的增高而降低,隨坡度的增加而減小,隨地勢起伏度的增加而降低,另外不同的土地利用方式對地表溫度具有不同的影響,其中建設(shè)用地具有熱島效應(yīng),從而溫度明顯偏高,植被蓋度的不同也造成地表溫度的不同分布。上述結(jié)果對分析山區(qū)的融雪徑流具有重要意義。

TM;地表溫度;土地利用方式;單窗算法

地表溫度是研究地表和大氣之間物質(zhì)交換和能量交換的重要參數(shù)之一[1],其時空分布差異受到時間和下墊面的重要影響,其中不同的下墊面具有不同的熱容量特性,形成不同的微氣候特征,因而研究下墊面對地表溫度的影響具有重要意義[2]。在我國西北干旱區(qū),融雪徑流是水資源的重要補給來源[3],而山區(qū)地面溫度是影響融雪徑流的重要因子,它對該區(qū)域的水文研究具有重要意義[4]。由于地球-植被-大氣這一系統(tǒng)的復(fù)雜性[5],這使得精確反演地表溫度近年來一直是研究的熱點[6]。

地表溫度的空間差異較大,地表溫度的大面積觀測需要大量的人力和物力,利用衛(wèi)星熱紅外傳感器獲取大范圍地表溫度是有效的途徑之一[6]。隨著遙感衛(wèi)星空間分辨率和光譜分辨率的發(fā)展,當(dāng)前,MODIS、AVHRR、TM、ETM+等都是地表溫度空間分布遙感反演的重要數(shù)據(jù)來源[7]。自20世紀80年代以來,雖然利用遙感反演地表溫度取得了很大的進展,但由于下墊面的復(fù)雜性,使得如何精確反演地表溫度仍然是當(dāng)前研究的熱點與難點之一。結(jié)合遙感原理,國內(nèi)外的學(xué)者基于地面觀測數(shù)據(jù),針對不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)源發(fā)展了多種地表溫度的反演算法,例如通過對大氣輻射傳輸方程進行近似,利用已知地表比輻射率提出了分裂窗算法,多通道多角度算法以及單窗算法等[6]。如何根據(jù)具體情況選擇合適的數(shù)據(jù)與算法進行地表溫度的精確反演,具有現(xiàn)實意義。

新疆天山山區(qū)因為地形地貌、植被分布多樣,下墊面空間分布較為復(fù)雜[8],這種復(fù)雜的空間分布對地表溫度具有重要影響。已有研究[9]表明,地表熱輻射特征與海拔高度、地物的性質(zhì)有密切關(guān)系,不同的地物類型地表溫度差異明顯。但有關(guān)反映輻射熱量平衡結(jié)果的地表溫度與山區(qū)下墊面相互影響的研究還較少。研究地表溫度和下墊面在空間分布上的響應(yīng)關(guān)系,有助于了解在不同下墊面條件下地表熱環(huán)境的空間特征和動態(tài)變化,同時對研究山區(qū)產(chǎn)匯流等水文循環(huán)也具有重要意義。

Landsat TM是一種非常重要的反演地表溫度的數(shù)據(jù),基于輻射傳輸過程的輻射傳輸方程算法以及單通道算法可以較好的反演[7]。為分析山區(qū)地表溫度與下墊面之間的關(guān)系,本文選取天山中段典型山區(qū)為研究區(qū),利用 TM數(shù)據(jù)對山區(qū)地表溫度進行了反演,結(jié)合地表實測數(shù)據(jù)進行了驗證,在此基礎(chǔ)上分析了地表溫度與下墊面之間的關(guān)系。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆天山中部尤爾都斯盆地及南北兩側(cè)山區(qū)(圖 1),地理位置 E 85 °15 ′～88 °20 ′、N 42°11′～44°8′,面積約 35800 km2。尤爾都斯盆地海拔2300～2700 m,盆地北部為依連哈比爾尕山和那拉提山,南部為艾爾賓山,兩側(cè)山地海拔大于3400 m[10]。由于受水汽來源、地形和緯度等因素的重要影響,流域降水分布十分不均,垂直分帶特征明顯,其中中高山區(qū)年降水在400～600 mm,低山區(qū)340～420 mm[11]。

圖1 研究區(qū)分布圖Fig.1 The distribution map of the study area

1.2 數(shù)據(jù)說明

本文所用數(shù)據(jù)是2006年7月31日和2007年9月13日Landsat5 TM的遙感數(shù)據(jù),來源于 GLCF(Global Land Cover Facility);新疆行政區(qū)劃矢量圖和2007年土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所;地表2 m氣溫、地溫、相對濕度點狀數(shù)據(jù)來源于野外試驗觀測。

1.3 數(shù)據(jù)處理和研究方法

1.3.1 地表溫度的反演

因為Landsat TM僅有一個熱紅外波段[12],所以本文主要根據(jù)覃志豪等[7,13]推導(dǎo)出的單窗算法反演研究區(qū)的地表溫度。首先對 TM熱紅外波段按照下式求算衛(wèi)星高度的像元亮溫值(Ts):

上式中 :C=ε τ,D=(1-τ)[1+(1-ε)τ];a,b 為根據(jù)熱輻射強度和亮溫的關(guān)系擬合出來的系數(shù);ε為地表比輻射率;τ為整層大氣透射率;T6為傳感器熱紅外波段的亮度溫度(K);Ta為大氣的向上平均作用溫度(K)。

Ta利用覃志豪經(jīng)驗公式[13]計算:

式(2中):T0是近地層大氣溫度(K)。

地表比輻射率的估算[2,13]時首先提取水體像元,并賦以水體的典型比輻射率值0.995;剩下像元的比輻射率依據(jù)式(3)計算:

式(3)中:Pv為植被覆蓋度,Pv可以利用植被指數(shù)來計算,即:

式(4)中:N DV I是所求像元的植被指數(shù),N DV Imin、N DV Imax分別為研究區(qū)內(nèi)的最小、最大值。

N DV I可表示為:

式(5)中:N IR,R:分別是 TM的近紅外波段(波段4)和紅光波段(波段3)的 DN值[6]。

1.3.2 地勢起伏度

本文采用新疆1∶25萬DEM 數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源,利用ArcMap中的空間分析模塊提取地形起伏度,窗口為3×3。分析窗口內(nèi)的高差作為目標柵格的起伏度,由此計算出整幅DEM上每個窗口的起伏度,所得新專題層即為地形起伏度專題層。計算公式為[14-15]:

ΔHij=hij,max-hij,min(i=1,2,3,…n˙,j=1,2,2,…,n), (6)式(6)中:h為鄰域內(nèi)像元的高程值,hmax和 hmin分別為像元的最大和最小高程值,ΔH為鄰域內(nèi)的高差。

2 結(jié)果與分析

2.1 地表溫度空間分布特征

2.1.1 地表溫度反演結(jié)果與驗證

利用2006年7月31日、2007年9月13日Landsat TM軌道號為L5144030和L5143030的影像數(shù)據(jù),采用以上計算方法,其中 a的取值為-63.1885,b的取值為0.44411,得到研究區(qū)地表溫度分布圖(圖2)。圖2反映出研究區(qū)的地表溫度的空間分布和變化情況。根據(jù)反演結(jié)果可以看出,研究區(qū)內(nèi)的地表溫度差異很大,7月31日的大尤爾都斯盆地最高為300.2 K(27.05 ℃),最低為272.6 K(-0.55 ℃),溫差為27.6℃。2007年9月13日小尤爾都斯盆地最高為286.4 K(13.25℃),最低為268.4 K(-4.75℃),溫差達17.9℃。溫度較低區(qū)域分布在研究區(qū)中部和南部,與山體走向基本一致,呈帶狀分布,普遍在0℃以下。溫度較高區(qū)域分布在北部和東部邊緣地帶,普遍溫度高于10℃?？偟姆植技缺憩F(xiàn)出連續(xù)漸變性,但從變化梯度上看,也表現(xiàn)出與地形地貌相一致的條帶區(qū)域性。

圖2 TM數(shù)據(jù)的地表溫度反演結(jié)果圖Fig.2 The retrieving surface temperature based on TM data

為驗證反演結(jié)果的可信度,本文利用研究區(qū)域內(nèi)7個氣象觀測點:查汗烏蘇、勝利達坂、駱駝脖子、庫車達坂、哈爾努爾、巴音布魯克、五區(qū)二鄉(xiāng)的同步觀測數(shù)據(jù)進行對比,對比結(jié)果見表1。觀測點數(shù)據(jù)取衛(wèi)星過境時刻的地表平均溫度的觀測值。反演的結(jié)果(表1)表明,平均相對誤差10.28%,說明反演的結(jié)果具有一定可信度。

表1 反演地表溫度與實測結(jié)果對比Tab.1 Comparison between retrieving surface temperature and observation

2.1.2 山區(qū)地表溫度空間變異特征

為分析天山山區(qū)地表溫度在空間上的分布特征,取山區(qū)特征明顯的小尤爾都斯盆地,即軌道號L5143030的 TM數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域為研究區(qū)。根據(jù)DEM對研究區(qū)626～5085 m海拔高度進行分類,按等值間隔一共分為22類,并計算每一類的平均溫度值,得到地表溫度隨不同海拔高度的變化關(guān)系,如圖3所示。

圖3顯示:地表溫度隨海拔的增高而降低,海拔每增高100 m地表溫度約減少0.16℃。但從具體減少的幅度來看,海拔2800 m以下區(qū)域呈凹型曲線變化特征,這表明遞減率隨著海拔的增加而逐漸減小;在高于2800 m的區(qū)域,曲線成凸型曲線變化特征,這表明遞減率隨著海拔的增加而逐漸增加。利用二次曲線可以較好地反映地表溫度與海拔高度之間的關(guān)系,決定系數(shù) R2值達到0.9740,達到極顯著水平。

圖3 地表溫度隨海拔高度的變化Fig.3 The change of land surface temperature with elevation

2.2 山區(qū)地表溫度與地形的關(guān)系

通過地表溫度的反演結(jié)果分析得知,地表溫度與地形地貌之間有著密切關(guān)系,為探討其內(nèi)在關(guān)系,分別從坡度、坡向和地勢起伏度三方面的影響來進行定量分析。根據(jù)DEM數(shù)據(jù)在Arcgis的空間分析模塊中提取坡度和坡向數(shù)據(jù),輸出精度為30 m×30 m,然后與地表溫度進行相關(guān)分析。

2.2.1 地表溫度與坡度、坡向的關(guān)系

由計算可知,研究區(qū)的坡度范圍為0～80°,為便于統(tǒng)計,以2.5°為間隔,將整個坡度劃分為32個區(qū)間。分別統(tǒng)計每個區(qū)間內(nèi)的平均地表溫度,結(jié)果如圖4所示。

圖4表明,在0～80°的坡度內(nèi),地表溫度隨坡度的增加而減小,坡度每增加1°地面平均溫度約減少0.035℃。這是因為隨著坡度的增加,一般海拔高度逐漸增加,同時太陽遮蔽角增大,都能引起溫度的下降。

圖4 地表溫度隨坡度的變化Fig.4 The change of land surface temperature with slope

坡向是影響日照時數(shù)的一個重要因子,對地面溫度也有重要影響。地表溫度隨坡向變化的分析結(jié)果如圖5所示。

圖5表明:總的變化呈單峰拋物線特征,其中在0～146°的范圍內(nèi),地表溫度隨坡向的增加而增加,在146～360°的范圍內(nèi),地表溫度隨坡向的增加而減小。上述變化與太陽高度角和方位角有關(guān),即與太陽的遮蔽情況相關(guān),在較小角度內(nèi),太陽日照較多,地面吸收熱量較多,因此溫度增加,而隨著角度的進一步增加,太陽日照受到影響,吸收的太陽輻射較少,因此溫度也隨之降低。

圖5 地表溫度隨坡向的變化Fig.5 The change of land surface temperature with aspect

2.2 地表溫度與地勢起伏度的關(guān)系

地勢起伏度能反映局部區(qū)域內(nèi)的地形變化。地表溫度在空間上分布的差異性與之有著必然的內(nèi)在聯(lián)系。通過式(6)計算了研究區(qū)域的地勢起伏度,然后將其與地表溫度分布的關(guān)系進行了分析,結(jié)果如圖6所示。

圖6表明:地表溫度隨地勢起伏度的變化規(guī)律與它隨坡度的變化關(guān)系相似,表現(xiàn)為負相關(guān)關(guān)系,隨著地勢起伏度的增加地表溫度也隨之降低。地勢起伏度越大說明山體的絕對高程也越大,坡度也會越大,同時地表的空間性質(zhì)更不均勻,因而導(dǎo)致溫度的空間分布變化較大。

圖6 地表溫度隨地勢起伏度的變化Fig.6 The change of land surface temperature with relief amplitude

2.3 地表溫度與土地利用類型的關(guān)系

2.3.1 土地利用類型空間格局

土地的利用類型反映了下墊面的均勻性特征,類型差異性越大,在下墊面越不均勻,這也必然導(dǎo)致地表溫度的分布不均勻。根據(jù)2007年的土地利用/覆蓋解譯數(shù)據(jù)可知,研究區(qū)的土地利用類型分為六大類,其空間分布如圖7所示,其中耕地主要分布在地勢平坦的地區(qū),草地分布面積最大,在北坡分布有大量林地,而水體處于海拔較高的中心區(qū)域,主要是固態(tài)冰雪。據(jù)統(tǒng)計,研究區(qū)內(nèi)耕地占2.47%,林地占5.72%,草地占63.11%,冰川雪地占10.52%,建設(shè)用地占0.64%,未利用地占17.55%。

圖7 研究區(qū)的土地利用類型Fig.7 The types of land use in study area

2.3.2 地表溫度與土地利用類型的關(guān)系

為對比不同土地利用類型的地表溫度,分別統(tǒng)計研究區(qū)域反演溫度在不同土地利用類型下的分布情況,結(jié)果見表2。

表2顯示:在2007年9月13日,研究區(qū)內(nèi)林地和水體的平均溫度低于0℃,其它各類用地高于0℃;其中建設(shè)用地的平均溫度最高,其次是旱地,冰雪區(qū)域(水體)平均溫度最低。這說明不同的土地利用方式對地表溫度具有不同的影響,其中建設(shè)用地具有熱島效應(yīng),從而溫度明顯偏高;另外,植被蓋度的大小對地表輻射的影響不同,從而也造成了地表溫度分布的不同。

表2 研究區(qū)不同土地類型的平均地面溫度Tab.2 The average land surface temperature in different land use types

3 結(jié)論

本文基于遙感資料分析了天山山區(qū)地表溫度與下墊面的關(guān)系,闡述了地表溫度的反演方法和過程,同時研究了地表溫度空間分布與下墊面的關(guān)系,得到了以下結(jié)論:

1)通過2006年7月31日和2007年9月13日TM的地表溫度反演結(jié)果與觀測結(jié)果對比,誤差在1℃左右,結(jié)果具有一定可信度,但精度與前人反演結(jié)果相比[6]略低,這是因為山區(qū)較平原、丘陵區(qū)的下墊面更復(fù)雜。對比結(jié)果表明:研究區(qū)內(nèi)溫度總的分布既表現(xiàn)出連續(xù)漸變性,但從變化梯度上看,也表現(xiàn)出與地形地貌相一致的條帶區(qū)域性。這說明反演結(jié)果較為合理。

2)地表溫度隨海拔的增高而降低,每增高100 m地表溫度約減少0.16℃。海拔2800 m以下區(qū)域遞減率隨著海拔的增加而逐漸減小;在高于2800 m的區(qū)域,遞減率隨著海拔的增加而逐漸增加。這說明地表溫度的變化不僅與海拔密切相關(guān),同時還受到其它相關(guān)因素的影響。

3)地表溫度隨坡度的增加而減小,坡度每增加1°地面平均溫度約減少0.035℃;而隨坡向的變化有所差異,在0～146°的范圍內(nèi),地表溫度隨坡向的增加而增加,在146～360°的范圍內(nèi),地表溫度隨坡向的增加而減小;地表溫度隨著地勢起伏度的增加而降低。形成這種變化規(guī)律的原因盆地兩側(cè)山體的遮蔽作用,同時研究區(qū)跨越山體的兩側(cè)。

4)不同的土地利用方式對地表溫度的影響不同,其中建設(shè)用地具有熱島效應(yīng),從而溫度明顯偏高。植被蓋度的大小對地表輻射的影響不同,從而也造成地表溫度不同的分布。

4 討論

利用高分辨率遙感數(shù)據(jù)對山區(qū)地表溫度分布和影響因子進行研究,可以對山區(qū)水資源預(yù)測提供一定的參考依據(jù)。本文在地表溫度的反演中,對山區(qū)下墊面的非均勻性和復(fù)雜性造成的遙感誤差沒有進行研究。另外,本文中反演的地表溫度與真實地表溫度之間存在一定差異,這種差異大小的影響有待于在參數(shù)估算和增加地面同步觀測數(shù)據(jù)中進行進一步的研究和探討。

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The Relationship between Land Surface T emperature and Underlying Surface in Tianshan Mountains Region B ased on Remote Sensing

LIU Hailong1,WANG Ling2,BAO Anming3
(1 College of Water Conservancy and Architectural Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China;2 Department of Geography,Teachers College,Shihezi University,Shihezi 832003,China;3 Xinjiang Institute of Ecology and Geography,CAS,Urumqi 83001l,China)

Land surface temperature is a basic factor in researching melt snowmelt runoff,and remote sensing is an important data resource.Mono-window algorithm has been applied to retrieving land surface temperature(LST)in Tianshan mountains region base on Landsat’s Thematic Mapper(TM).The relationship between LST and underlying surface has been analyzed.The result shows that the accuracy of the retrieval LST in Tianshan mountains region is reliable.This indicates that the mono-window algorithm is ah effective method.LST increases with elevation and decreases with slope and relief amplitude.Different land uses have different effects on LST;for example,urban heat island effect on construction land can cause LST to be significantly higher.This investigation is meaningful for analyzing melt snowmelt runoff.

TM;land surface temperature;land use;Mono-window algorithm

S126;TP79

A

1007-7383(2011)02-0224-06

2010-11-17

國家科技支撐計劃項目(2007BAH12B03、2007BAC17B02),中國科學(xué)院綠洲生態(tài)與荒漠環(huán)境重點實驗室開放基金(200901-01),新疆干旱區(qū)水循環(huán)與水利用實驗室開放課題(XJ YS0907-2010-01)

劉海隆(1974-),男,副教授,從事水文水資源及地理信息系統(tǒng)與遙感應(yīng)用研究;e-mail:liu_hai_tiger@163.com。