基于Landsat TM 數據的祁連縣地表溫度反演

楊揚　王慶丹

摘 要：以青海省祁連縣為研究對象，利用覃志豪單窗算法對2009年7月遙感影像數據進行地表溫度反演，將反演結果進行等間距分類后得到地表溫度等級圖。研究結果表明：單窗算法可以對天山山區地表溫度進行有效反演，具有一定可靠精度。不同的土地利用方式對地表溫度具有不同的影響，其中建設用地溫度明顯偏高具有熱島效應。

關鍵詞：Landsat TM；地表溫度；祁連縣

地表溫度（Land Surface Temperature，LST）是研究地表與大氣之間輻射和能量通量傳輸的重要參數[1]。在我國西北干旱區，融雪徑流是水資源的重要補給來源[2]，而山區地面溫度是影響融雪徑流的重要因子，它對該區域的水文研究具有重要意義[3]。利用衛星遙感技術反演的大面積地表溫度信息已被廣泛地應用在農作物估產、作物長勢和農業旱情監測等方面，而地表溫度的反演精度直接影響到遙感技術在農業上應用的效果[4]。

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，利用衛星熱紅外傳感器獲取大范圍地表溫度是有效的途徑之一[5]。隨著遙感衛星空間分辨率和光譜分辨率的發展，當前，MODIS、AVHRR、TM、ETM+等都是地表溫度空間分布遙感反演的重要數據來源[3]。Landsat TM是一種非常重要的反演地表溫度的數據，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。

1 研究區概況及數據準備

1.1 研究區概況

祁連縣位于青海省東北、海北藏族自治州的西北部，地處祁連山中段。東與門源縣、大通縣接壤，南與海晏縣、剛察縣相連，西與天峻縣為鄰，北及西北與甘肅省酒泉市、肅南縣、民樂縣、山丹縣為界。地理坐標為98°05'35"E-101°02'06"E，37°25'16"N-39°05'18"N，平均海拔3500m。縣境沿祁連山南麓呈北西-南東向的不規則長條形，南北寬約185km，東西長約280km。總面積14781km2，占青海省總面積的2.05%，海北藏族自治州總面積的43%。祁連縣地處高寒山區，屬大陸性高寒山區氣候。寒冷期長，四季難分，其降水主要集中于5-9月份。中山下部屬半干旱草原氣候，年均溫2-5℃，年降水量250-300mm。中山上部為半濕潤森林草原氣候，年均溫0-1℃，年降水量400-500mm、亞高山和高山屬寒冷濕潤氣候，年均溫-5℃左右，年降水量約為800mm[6]。

1.2 數據來源及預處理

研究中所使用的遙感影像為Landsat-5TM影像，下載地址為美國地質勘探局網站（USGS），網址為http：//glovis.usgs.gov/。考慮到影像的覆蓋范圍及成像時間，選用了可以覆蓋祁連縣大部分區域的Landsat-5TM影像，其影像分辨率為30m，影像軌道號為P134R033，成像日期為2009年7月17日，成像時間為北京時間11：50am，影像云覆蓋率為0.35%。

在使用衛星資料時，需要對其進行幾何精校正，并且將其重采樣到30m的像元分辨率，然后裁剪出研究區域。對研究區域進行輻射定標、大氣校正以及地形校正，以獲得較為準確的地表反射率。

2 研究方法

由于Landsat TM僅有一個熱紅外波段，所以文章主要根據覃志豪等[7]推導出的單窗算法反演研究區的地表溫度。首先對TM熱紅外波段按照下式求算衛星高度的像元亮溫值（Ts）：

Ts=[a6（1-C6-D6）+[b6（1-C6-D6）+C6+D6] T6-D6Ta]/C6 公式（1）

式中，Ts為地表真實溫度（K）；Ta為大氣平均作用溫度（K）；Ta利用覃志豪經驗公式，計算得到Ta=-16.0110+0.92621T0，a6、b6為常量，一般情況下，取值a6=-67.355351，b6=0.458606；C6和D6是中間變量，可由C6=？著6？子6、D6=（1-？著6）[1+（1-？著6）？子6]計算得到。T0為地面附近的氣溫（K），？著6為地表輻射率，可由歸一化植被指數NDVI進行估算[8]；？子6為大氣透射率，由水汽含量換算而得。

3 結果與分析

利用單窗算法，在ArcGIS10.0支持下，反演出研究區域2009年7月17日的地表溫度。由圖1可以看出，地表溫度與地形地貌之間有著密切關系，溫度較低區域分布在研究區北部、中部和南部等邊緣地帶，與山體走向基本一致，呈帶狀分布，普遍在0℃以下。溫度較高區域分布縣城及周邊建筑用地區域，普遍溫度高于28℃，總的來看，祁連縣的地表溫度分布表現為連續漸變性。但從變化梯度上看，也表現出與地形地貌相一致的條帶區域性。

由于祁連縣的地表覆蓋類型多為植被，其下墊面介質的反射率比水體的反射率小，能吸收更多的太陽輻射。其中裸土裸巖地帶，植被覆蓋度低，土壤含水量少，用于蒸發消耗的熱量少，這些因素促使綠洲周圍的荒漠地表溫度比植被、水體等下墊面溫度高，從而呈現沿中心逐漸向四周增高的分布規律，表現出植被有較好的降溫效應。通過計算發現研究區下墊面溫度主要集中在-6～46℃，其中，冰川、水體溫度在-6～13℃，表現為低溫區；耕地、草地及林地的地表溫度主要集中分布于13～28℃，變現為中溫區，而城鄉居住建設用地及裸土裸巖分布區域的地表溫度則絕大多數高于28℃，局部的地表溫度達到40℃以上，為高溫分布區，表現出較為明顯的熱島效應。

4 結束語

使用2009年7月17日的 TM 數據反演祁連縣的地表真實溫度，研究區內溫度總的分布既表現出連續漸變性，但從變化梯度上看，也表現出與地形地貌相一致的條帶區域性。這說明反演結果較為合理，精度可以被接受。

地表溫度隨海拔的增高而降低，不同的土地利用方式對地表溫度的影響不同，其中建設用地具有熱島效應，從而溫度明顯偏高。植被蓋度程度和覆蓋類型對地表輻射的影響也不相同，從而也造成地表溫度不同的分布。

隨著祁連山區地區城鎮化建設的發展，人類活動的不斷增強，祁連縣的土地利用覆蓋方式的多樣化，植被狀況對地表溫度的影響作用也不斷變化，作為生態脆弱區，合理布局和發展城鎮建設并注重植被的保護，對綠洲的可持續發展具有重要意義。

參考文獻

[1]趙靜，宮阿都，徐捷.國內外城市熱島研究進展[J].自然災害學報，2008，17（6）：64-67.

[2]房世峰，裴歡，劉志輝，等.遙感和GIS支持下的分布式融雪徑流過程模擬研究[J].遙感學報，2008，12（4）：655-662.

[3]王建，沈永平，魯安新，等.氣候變化對中國西北地區山區融雪徑流的影響[J].冰川凍土，2001，23（1）：28-33.

[4]白潔，劉紹民，扈光.針對TM/ETM+遙感數據的地表溫度反演與驗證[J].農業工程學報，2008，24（9）：148-154.

[5]劉朝順，高煒，高志強，等.基于ETM+遙感影像反演不同土地利用類型地表溫度的研究[J].南京氣象學院學報，2008，31（4）：503-510.

[6]海顯侖，馬生林.祁連縣志[M].甘肅：甘肅人民出版社，1993.