基于遥感的地表温度反演及城市热环境研究

　

(成都理工大学地球科学学院　四川　成都　610059)

一、研究背景及意义

目前城市热环境是城市环境的主要因素之一，在城市空气质量、公共健康、能源消耗等方面产生深远的影响，城市生态质量的好坏直接关系到人们的生活质量、健康指数以及一个国家的经济发展。因此，城市热环境的研究不仅可以充分了解城市空间结构和城市发展规模，而且还能引导城市生态环境的可持续发展，为改善人类居住区的环境质量提供重要依据。

二、研究区概况

南昌市位于江西中部偏北，赣江、抚河下游，鄱阳湖西南岸，南昌市属于江西省省会。在东经115°27'至116°35'、北纬28°10'至29°11'之间。与永修、都昌、鄱阳三县共鄱阳湖，南北最大纵距约121公里，东西最大横距约108公里。南昌市平均海拔22m，总面积为7402.36平方公里，南昌市年平均气温17℃-17.7℃。年降雨量1600-1700mm，降水日为147-157天，年平均暴雨日5.6天，年平均相对湿度为78.5%。南昌市由两个市辖区、新建县(2015年8月，国务院正式批复了南昌市部分行政区划调整方案，同意撤销新建县，设立南昌市新建区)，以及南昌县、进贤县、安义县组成，本文以这3个县、2个市辖区及新建县为研究对象[1]。

三、数据来源与数据预处理

(一)数据来源

目前国内外用于地表温度及大气参数反演的主要遥感数据源有NOAA卫星搭载的AVHRR数据、Landsat卫星的TM/ETM/OLI_TIRS和TERRA卫星搭载的MODIS、ASTER传感器数据等。在本文中，为了保证不同年份的地表温度具有可比性，最终选取了2001年10月20日、2009年10月26日的Landsat5TM和2014年10月8日Landsat8OLI_TIRS的遥感影像作为了数据源。

(二)数据预处理

本文遥感图像主要用于研究区的地表温度反演、土地覆盖分类等工作。采用软件进行预处理主要有：辐射定标、大气校正、图像裁剪等。

1.数据读取与定标。使用Landsat定标工具可以将LandsatTM5或OLI_TIRS的DN值转换成辐射亮度值或表观大气反射率。通过打开影像的TXT头文件进行数据读取并进行辐射定标。

2.大气校正。大气校正的目的是消除大气及光照等因素对地物反射的影响，获得地物反射率、辐射率、地表温度等真实物理模型参数。

3.裁剪工程区。将大气校正后的数据进行区域裁剪，首先要获取南昌市区域的边界矢量数据，然后利用矢量数据进行区域裁剪。

(三)地表温度反演

陆地表面温度是指太阳的热能被辐射到达地面后，一部分被反射，一部分被地面吸收，从而使地面增热，对地面的温度进行测量后得到的温度；是地表与大气之间能量交换的重要影响因子，综合了地气之间相互作用过程中物质与能量交换的结果。地表温度反演对于城市热环境具有十分重要的研究价值[2]。

地表温度反演方法主要有：辐射传导方程法(大气校正法)、单窗算法和单通道法。本文运用辐射传输方程法(大气校正法)对地表温度进行反演。该方法需要进行大气校正，消除大气层对地表辐射能量的影响，并利用热红外波段范围内的地表比辐射率作为参数，反演出地表的真实温度[3]。

四、南昌市地表温度特征分析

根据反演数据得出，反演温度最小值从2001年到2009年相差4.28℃、2009年到2014年相差4.76℃；反演温度最大值相差分别为0.33℃、4.63℃；反演温度平均值相差4.62℃、9.39℃。从2001年到2014年这13年间，市区常住人口增加了81.66万；市区人口的快速增长增加了对住房、道路交通和公共场所的需要，因此城市建成区也相应的增长了，在13年里建成区面积增加了182平方公里，2001年到2014年，南昌市高温呈现明显上升趋势，且变化幅度较大，主要是由于南昌市经济的快速发展，导致大量人口涌入，从而使得南昌市建成区面积增大，建成区改变了原有地表结构，建筑、道路所用材料都是一些比热容小，在太阳照射下温度升高很快的材料，因此在这13年间地表高温区呈显著上升。

对南昌市热环境进行划分，2001年到2009年，低温区与中温区面积所占比例有所增加，高温区、次中温区与次高温区则有所减少。2001年到2009年中温区增加明显，2001年所占百分比为42.72%，2009年达到45.72%，主要变化区在进贤县和新建县的一部分地区，新建县北部地区的河流部分出现了裸露沙地现象，导致温度上升。2001年到2009年高温区有所减少，减少比例不大，2001年为14.81%，2009年为14.48%，主要变化区为进贤县高温区减少，通过遥感影像可知进贤县大部分地区为裸土区，该地区地表覆盖在2009年有了明显的变化，从而降低了地表温度。

2009年到2014年，中温区下降明显，从2009年45.72%到2014年38.33%，主要是由于新建县部分地区地表覆盖发生变化以及新建县北部地区的裸露沙地现象消失，导致温度降低。次中温区面积明显增加，2009年所占比例为12.61%，到2014年为18.19%，主要是由于南昌县与新建县北部地区植被覆盖发生变化。高温区面积也有所增加，较2009年增加了1.41%，该温度区增加主要是由于城市中心经济的快速发展，导致南昌市市辖区2及邻近市辖区的新建县建筑面积增大，导致热量增加。

五、主要结论

本文以南昌市为例，利用GIS和RS技术，通过辐射传导方程法(大气校正法)对2001年10月20日、2009年10月26日以及2014年10月8日三幅影像进行地表温度反演，通过对城市地表温度分析、城市热环境分析以及地表温度与土地覆盖的相关分析，得到以下结论：

(1)以Landsat数据为数据源，选取南昌市为研究区，在遥感软件ENVI环境下通过对地表比辐射率、幅亮度参数的推导反演地表温度，从反演结果来看，利用辐射传导方程法进行地表温度反演是可行的。结果表明，南昌市2001年到2009年地表高温区呈显著上升；并且，南昌市市辖区2和新建县地表温度明显高于南昌市其他地区，在2001年至2014年由于经济的发展，城市建设用地大幅增加，导致地表温度上升较明显。

(2)本文通过标准化方法将地表温度划分为低温区、次中温区、中温区、次高温区、高温区。结果表明，南昌市2001年至2014年间，各温度区面积变化明显，其中低温区与高温区所占面积呈现升高现象，主要是由于城市地表覆盖类型发生了明显的变化，城市高温区由周围地区逐渐往中心城区聚拢。