基于遙感的地表溫度反演及城市熱環境研究

(成都理工大學地球科學學院　四川　成都　610059)

一、研究背景及意義

目前城市熱環境是城市環境的主要因素之一，在城市空氣質量、公共健康、能源消耗等方面產生深遠的影響，城市生態質量的好壞直接關系到人們的生活質量、健康指數以及一個國家的經濟發展。因此，城市熱環境的研究不僅可以充分了解城市空間結構和城市發展規模，而且還能引導城市生態環境的可持續發展，為改善人類居住區的環境質量提供重要依據。

二、研究區概況

南昌市位于江西中部偏北，贛江、撫河下游，鄱陽湖西南岸，南昌市屬于江西省省會。在東經115°27'至116°35'、北緯28°10'至29°11'之間。與永修、都昌、鄱陽三縣共鄱陽湖，南北最大縱距約121公里，東西最大橫距約108公里。南昌市平均海拔22m，總面積為7402.36平方公里，南昌市年平均氣溫17℃-17.7℃。年降雨量1600-1700mm，降水日為147-157天，年平均暴雨日5.6天，年平均相對濕度為78.5%。南昌市由兩個市轄區、新建縣(2015年8月，國務院正式批復了南昌市部分行政區劃調整方案，同意撤銷新建縣，設立南昌市新建區)，以及南昌縣、進賢縣、安義縣組成，本文以這3個縣、2個市轄區及新建縣為研究對象[1]。

三、數據來源與數據預處理

(一)數據來源

目前國內外用于地表溫度及大氣參數反演的主要遙感數據源有NOAA衛星搭載的AVHRR數據、Landsat衛星的TM/ETM/OLI_TIRS和TERRA衛星搭載的MODIS、ASTER傳感器數據等。在本文中，為了保證不同年份的地表溫度具有可比性，最終選取了2001年10月20日、2009年10月26日的Landsat5TM和2014年10月8日Landsat8OLI_TIRS的遙感影像作為了數據源。

(二)數據預處理

本文遙感圖像主要用于研究區的地表溫度反演、土地覆蓋分類等工作。采用軟件進行預處理主要有：輻射定標、大氣校正、圖像裁剪等。

1.數據讀取與定標。使用Landsat定標工具可以將LandsatTM5或OLI_TIRS的DN值轉換成輻射亮度值或表觀大氣反射率。通過打開影像的TXT頭文件進行數據讀取并進行輻射定標。

2.大氣校正。大氣校正的目的是消除大氣及光照等因素對地物反射的影響，獲得地物反射率、輻射率、地表溫度等真實物理模型參數。

3.裁剪工程區。將大氣校正后的數據進行區域裁剪，首先要獲取南昌市區域的邊界矢量數據，然后利用矢量數據進行區域裁剪。

(三)地表溫度反演

陸地表面溫度是指太陽的熱能被輻射到達地面后，一部分被反射，一部分被地面吸收，從而使地面增熱，對地面的溫度進行測量后得到的溫度；是地表與大氣之間能量交換的重要影響因子，綜合了地氣之間相互作用過程中物質與能量交換的結果。地表溫度反演對于城市熱環境具有十分重要的研究價值[2]。

地表溫度反演方法主要有：輻射傳導方程法(大氣校正法)、單窗算法和單通道法。本文運用輻射傳輸方程法(大氣校正法)對地表溫度進行反演。該方法需要進行大氣校正，消除大氣層對地表輻射能量的影響，并利用熱紅外波段范圍內的地表比輻射率作為參數，反演出地表的真實溫度[3]。

四、南昌市地表溫度特征分析

根據反演數據得出，反演溫度最小值從2001年到2009年相差4.28℃、2009年到2014年相差4.76℃；反演溫度最大值相差分別為0.33℃、4.63℃；反演溫度平均值相差4.62℃、9.39℃。從2001年到2014年這13年間，市區常住人口增加了81.66萬；市區人口的快速增長增加了對住房、道路交通和公共場所的需要，因此城市建成區也相應的增長了，在13年里建成區面積增加了182平方公里，2001年到2014年，南昌市高溫呈現明顯上升趨勢，且變化幅度較大，主要是由于南昌市經濟的快速發展，導致大量人口涌入，從而使得南昌市建成區面積增大，建成區改變了原有地表結構，建筑、道路所用材料都是一些比熱容小，在太陽照射下溫度升高很快的材料，因此在這13年間地表高溫區呈顯著上升。

對南昌市熱環境進行劃分，2001年到2009年，低溫區與中溫區面積所占比例有所增加，高溫區、次中溫區與次高溫區則有所減少。2001年到2009年中溫區增加明顯，2001年所占百分比為42.72%，2009年達到45.72%，主要變化區在進賢縣和新建縣的一部分地區，新建縣北部地區的河流部分出現了裸露沙地現象，導致溫度上升。2001年到2009年高溫區有所減少，減少比例不大，2001年為14.81%，2009年為14.48%，主要變化區為進賢縣高溫區減少，通過遙感影像可知進賢縣大部分地區為裸土區，該地區地表覆蓋在2009年有了明顯的變化，從而降低了地表溫度。

2009年到2014年，中溫區下降明顯，從2009年45.72%到2014年38.33%，主要是由于新建縣部分地區地表覆蓋發生變化以及新建縣北部地區的裸露沙地現象消失，導致溫度降低。次中溫區面積明顯增加，2009年所占比例為12.61%，到2014年為18.19%，主要是由于南昌縣與新建縣北部地區植被覆蓋發生變化。高溫區面積也有所增加，較2009年增加了1.41%，該溫度區增加主要是由于城市中心經濟的快速發展，導致南昌市市轄區2及鄰近市轄區的新建縣建筑面積增大，導致熱量增加。

五、主要結論

本文以南昌市為例，利用GIS和RS技術，通過輻射傳導方程法(大氣校正法)對2001年10月20日、2009年10月26日以及2014年10月8日三幅影像進行地表溫度反演，通過對城市地表溫度分析、城市熱環境分析以及地表溫度與土地覆蓋的相關分析，得到以下結論：

(1)以Landsat數據為數據源，選取南昌市為研究區，在遙感軟件ENVI環境下通過對地表比輻射率、幅亮度參數的推導反演地表溫度，從反演結果來看，利用輻射傳導方程法進行地表溫度反演是可行的。結果表明，南昌市2001年到2009年地表高溫區呈顯著上升；并且，南昌市市轄區2和新建縣地表溫度明顯高于南昌市其他地區，在2001年至2014年由于經濟的發展，城市建設用地大幅增加，導致地表溫度上升較明顯。

(2)本文通過標準化方法將地表溫度劃分為低溫區、次中溫區、中溫區、次高溫區、高溫區。結果表明，南昌市2001年至2014年間，各溫度區面積變化明顯，其中低溫區與高溫區所占面積呈現升高現象，主要是由于城市地表覆蓋類型發生了明顯的變化，城市高溫區由周圍地區逐漸往中心城區聚攏。