基于MODIS的江汉平原比辐射率季节变化规律研究

李朋泽，王新生,2，郭光毅，徐 静，许 亮，谢 凯

（1. 湖北大学 资源环境学院，湖北 武汉430062；2. 农业部 遥感应用中心 武汉分中心，湖北 武汉 430062）

基于MODIS的江汉平原比辐射率季节变化规律研究

李朋泽1，王新生1,2，郭光毅1，徐 静1，许 亮1，谢 凯1

（1. 湖北大学 资源环境学院，湖北 武汉430062；2. 农业部 遥感应用中心 武汉分中心，湖北 武汉 430062）

基于Terra-MODIS L3级产品（MOD11C3），研究江汉平原区域比辐射率在一年四季的变化特征。结果表明，江汉平原区域的比辐射率值在1 a内整体处于一个稳定的区间,相比其他三季，冬季高比辐射率区间所占面积有明显增加，同时存在多种类别的比辐射率值；春季和冬季的平均比辐射率值最高，夏季最低，秋季比辐射率值居夏冬两季之中。对不同土地覆被类型的比辐射率值的研究表明，水田和水域的比辐射率值最高，建设用地比辐射率值最低但波动较大，林地和草地的比辐射率值最为稳定，耕地的比辐射率值明显高于自然植被；各种地类的比辐射率年变化趋势基本一致，均在夏季出现波谷，秋季呈上升趋势，冬季有小幅的波动，春季最稳定。

江汉平原；MODIS；地表比辐射率；季节变化 ；土地覆被类型

1 MODIS数据及其预处理

中分辨率成像光谱仪MODIS 是Terra和Aqua卫星上搭载的主要传感器之一，其标准数据产品根据内容的不同分为0级、1级数据产品，在1 B级数据产品之后，划分2～4级数据产品，包括陆地标准数据产品、大气标准数据产品和海洋标准数据产品等3种主要标准数据产品类型，总计分解为44种标准数据产品类型。本文使用的MOD11C3数据为陆地3级标准数据产品，内容为地表温度和辐射率的全球0．05°×0．05°格网月值数据集[1-7]，选取的时间范围为2011-03～2014-02。

运用MRT（MODIS reprojection tool）软件将数据重新投影为Albers等积投影下的GeoTIFF格式，输出所需的31、32两波段值，通过Erdas软件对所得数据进行转换处理，得到两波段的比辐射率值：

ε31= DN × 0.002 + 0.49 (1)

再采用梁顺林提出的线性拟合方法得出宽波段的比辐射率[8]，线性拟合公式为：

ε = 0.314ε31+ 0.411ε32+ 0.261 (2)式中，ε31和ε32分别为MODIS31波段和MODIS32波段的比辐射率；ε为宽波段的比辐射率，通过裁剪得到江汉平原区域比辐射率月产品时序图像。

2 研究区概况

江汉平原位于湖北省中南部，由长江与汉江冲积而成，是中国海拔最低的平原之一。介于北纬29°26'～31°10'，东经111°45'～114°16'。在行政区划上含荆州市（原沙市市、江陵县）、石首、汉川、监利、潜江、云梦、松滋、应城、天门、当阳、洪湖、仙桃、公安、枝江，总面积为28 235．12 km2，是长江中游重要的产粮区和农副产品基地。该区气候温暖湿润，无霜期长达243～275 d；活动积温5 100℃～5 400℃；年降水量为980～1 300 mm，4～9月降水量占全年雨量2/3以上，雨热同期[9]，植被呈现明显的季节变化。

3 江汉平原比辐射率季节变化规律

通过对数据的处理分析，得到了2011-03～2014-02每月的比辐射率值。为了对江汉平原区域进行季相分析，选取每年的3～5月、6～8月、9～11月、12月～次年2月作为春、夏、秋、冬四季，所以时间上是从2011-03开始到2014-02结束。

将每月的比辐射率值做成折线图（见图1），可发现江汉平原区域的比辐射率值在1 a内呈现“两头高中间低”的趋势：春冬两季明显比夏秋两季更高；春季的比辐射率最稳定，变化不大，夏季起伏最大。

图1 江汉平原地表比辐射率月份变化

在对江汉平原区域进行季相分析之前，需要将各季节对应的3个月份比辐射率值做平均值，得到对应年份的四季值。为了能够更好地表现出比辐射率的变化，结合月比辐射率值的实际情况，将其分为5个区间：低比辐射率区（0．970 0～0．971 5）；中低比辐射率区（0．971 6～0．972 5）；中比辐射率区（0．972 6～0．073 5）；中高比辐射率区（0．973 6～0．974 5）；高比辐射率区（0．974 6～0．976 1）。

通过对比分析3年各个季节的比辐射率平均值可以发现，江汉平原区域的比辐射率值基本处于一个稳定的区间（0．970 0～0．980 0之间），各季节的分布范围也比较固定，主要原因可能与其地势平坦且一年四季农作物覆盖广泛、土壤水分充足有一定的关系。纵向对比同年份不同季节的比辐射率，由图2可以看出，0．973 6～0．974 5的中高值区和0．974 6～0．976 1的高值区所占的面积比例最大，二者之和可以达到90%以上；冬季相比其他三季，不同区间比辐射率的分布更加丰富一些，不过仍以中高区和高区为主，高比辐射率区间所占面积有明显增大。

图2 江汉平原（2011～2013年）四季比辐射率

横向对比不同年份相同季节的各个比辐射率区间的空间分布可以发现，虽然存在一定的差异，但在整体上具有一定的吻合度。例如在冬季，比辐射率的高值区域与低值区域很明显在一定程度上保持一致。为了能进一步探讨江汉平原区域比辐射率在季节上的变化规律，对各个季节的比辐射率图计算出均值，制作均值在不同季节变化的折线图（如图3）。

由图3可以看出，江汉平原区域比辐射率四季的均值整体维持在一个稳定的范围（0．972 0～0．976 0之间），3条曲线的变化呈现出一定的规律：无论是哪一年，曲线的波峰都是在春季和冬季，波谷都出现在夏季，秋季比辐射率值则都处在了夏冬两季的中间区域。夏季是我国地表温度达到最高值的时间段，江汉平原位于长江中下游区域，更是我国的高温区，但其比辐射率值却在四季中降到谷底，相反春冬两季地表温度低得多，其比辐射率值却上升到一定的高度，气温的变化或许对地物比辐射率的变化产生了一定的影响。

图3 江汉平原（2011～2013年）四季平均比辐射率变化曲线

比辐射率的变化也与环境因素的变化有关系。虽然冬季树木草地枯萎，农作物也收割完毕，本应随着裸地面积的增加比辐射率下降，但由于江汉平原是我国重要的农作物种植基地，农田在冬季一般都会进行灌水或者保持很高水分，使农田比辐射率表现出水的特征，而水具有很高的比辐射率，导致冬季比辐射率整体较高。到了夏季，随着农作物和植被的生长，下垫面产生了改变，江汉平原以农作物为主，从而比辐射率下降。

4 江汉平原不同土地覆被类型比辐射率变化分析

地表比辐射率除具有明显的波谱特征外[10]，其主要取决于植被覆被、土壤湿度、土壤纹理、矿物质组分以及冰雪[11]。不同的土地覆被类型是这些因素的综合反映结果。地表比辐射率随着土地覆被类型变化而改变，并与下垫面植被和土壤比例密切相关[12,13]。因此，为了更好地探讨江汉平原区域地表比辐射率的变化机理，将江汉平原土地类型分为城镇用地、耕地、林地、水域、草地和未利用地6大类，其中，耕地又分成水田和旱地2类，研究江汉平原区域不同的土地覆被类型对其比辐射率变化产生的影响。

由图4可以看出，耕地占江汉平原区域大部分面积，经统计达到了70%。所以将耕地分为水田和旱地2 类进行分析，能更加准确地对其变化规律进行判断。这里，水田指有水源保证和灌溉设施，在一般年景能正常灌溉，用以种植水稻、莲藕等水生农作物的耕地，包括实行水稻和旱地作物轮种的耕地；旱地指无灌溉水源及设施，靠天然降水生长作物的耕地，或有水源和浇灌设施，在一般年景下能正常灌溉的旱作物耕地，以及以种菜为主的耕地，正常轮作的休闲地和轮歇地。

图4 江汉平原土地分类图

水田和水域的比辐射率值最高；建设用地比辐射率值最低，且其波动最大；林地和草地的比辐射率值最为稳定；耕地的比辐射率值明显高于自然植被；各种地类的比辐射率月变化趋势一致，均在夏季出现波谷，秋季呈上升趋势，冬季有小幅的波动，春季最稳定。由于不同的土地利用类型的比辐射率表现出的波动性除了与自身组成物质的性质有关，还受人类活动影响，人类活动程度越大，其波动的程度越明显[14]，如图5所示。

通过耕地发现，在4月份有个升高的小趋势，这是由于农作物返青的原因。5月份降低，是因为冬季作物的收割。江汉平原大范围种植水稻，水稻种植时，稻田被水面覆盖，这些农用地会表现为水的特征。农用地的比辐射率在7、8月份有个急剧降低的过程，可能与夏季雨水多、云的影响，或夏季水汽含量高，蒸腾作用强等原因有关，需要进一步研究。

图5 江汉平原不同土地类型比辐射率变化

根据覃志豪等人研究成果，水体、植被、裸土和建筑的比辐射率分别可以用0．995、0．986、0．972 15和0．97来作为估计[15]。以此作为参考，可以发现MODIS Day/Light算法对水域的计算偏低，水体的比辐射率值基本小于农用地。整体在夏季值偏低，表现出较小的季节性。基于这种算法得到的比辐射率对土地类型比较敏感，各地类类型比辐射率值界限明显，但同一地类的比辐射率差异小。农作物在不同生长期变化大，特别是水稻种植，稻田被水面覆盖，表现为水的特征，与林地和草地相比，变化更大。因此MODIS Day/ Light 算法结果用来计算农用地比辐射率值以及温度会带来一定的误差。

5 结 语

江汉平原区域四季的平均比辐射率值具有一定的规律性：春季和冬季的平均比辐射率值最高，夏季最低，秋季比辐射率值在夏冬两季的中间区域。MODIS Day/ Light算法得出的比辐射率对土地类型比较敏感，但表现出较小的季节性。对于大面积农用地来说，农作物在不同生长期变化大，MODIS Day/Light 算法得到的MODIS 6 km产品可以大面积获取地表比辐射率，大尺度监测地球温度信息，其影像和产品意义重大，但MODISC3产品的分辨率低，只能满足全球范围的温度估计与分析，对于区域范围的比辐射率的反映不够灵敏。因此，建立不同地表下垫面比辐射率遥感反演算法具有十分重要的意义。

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P237.9

B

1672-4623（2015）05-0069-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.05.023

李朋泽，硕士，主要从事农业遥感和比辐射率遥感反演方面的研究。

2014-08-28。

项目来源：全球变化研究国家重大科学研究计划资助项目（2010CB950902）。