基于環(huán)境減災(zāi)小衛(wèi)星HJ＿1B的濟(jì)南市熱力空間格局演變

王其新

（山東師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南250000）

1 引言

近年來，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷深入，地表結(jié)構(gòu)也同時發(fā)生著變化。城市生活問題日益凸顯，其中，城市熱環(huán)境就是其中之一。人造地表表面不斷增加，建筑、道路等城市市政建設(shè)是主要城市結(jié)構(gòu)變化，從而城市地表溫度隨之變化，對居民生活和城市火災(zāi)安全問題都有著巨大的影響。研究城市地表溫度的變化對城市建設(shè)具有重要的意義。

本文采用2009年5月23日和2014年5月28日成像的減災(zāi)小衛(wèi)星HJ＿1B影像，來源中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心。在ENVI中進(jìn)行預(yù)處理，利用單窗算法，反演兩期地表溫度，在Fragstats軟件的支持下，將分形幾何學(xué)基本理論引入熱力景觀空間格局分析，借鑒景觀生態(tài)學(xué)研究方法，對濟(jì)南市熱力空間格局進(jìn)行定量研究分析。

2 單窗法及參數(shù)修正

QinZ等［1］針對Landsat TM／ETM＋給出了反演地表溫度的單窗算法，在參數(shù)允許誤差時，反演精度＜1.1℃，該方法具有所需反演參數(shù)少，精度高等特點。本文使用HJ＿1B的IRS第4波段（以下簡稱Band4波段），利用此算法反演濟(jì)南市地表溫度。根據(jù)單窗算法原理，對于 HJ＿1B的Band4波段，單窗算法公式表示為：

式中：a和b為系數(shù)；C＝ετ；D＝（1－τ）［1＋（1－ε）τ］，其中τ為大氣透過率，ε為地表發(fā)射率；T4為HJ＿1B的Band4的星上亮度溫度；T a為大氣平均作用溫度。

Landsat TM／ETM＋第6波段波長范圍為10.45～12.50［2］，而 HJ＿1B的 Band4波段的波長范圍為10.50～12.50［3］，兩者有微小差別，同時兩者成像的傳感器不同，為保證反演算法的科學(xué)性，因此用HJ＿1B的Band4反演地表溫度時，對公式（1）中的系數(shù)a和b進(jìn)行修正，大氣透過率的估算公式及地表發(fā)射率也需要重新確定。

2.1 系數(shù)a和b修正

單窗算法的理論推導(dǎo)過程中，a和b是對L與溫度的關(guān)系進(jìn)行線性模擬得到的系數(shù)，L有如下定于公式：

式中：B（T）溫度為T時對應(yīng)的熱輻射強(qiáng)度。根據(jù)Planck方程可知，黑體的熱輻射強(qiáng)度與溫度之間的關(guān)系可表示為如下：

式中：C1＝1.19104×108W·μm4·m－2sr－1，C2＝1.43877×104μm·K，λ（μm）為有效波長。Jimenez－Munoz等給出的有效波長計算公式計算出Band4的有效波長，計算公式如下：

式中：f（λ）為Band4的波普響應(yīng)函數(shù)，λ1和λ2分別為HJ＿1B的熱紅外波段的起始和終止波長。

根據(jù)HJ＿1B的熱紅外光譜響應(yīng)文件（中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心網(wǎng)站查詢），先在MATLAB中擬合出Band4的波普響應(yīng)函數(shù)（如圖1所示），結(jié)合式（4）計算出有效波長結(jié)果為11.4839μm，計算出的有效波長與Band4的中心11.50μm波長很接近。

利用計算出的有效中心波長，根據(jù)上述方程式（2）和方程式（3），在MATLAB中模擬出與溫度的關(guān)系，根據(jù)模關(guān)系結(jié)果表明參數(shù)與溫度有很好線性關(guān)系。根據(jù)這一特征，建立參數(shù)與溫度的關(guān)系如下：

圖1 HJ＿1B衛(wèi)星熱紅外波段波普響應(yīng)函數(shù)

最后，得到系數(shù)a和b修正結(jié)果。對于HJ＿1B衛(wèi)星熱紅外波段范圍內(nèi)系數(shù)a和b修正結(jié)果詳見表1。

表1 修正系數(shù)

2.2 大氣透過率τ的估算

研究表明，大氣透過率的變化主要取決于大氣水汽含量的冬天變化，其他因素因其變化不大而對大氣透過率的變化沒有顯著的影響。因此，大氣水汽含量的是估算大氣透過率的主要考慮因素。

段四波等［4］從TIGRS數(shù)據(jù)中選取1413條大氣廓線數(shù)據(jù)，在MODTRAN4中模擬大氣水汽含量與大氣透過率之間的關(guān)系，建立相關(guān)方程進(jìn)行大氣透過率的估算，給出了HJ＿1B熱紅外波段的大氣透過率近似估算方程式為：

其中：τ為大氣透過率；ω為大氣水汽含量。大氣水汽含量可以用楊景梅等［5］?給出的經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀傻孛嫠麎簭?qiáng)估算得到。

2.3 地表發(fā)射率的修正

在波段區(qū)間確定的情況下，比表比輻射率主要取決于地表物質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此本文將多光譜影像數(shù)據(jù)結(jié)合監(jiān)督分類以及波段運(yùn)算，最終將地表分為自然表面、城鎮(zhèn)、水體和裸地4種地表類型。同時為了確定各類地物在Band4波段的發(fā)射率，本文利用ENVI自帶的約翰·霍普金斯大學(xué)光譜庫，分別計算了水體、植被、裸地和人造表面在HJ＿1B衛(wèi)星熱紅外波段范圍的發(fā)射率均值，計算結(jié)果詳見表2。

自然表面、城鎮(zhèn)和裸地的地表反射率由覃志豪［6］等給出的算法結(jié)合表2計算而得。

2.4 大氣平均作用溫度的確定

在天氣比較晴朗的情況下，沒有明顯的大氣垂直旋渦作用條件下，可由近地面氣溫T0近似估算大氣平均作用溫度，譚志豪等［7］給出了大氣平均溫度與近地面氣溫T0在不同地域的關(guān)系，關(guān)系方程如下：

表2 HJ＿1B熱紅外波段范圍各類地表類型發(fā)射率

熱帶平均大氣：

中緯度夏季平均大氣：

中緯度冬季平均大氣：

本文利用濟(jì)南市2009年5月23日和2014年5月28日，兩期影像反演地表溫度分析比較，研究濟(jì)南市近幾年來地表溫度演變。根據(jù)濟(jì)南市經(jīng)緯度可知，本文將采用中緯度夏季平均大氣公式（12）估算大氣平均作用溫度。

3 基于修正模型下的濟(jì)南市地表溫度反演

3.1 研究區(qū)概況

濟(jì)南市四季分明，日照充分，年平均氣溫14℃，最高氣溫記錄為42.7℃，最低氣溫約為27℃。年平均降水量達(dá)665.7 mm，無霜期可達(dá)220 d左右。

濟(jì)南市地勢起伏，南高北低，南部為山區(qū)地區(qū)，山脈多為東西走向，中部為前平原地區(qū)，北部為臨黃平原地區(qū)。市區(qū)內(nèi)有河湖眾多，河流主要包括小清河、黃河、玉符河、南北大沙河等水系；湖泊主要有白云湖、大明湖和東平湖等湖泊；此外還有臥虎山、錦繡川等大型水庫。包括市中區(qū)、歷下區(qū)、章丘市、長清區(qū)、平陰縣等十個縣級地區(qū)。

3.2 濟(jì)南市地表溫度反演

本文利用2009年5月23日和2014年5月28日兩期減災(zāi)環(huán)境衛(wèi)星HJ＿1B影像數(shù)據(jù)，反演濟(jì)南市地表溫度。從中國氣象網(wǎng)（http：／／data.cma.cn）查詢衛(wèi)星當(dāng)天過境時間濟(jì)南市的水汽壓，結(jié)合大氣水汽含量經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，估算出大氣水汽含量，利用衛(wèi)星過境時間的近地面溫度作為地面溫度，再由公式（6）、公式（12）分別計算大氣透過率和大氣平均作用溫度，水汽壓、地面溫度、大氣透過率及大氣平均作用溫度詳見表3。

表3 大氣透過率與大氣平均作用溫度值

利用上述參數(shù)及公式（1），最終反演得到濟(jì)南市2009年5月23和2014年5月28兩期地表溫度，如圖2、圖3所示。

3.3 精度驗證

圖2 2009年反演地表溫度結(jié)果

圖3 2014年地表溫度反演結(jié)果

由于缺乏過境時的濟(jì)南市地表實測溫度，因此本采用模擬數(shù)據(jù)對修改后的單窗算法進(jìn)行進(jìn)度的驗證評價?；贛ODTRAN模型模擬地表溫度分別為20℃、30℃和40℃，大氣水汽含量分別為1.0、1.5、2.0和2.5 g·cm－2時衛(wèi)星傳感器接受到的輻射值，通過Planck函數(shù)計算得到亮度溫度，然后再根據(jù)修正模型反演得到地表溫度，將該溫度與模擬地表溫度數(shù)據(jù)的絕對值作為反演誤差。模擬結(jié)果如表4所示。

表4 模擬驗證結(jié)果

從表4中可以看出，對于本文假定的模擬方法，最小誤差為0.05℃，最大誤差為2.34℃。平均誤差為0.86℃，說明理論上修正的單穿算法有較好的精度。

4 濟(jì)南市熱力空間格局演變分析

4.1 溫度區(qū)間劃分及熱力景觀參數(shù)

將兩期反演地表溫度的結(jié)果（分別記為）按取整后每隔5℃的劃分方式對溫度差進(jìn)行溫度區(qū)間劃分，按照溫度區(qū)間劃分對溫度差進(jìn)行重分類。然后將兩期反演地表溫度做溫度差，即（溫度差區(qū)間為－4.23～14.56℃），同樣利用上述溫度劃分方法（圖4）。

利用Fragstats軟件對重分類結(jié)果分析，提取斑塊信息，包括斑塊數(shù)、斑塊面積，再表5評價指標(biāo)［8］。

4.2 熱力景觀演變分析

熱力景觀指數(shù)詳見表5～表7。表5為將2009年和2014年對比，比較2014年出現(xiàn)局部高于45℃的高溫地區(qū)，這也可從破碎度升高可以反應(yīng)，濟(jì)南市熱力景觀類型增加。2009年大部分地區(qū)溫度集中在25～35℃，比例高達(dá)91.74%，而到了2014年主要集中在30～40℃?？蓮谋?中看出，濟(jì)南市2009年至2014年絕大部分地區(qū)溫度為上升趨勢，溫度增加在0～10℃范圍內(nèi)，商河縣地區(qū)為下降趨勢，這與近幾年來商河縣大規(guī)模植樹造林有關(guān)。少數(shù)地區(qū)溫度上升在10℃以上，由圖4可以看出，主要集中在山區(qū)地區(qū)，這是山地植被覆蓋減少的原因。

圖4 地表溫差分類圖

溫度差優(yōu)勢度為0.2949，這與0～10℃之間的兩類斑塊占據(jù)優(yōu)勢的熱力景觀類型有關(guān)。

表5 景觀格局指數(shù)

結(jié)合圖2與圖3對比可知，濟(jì)南市植被覆蓋大面積減少、城市擴(kuò)區(qū)、人造地表建筑增加、山區(qū)開礦，再加上近幾年來溫室效應(yīng)結(jié)果，是導(dǎo)致濟(jì)南市地表溫度普遍升高的主要原因。

表6 熱力景觀斑塊統(tǒng)計及景觀指數(shù)

表7 溫度差熱力景觀斑塊統(tǒng)計及景觀指數(shù)

5 結(jié)語

從2009年至2014年5年間，濟(jì)南市建成區(qū)向東、南擴(kuò)展，地表類型的改變致使熱力景觀類型發(fā)生較大的改變。無論從斑塊的數(shù)據(jù)上還是指數(shù)上，這都與城市化擴(kuò)展具有一致性，因此從熱力景觀研究分析的層面，對于直接分析城市溫度變化研究和間接研究城市結(jié)構(gòu)有一定的有效性。

HJ＿1B環(huán)境小衛(wèi)星熱紅外波段分辨率為150 m，可見光也只有30 m，進(jìn)行的空間重采樣，精度上有一定的影響。對于熱力景觀分析研究不夠充分深入，在以后的研究將繼續(xù)改進(jìn)和深入。

［1］Qin Z，Karnieli A，Berliner P，A Mono－window Algorithm for Retrieving Land Surface Temperature from Landsat TM Date and Its Application to the Israce－Egypt Border Region［J］.In－ternation－al Journal of Remoto Sensing，2001，22（18）：3719～3746.

［2］USGS.Landsat（LDCM）History［EB／OL］.http：／／usgs.gov／about＿ldcm.php，2015－8－5.

［3］CASC.Instraction of HJ－1－A、B［EB／OL］.http：www.cresda.com，2015－8－25.

［4］段四波，閻廣建，錢永剛.利用HJ＿1B模擬數(shù)據(jù)反演地表溫度的兩種單通道算法［J］.自然科學(xué)進(jìn)展，2008，9（18）：1001～1008.

［5］楊景梅，邱金桓.利用地面濕度參量計算我國整層大氣可降水量及有效水汽含量方法的研究［J］.大氣科學(xué)，2002，1（26）：9～22.

［6］覃志豪，李文娟，徐 斌.陸地衛(wèi)星TM6波段范圍內(nèi)地表比輻射量的估計［J］.國土資源遙感，2002（3）：29～37.

［7］覃志豪，李文娟，張明華，等.單窗算法的大氣參數(shù)估計方法［J］.國土資源遙感，2003，15（2）：37～43.

［8］鄔建國.景觀生態(tài)學(xué)—格局、過程、尺度與等級［M］.北京：高等教育出版社，2011：107～116.