基于Landsat 8 OLI的地表温度反演——以石家庄为例.pdf

第4 5卷 第3期华北理工大学学报(自然科学版)V o l.4 5 N o.32 0 2 3年0 7月J o u r n a l o fN o r t hC h i n aU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)J u l.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 2-0 7 修回日期:2 0 2 3-0 6-1 0基金项目:河北省教育厅青年基金(QN 2 0 2 0 1 4 9);唐山市科技局项目(2 1 1 3 0 2 0 4 C)。第一作者:王玉渲,女,硕士研究生。通讯作者:张云鹏,男,教授,研究方向:采矿工艺理论与技术、爆破工程、安全技术及管理。E-m a i l:2 2 8 6 7 4 4 8 9 5q q.c o m.D O I:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 5-2 7 1 6.2 0 2 3.0 3.0 0 3文章编号:2 0 9 5-2 7 1 6(2 0 2 3)0 3-0 0 1 9-0 6基于L a n d s a t 8O L I的地表温度反演以石家庄为例王玉渲,王奕丹,白洋,张云鹏(华北理工大学 矿业工程学院,河北 唐山0 6 3 2 1 0)关键词:地表温度反演;土地利用类型;T I R S 1 0单窗算法摘 要:以2 0 1 42 0 2 0年的L a n d s a t 8O L I遥感数据为数据源,采用T I R S 1 0单窗算法反演石家庄地表温度,通过研究石家庄地表温度与土地利用类型的关系,分析土地利用类型对地表温度的影响。结果发现:在2 0 1 42 0 2 0年,石家庄的建设用地面积增加,水域、耕地等地表覆盖类型面积减小,并且林地、水域、耕地和草地的平均温度都小于建设用地。因此,为了降低城镇发展对地表温度的影响,应该增加植被的种植面积和水域面积。中图分类号:P 2 3 7 文献标识码:A近年来,随着现代化进程的不断加快,大量的农村人口不断涌入城镇,加快了城镇的建设,在建设过程中土地覆盖类型会发生变化。因此,国内外的许多学者通过遥感影像对地表温度进行分析,例如冯鹏利用L a n d s a t 8O L I数据对哈尔滨主城区进行地表温度反演,发现哈尔滨主城区有显著的热岛效应1;童新华等人利用L a n d s a t 8O L I数据结合辐射传输方程法对南宁市进行热岛效应研究,发现地表温度与土地利用的关系2;熊晓峰等人利用MO D I S数据研究长三角城市群的城市热岛的时空变化规律3;吉曹翔等人利用L a n d s a t 8O L I数据,采用大气校正法反演地表温度,分析沈阳市热岛强度分布特征,发现沈阳市五区热岛效应明显4;因此,该项研究利用L a n d s a t 8O L I数据进行地表温度反演,而国内外的许多学者对适用L a n d s a t8O L I数据的方法进行研究,其中辐射传输方程5、单窗算法6、T I R S 1 0单窗算法7、J M_S C 1 0算法8、劈窗算法9等比较常用,其中段金馈通过对多种地表温度反演的方法进行对比,发现T I R S 1 0单窗算法的精度更高1 0。夏安全等人对利用大气校正法、J M_S C 1 0算法和T I R S 1 0单窗算法反演的精度进行对比,发现T I R S 1 0单窗算法反演的精度最高1 1。因此,以石家庄作为研究区域,基于2 0 1 4年、2 0 1 6年、2 0 1 8年、2 0 2 0年夏季的L a n d s a t8O L I的遥感影像,利用T I R S1 0单窗算法对石家庄近几年的影像进行地表温度反演,利用监督分类方法对石家庄的土地利用情况进行分类,通过分析石家庄地表温度变化,分析地表覆盖物对地表温度的影响。1研究区概况以石家庄市为研究区,石家庄市位于东经1 1 3 3 1 1 1 5 2 9,北纬3 7 2 6 3 8 4 6,位于河北省的中南部,属山西地台和渤海凹陷之间的接壤地带,地貌比较复杂,东西部海拔高差较大,西部太行山地的海拔高度在10 0 0m左右,最高海拔地处的山峰驼梁为22 8 1m,而东部平原的海拔在3 01 0 0m。石家庄属于暖温带大陆性季风气候,使得石家庄的4个季节的特征表现明显,降雨量集中。夏季和冬季的时间长,春季和秋季的时间短。2数据来源及研究方法2.1 数据来源以石家庄为研究区域,采用在地理空间数据云网站获取的L a n d s a t8遥感影像作为数据源,为了保证地表温度反演的准确性,要尽量选择云量较小、且日期相差不大的遥感影像。因此,选用2 0 1 4年6月、2 0 1 6年8月、2 0 1 8年9月和2 0 2 0年5月的4期数据。每期数据由行列号为1 2 4/3 3和1 2 4/3 4的2幅影像拼接而成,在拼接前每期影像都进行辐射定标和大气校正预处理,拼接后的影像进行矢量裁剪,最后得到图1所示研究区域遥感影像图。图1 石家庄遥感影像图2.2 地表温度的反演选取石家庄市2 0 1 4年、2 0 1 6年、2 0 1 8年、2 0 2 0年夏季的4期影像,采用胡德勇等在覃志豪单窗算法的基础上针对L a n d s a tT I R S传感器提出的(T I R S 1 0-S C算法)。表达式为:Ts=K2C+D()T1 0+1-C-D()T1 02-K2DTaK2C(1)C=(2)D=1-()1+1-()(3)式中,Ts是地表反演温度(K),Ta是大气平均作用温度(K),C、D为中间参数,T1 0为地表亮度温度(K),为地表辐射率,为大气透过率。因此,利用T I R S 1 0-S C算法反演地表温度需要计算参数大气作用平均温度、地表亮度温度、大气透过率和地表比辐射率。2.2.1大气作用平均温度由于遥感影像选择的时间段在夏季,因此选择中纬度夏季的平均大气轮廓线式近似计算大气平均作用温度。Ta=0.9 2 62 1T0+1 6.0 1 10(4)式中,T0为近地面气温(K)。2.2.2地表亮度温度地表亮度温度T1 0的计算公式如下:T1 0=K2l nK1L1 0+1(5)02 华北理工大学学报(自然科学版)第4 5卷 式中,K1、K2为常数,K1=7 7 4.8 9W/(m2s rm),K2=13 2 1.0 8K,L1 0为图像的热辐射亮度值,W/(m2s rm)。2.2.3大气透过率大气透过率是通过大气(某气层)后辐射强度与入射前辐射强度之比。该项研究中的大气透过率根据在NA S A公布的网站(h t t p s:/a t m c o r r.g s f c.n a s a.g o v/)查询,输入研究区域的经纬度坐标和过境时间。2.2.4地表比辐射率地表比辐射率是物体与黑体在同温度、同波长下的辐射度的比值,是计算地表温度的重要参数之一。该项研究主要采用N D V I阙值法对研究区域的地表比辐射率进行计算。2.3 土地利用分类利用监督分类法对影像进行土地利用分类。同时结合天地图和遥感影像,将石家庄市的土地覆盖类型分为:建设用地、耕地、水域、林地和草地。2.4 地表温度等级划分为了能够更好地展现地表温度的反演结果,利用平均值-标准差的方法对地表温度进行分级,分为低温区、次中温区、中温区、次高温区和高温区,总共分为5类,分级标准如表1所示。表1 地表温度分级温度等级等级划分温度等级等级划分高温区Ts+s t d次中温区-s t d Ts-0.5 s t d次高温区+0.5 s t d Ts+s t d低温区Ts水域草地耕地林地;2 0 1 6年,建设用地草地水域耕地林地;2 0 1 8年,建设用地耕地水域草地林地;2 0 2 0年,建设用地草地耕地水域林地。4个年份的土地利用类型的平均地表温度排序不同,但建设用地的地表温度最高,这是由于建设用地的地下垫面主要是水泥、沥青等吸热性较好的材料组成,同时由于城市人口密度大,汽车尾气的排放量大等因素,造成地表吸热性强,散热性差,导致地表温度较高,形成“热岛”现象;林地的地表温度最低,这是由于石家庄市的林地主要分布在石家庄北部和西部高海拔区域,同时,植被有较好的散热性,不利于热量的存储,因此地表温度较低。水域、耕地和草地的平均温度都小于建设用地。因此,增加植被的种植面积和水域面积会降低城镇发展引起地表温度升高的影响。4结论(1)利用T I R S 1 0单窗算法反演地表温度的结果与实际测得的温度相差不大,能够反映地表温度分布的实际情况。(2)2 0 1 42 0 2 0年,石家庄城镇化的快速发展导致建设面积的增加,同时会造成原来水域、耕地等自然地表覆盖类型面积的减小,而水域、耕地和林地的地表覆盖面积减少较多,草地的地表覆盖面积减小较少。(3)2 0 1 42 0 2 0年地表温度和土地利用类型有着显著的关系,建设用地的平均地表温度始终大于耕地的平均地表温度,且平均地表温度最高,林地的平均地表温度最低。因此,为了降低城镇发展对地表温度的影响,应该增加植被的种植面积和水域面积。参考文献:1 冯鹏,岳昊,刘晓源.基于L a n d s a t 8数据的地表温度反演研究 以哈尔滨主城区为例J.测绘与空间地理信息,2 0 1 8,4 1(0 9):2 2 3-2 2 5.2 童新华,韩振锋,韦燕飞.基于L a n s a t 8卫星影像的南宁市热岛效应研究J.大众科技,2 0 1 7,1 9(0 4):2 7-2 9+4 6.3 熊晓峰,张德州.长三角地区地表覆盖与城市热岛时空演变分析J.地理空间信息,2 0 2 1,1 9(1 1):7 1-7 4+1 1 9+7-8.4 吉曹翔,杨黎黎,于璐,等.基于L a n d s a t 8数据的沈阳市地表温度反演研究J.中国科技信息,2 0 1 8(Z 1):4 5-4 7+4 9.5 陈浩,马昌忠,陈国良.基于l a n d s a t 8的新沂市地表温度反演研究J.矿山测量,2 0 1 7,4 5(0 2):7 8-8 1.6 覃志豪,L IW e n j u a n,Z HAN G M i n g h u a,等.单窗算法的大气参数估计方法J.国土资源遥感,2 0 0 3,1 5(0 2):3 7-4 3.7 胡德勇,乔琨,王兴玲,等.单窗算法结合L a n d s a t 8热红外数据反演地表温度J.遥感学报,2 0 1 5,1 9(0 6):9 6 4-9 7 6.8 J i m e n e z-M u n o z,J.C.,S o b r i n o,e t a l.L a n dS u r f a c eT e m p e r a t u r eR e t r i e v a lM e t h o d sF r o mL a n d s a t-8T h e r m a l I n f r a r e dS e n s o rD a t aJ.I E E Eg e o s c i e n c ea n dr e m o t es e n s i n g l e t t e r s,2 0 1 4,1 1(1 0).9 宋挺,段峥,刘军志,等.基于L a n d s a t-8数据和劈窗算法的地表温度反演及城市热岛效应研究J.环境监控与预警,2 0 1 4,6(0 5):4-1 4.1 0 段金馈.基于L a n d s a t 8数据的地表温度反演算法对比分析 以北京市为例J.安徽农学通报,2 0 1 9,2 5(1 7):1 4 8-1 5 0.1 1 夏安全,齐建国,姜振飞,等.基于L a n d s a t 8数据单通道算法反演地表温度 以济南市为例J.江苏农业科学,2 0 1 7,4 5(2 0):2 5 4-2 5 8.(下转第3 1页)42 华北理工大学学报(自然科学版)第4 5卷 K e yw o r d s:s t a t i cc r a c k i n ga g e n t;r e t a r d e r;t e m p e r a t u r e;v o l u m ee x p a n s i o nr a t i oA b s t r a c t:I nv i e w o ft h ep o t e n t i a ls a f e t yh a z a r da th i g hh y d r a t i o nt e m p e r a t u r ei n s t a t i cc r a c k i n ga g e n tt e c h n o l o g yi nc o a ls e a m p e n e t r a t i o ne n h a n c e m e n t,c i t r i ca c i da n db o r a xa sr e t a r d e r sw e r es e l e c t e dt oe x p l o r et h ee f f e c to f d i f f e r e n t d o s a g eo f r e t a r d e r so n t h eh y d r a t i o n t e m p e r a t u r e a n dv o l u m e e x p a n s i o nr a t i oo f s t a t i cc r a c k i n g a g e n t.T h er e s u l t ss h o wt h a t t h eh y d r a t i o np e a kt e m p e r a t u r eo f s t a t i cc r a c k i n ga g e n tc a nb er e d u c e di nd i f f e r e n td e g r e e sb ya d d i n gt w ok i n d so fr e t a r d e r s.C i t r i ca c i df o r m ss o l u b l ec o m p l e x e st h r o u g hc o m p l e x a t i o nt op r o m o t et h er e a c t i o n,a n di t so p t i m a ld o s a g ei s0.0 5%;T h eb o r a xc a nf o r mi n s o l u b l ep r e c i p i t a t e t h r o u g hp r e c i p i t a t i o nt od e l a yt h er e a c t i o n,a n d i t so p t i m u md o s a g e i s1.5%.(上接第2 4页)L a n dS u r f a c eT e m p e r a t u r e I n v e r s i o nB a s e do nL a n d s a t 8O L I:T a k i n gS h i j i a z h u a n gF o rE x a m p l eWANGY u-x u a n,WANGY i-d a n,B A IY a n g,Z ANGY u n-p e n g(C o l l e g eo fM i n i n gE n g i n e e r i n g,N o r t hC h i n aU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,T a n g s h a nH e b e i 0 6 3 2 1 0,C h i n a)K e yw o r d s:s u r f a c e t e m p e r a t u r e i n v e r s i o n;t y p eo f l a n du s e;T I R S 1 0s i n g l e-w i n d o wa l g o r i t h mA b s t r a c t:T a k i n gt h eL a n d s a t8O L Ir e m o t es e n s i n gd a t af r o m2 0 1 4t o2 0 2 0a st h ed a t as o u r c e,T I R S 1 0s i n g l e-w i n d o wa l g o r i t h m w a su s e dt o i n v e r t t h es u r f a c et e m p e r a t u r eo fS h i j i a z h u a n g,a n dt h e i n f l u e n c eo fl a n du s et y p eo ns u r f a c et e m p e r a t u r ew a sa n a l y z e db ys t u d y i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl a n ds u r f a c et e m p e r a t u r ea n dl a n du s et y p ei nS h i j i a z h u a n g.T h er e s u l t ss h o wt h a tf r o m 2 0 1 4t o2 0 2 0,t h ea r e ao fc o n s t r u c t i o nl a n di nS h i j i a z h u a n gi n c r e a s e d,t h ea r e ao fs u r f a c ec o v e rt y p e ss u c ha s w a t e ra r e aa n dc u l t i v a t e d l a n dd e c r e a s e d,a n dt h ea v e r a g et e m p e r a t u r eo ff o r e s tl a n d,w a t e ra r e a,c u l t i v a t e dl a n da n dg r a s s l a n dw a sl e s st h a nt h a to fc o n s t r u c t i o nl a n d.T h e r e f o r e,i no r d e rt or e d u c et h ei m p a c to fu r b a nd e v e l o p m e n to nl a n ds u r f a c et e m p e r a t u r e,t h ep l a n t i n ga r e aa n d w a t e ra r e ao fv e g e t a t i o ns h o u l db ei n c r e a s e d.13 第3期 左晨曦,等:不同种类缓凝剂对静态破碎剂性能的影响