葉冬霞，蘇建云，黃耀裔

(泉州師范學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，福建 泉州 362000)

地球表面溫度是指地表和大氣相臨界的溫度，包含有地表水體表面和陸地表面溫度[1].隨著遙感技術(shù)不斷發(fā)展，熱紅外遙感數(shù)據(jù)具有多波段、多時相、快速、連續(xù)、大面積獲取地表信息的特點，通過其進行地表溫度反演而全面獲取區(qū)域地表溫度空間分布成為現(xiàn)實，且具有長期連續(xù)觀測的優(yōu)點，基本克服了傳統(tǒng)氣象數(shù)據(jù)法的缺點[2].隨著對城市熱島效應(yīng)研究的不斷深入，地表溫度成為反映城市熱島效應(yīng)的重要參數(shù)，已被廣泛應(yīng)用到城市熱環(huán)境的研究當(dāng)中，通過熱紅外遙感數(shù)據(jù)進行地表溫度反演來研究城市的熱島效應(yīng)已經(jīng)成為一個研究熱點[3-6].以泉州市中心城區(qū)作為研究區(qū)，并選取2010年和2017年兩個時相的Landsat遙感影像進行地表溫度反演并加以分析.

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)概況

泉州市(117°34′E-119°05′E，24°22′N-25°56′N)處于福建省境內(nèi)的東南沿海，位于低緯度地帶，境內(nèi)丘陵較多，地形地貌簡括為“八山一水一分田”，全市土地面積約為11015 km2.氣候?qū)賮啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候.現(xiàn)轄鯉城區(qū)、豐澤區(qū)、洛江區(qū)、泉港區(qū)4個中心城區(qū)，晉江、石獅、南安3個縣級市，惠安縣、安溪縣、永春縣等5個縣和泉州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)、泉州臺商投資區(qū).本文選取泉州市4中心城區(qū)為研究區(qū)域.

圖1 地表溫度反演流程

1.2 數(shù)據(jù)獲取

遙感數(shù)據(jù)來源為美國NASA發(fā)射的Landsat系列衛(wèi)星中對應(yīng)的傳感器所獲取的Landsat TM與ETM+影像.考慮云層會對遙感成像造成影響，以研究區(qū)上空基本無云和成像質(zhì)量好為選取標(biāo)準(zhǔn)，選取2010年10月31日的Landsat5、2017年2月12日的Landsat7兩個時相的遙感影像，所選用的遙感影像成像時間間隔雖不一致，但均能滿足此次研究要求.

1.3 地表溫度反演流程

基于大氣校正法，利用Landsat TM與ETM+的熱紅外波段影像進行溫度反演，其反演流程詳見圖1.

2 地表溫度反演

2.1 地表比輻射率估算

比輻射率是物體向外界發(fā)射電磁波能力的具體表現(xiàn)，與地表地物的構(gòu)成成分、狀況以及物理屬性等有關(guān).比輻射率是物體在溫度T、波長λ處的輻射出射度與同溫度、同波長下的黑體輻射出射度的比值，見式(1)，比值結(jié)果介于0-1之間.

(1)

由于植被的生長狀態(tài)受氣候、巖性、地貌、水文地質(zhì)條件等因素控制，在地表溫度反演過程中的比輻射率，通?？蓪⒌匚锉砻娣譃樗w，植被覆蓋區(qū)和城鎮(zhèn)建筑用地三大類型.由于水體物理化學(xué)性質(zhì)都較為穩(wěn)定，故使用典型的水體數(shù)值ε=0.995參與其它部分比輻射率的計算.

而植被覆蓋區(qū)和城鎮(zhèn)建筑用地，則采用歸一化植被指數(shù)混合像元法(NDVI)[7]計算.

在植被覆蓋區(qū)中：

當(dāng)NDVI>NDVIv，像元為完全植被覆蓋：

ε=εv

(2)

當(dāng)NDVIs≤NDVI≤NDVIv，像元為植被和裸地的混合像元：

ε=PvRvεv+(1-Pv)Rsεs+dε

(3)

在城鎮(zhèn)建筑用地中：

當(dāng)NDVI

ε=εm

(4)

當(dāng)NDVI≥NDVIm，像元為城鎮(zhèn)建筑用地和植被組成的混合像元：

ε=PvRvεv+(1-Pv)Rmεm+dε

(5)

式(2)—(5)中，植被的溫度比率為Rv=0.9332+0.0585Pv；裸土的溫度比率為Rs=0.9902+0.1068Pv；建筑表面的溫度比率為Rm=0.9886+0.1287Pv；植被的比輻射率εv=0.986；裸土的比輻射率εs=0.972；建筑表面的比輻射率εs=0.970.其中Pv植被覆蓋率利用公式計算：

(6)

式(6)中，NDVIv植被的NDVI值；NDVIs裸土的NDVI值；NDVIm建筑表面的NDVI值；dε比輻射率修正項，在地勢較為平坦的情況下，dε可以忽略不計；當(dāng)?shù)貏莞叩推鸱潭容^大時，dε可以通過經(jīng)驗公式進行估算：當(dāng)Pv>0.5時，dε=0.0038(1-Pv)；當(dāng)Pv=0.5時，dε=0.0019；當(dāng)Pv<0.5時，dε=0.0038Pv.

利用式(2)-(6)來計算研究區(qū)植被覆蓋區(qū)和城鎮(zhèn)建筑用地比輻射率的關(guān)鍵是確定研究區(qū)的NDVIm、NDVIs和NDVIv.從理論上來說，對于同一研究區(qū)而言，這三個值是不會隨時間的變化而變化的，但是由于大氣條件和地表環(huán)境的改變，這三個值會發(fā)生一定的改變.故簡化計算量，將研究區(qū)的NDVIm、NDVIs和NDVIv值分別用植被覆蓋區(qū)的NDVImax和NDVImin以及城鎮(zhèn)建設(shè)用地的NDVImin來代替.則式(3)、(4)可以簡化為式(7)和式(8)：

(7)

(8)

式(7)-(8)中：εsurface和εbuilt-up分別代表自然表面像元和城鎮(zhèn)像元的比輻射率.

2.2 黑體輻射亮度計算與地表溫度反演

通常獲取到的Landsat TM/ETM+數(shù)據(jù)都是以灰度值(DN值)來呈現(xiàn)的.對于熱紅外波段數(shù)值越大，代表著地表熱輻射強度就越大，則地表溫度就越高；與之同理，數(shù)值越小，代表著地表熱輻射強度就越小，則地表溫度就越低.本文基于大氣校正法進行地表溫度的反演.其熱紅外輻射亮度值的表達式可寫為(輻射傳輸方程)：

Lλ=[εB(TS)+(1-ε)Ld]τ+Lu

(9)

式(9)中，ε為地表比輻射率，TS為地表真實溫度，B(TS)為黑體熱輻射亮度，τ為大氣在熱紅外波段的透過率，Lu為大氣向上輻射亮度，Ld為大氣向下輻射到達地面后反射的能量.則當(dāng)溫度為T時黑體在熱紅外波段的輻射亮度B(TS)為：

(10)

TS可以用普朗克公式的函數(shù)獲取.

(11)

通過美國航空航天局官方提供的網(wǎng)站(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)以及影像自身的元數(shù)據(jù)，分別得到2010年與2017年的影像的τ、Lu、K1、K2的具體值分別為0.83、1.30、2.10、607.76、1260.56和0.86、0.86、1.44、666.09、1282.71.根據(jù)上述參數(shù)反演的地表溫度結(jié)果見圖2和圖3.

圖2 2010年地表溫度結(jié)果

圖3 2017年地表溫度結(jié)果

通過查詢相關(guān)氣象資料[13]得到2010年10月31日的最高溫度是23 ℃，最低溫度是12 ℃；2017年2月12日的最高溫度是16 ℃，最低溫度是9 ℃.本文反演的結(jié)果落在最低溫和最高溫的區(qū)間內(nèi)，所以本次反演結(jié)果具有客觀現(xiàn)實.

圖4 2010年和2017年溫度統(tǒng)計圖

3 泉州市中心城區(qū)熱島時空演變

3.1 研究區(qū)城市熱島的空間分布格局分析

以反演得到的兩個時段的地表溫度來分析泉州市中心城區(qū)地表溫度的空間格局.為了更加清晰地分析研究區(qū)地表溫度分布，將研究區(qū)的溫度影像重新分級，論文基于穩(wěn)健統(tǒng)計的方法，計算溫度分割閾值：

T=A±x×sd

(12)

式(12)中：T為計算出的溫度閾值；A為地表平均溫度；x為方差的倍數(shù)(取值為0.5、1、1.5)；sd為地表溫度方差[8].

據(jù)公式(12)所計算出的溫度閾值分為特高溫、高溫、次高溫、特低溫等7個等級(見表1).根據(jù)表1中的等級劃分得到溫度等級圖(圖5、圖6)

表1 地表溫度等級劃分

從2010年的泉州市中心城區(qū)地表溫度等級圖中可以看出特高溫區(qū)的分布主要集中在鯉城的建成區(qū)和老城區(qū)、豐澤區(qū)、洛江區(qū)的城東組團，主要是這些區(qū)域不透水面較其他地區(qū)多，區(qū)內(nèi)建筑物比較密集，是主要的居民區(qū)和商業(yè)區(qū)，區(qū)域內(nèi)人口也相對密集，人口多，相應(yīng)的人為制造的熱量就多，如汽車等排放的熱量；這些區(qū)域內(nèi)的建筑類型多為高層建筑物，建筑物阻礙氣流的擴散，城市中的熱量無法隨著氣流向外散逸，所以這也是這些區(qū)域溫度較高的一個主要原因.而低溫區(qū)和特低溫區(qū)集中在植被密集的區(qū)域.到2017年，從地表溫度等級圖中可以看出特高溫區(qū)的分布范圍有向外擴展的趨勢，特別是洛江區(qū)西部和泉港地區(qū)變化非常明顯，從2010年后泉州市的城市建設(shè)發(fā)展快速，特別是向城市外圍拓展，造成溫度有向城市外圍拓展的趨勢，而在泉港地區(qū)，則由于石油化工產(chǎn)業(yè)群的建設(shè)，造成熱島效應(yīng).

圖5 2010年泉州市中心城區(qū)地表溫度等級圖

圖6 2017年泉州市中心城區(qū)地表溫度等級圖

3.3 研究區(qū)熱島范圍的時空演變特征分析

評價城市熱島強弱的主要標(biāo)準(zhǔn)之一就是城市熱島范圍的大小.通常情況下城區(qū)的溫度比較高，郊區(qū)的溫度比較低，而城郊結(jié)合部則處于這二者之間，絕大部分城市像元的地表溫度是處于研究區(qū)溫度平均值正負(fù)1倍方差之間，將地表溫度劃分為熱島區(qū)、冷島區(qū)和過渡區(qū).熱島區(qū)包括所有溫度超過平均溫度1倍方差的地表像元，冷島區(qū)包括所有溫度低于平均溫度1倍方差的地表像元，過渡區(qū)則包括剩余的其他像元.Landsat遙感影像的像元是30 m×30 m，文中將像元作為面積的單位.

按照上述所劃分的熱島區(qū)、冷島區(qū)和過渡區(qū)，結(jié)合中溫度等級劃分，可以得知特高溫和高溫范圍屬于熱島區(qū)，特低溫和低溫范圍屬于冷島區(qū)，次低溫、中溫和次高溫范圍屬于過渡區(qū).分別計算并統(tǒng)計出研究區(qū)2010年和2017年的面積，見表2.

表2 熱島區(qū)、過渡區(qū)和冷島區(qū)的面積(單位：像元)

從表2中的熱島區(qū)、冷島區(qū)和過渡區(qū)的面積統(tǒng)計可以得出2010年至2017年年均增長率提升到0.021%，熱島區(qū)面積的增長速度有明顯的增快的趨勢.研究區(qū)冷島的面積從2010年至2017年冷島范圍年均增加率為0.151%.過渡區(qū)的范圍2000年的646419個像元增加到2010年的655369個像元，共增加了10302個像元，年均增加率為0.159%.

4 結(jié) 語

本文開展了基于Landsat遙感數(shù)據(jù)的地表溫度反演的方法研究，基于大氣校正法基礎(chǔ)，利用Landsat TM與ETM+的熱紅外波段影像進行溫度反演，通過查詢相關(guān)氣象資料對比，發(fā)現(xiàn)反演的結(jié)果落在氣象的最低溫和最高溫的區(qū)間內(nèi)，說明該反演方法可行，且流程化清晰，可以流程化操作.從2010年至2017年的地表溫度反演結(jié)果對比分析，結(jié)合實際調(diào)查，得出由于泉州市的中心城區(qū)城市建設(shè)發(fā)展快速，特別是有向城市外圍拓展，造成地表溫度有向城市外圍拓展的趨勢，說明泉州市的城市熱島有外溢效應(yīng).