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绿洲与周边荒漠的地表温度差异的时序变.rar

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    绿洲 周边 荒漠 地表 温度 差异 时序
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    编号:08009210337南阳师范学院 2012 届毕业生毕业论文(设计)题 目: 绿洲与周边荒漠地表温度差异的时序变化完 成 人: 曹玉平 班 级: 2008-03 学 制: 4 年 专 业: 地理信息系统 指导教师: 戚鹏程 完成日期: 2012-3-31 目 录摘要 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (1)引言 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (1)1 文献综述 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (2)2 研究区域概况 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (2)3 研究区域概况研究方法 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (3)3.1 基于 MODIS 温度产品的 LST 获取∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (3)3.2 基于 Landsat TM 波段的地表温度(LST)获取 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (3)4 结果与分析 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (5)4.1 LST 的时间变化 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (6)5 讨论5.1 地表温度与植被状况的关系 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (7)5.2 绿洲冷岛效应对农业气候的意义 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (8)6 结论 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (8)参考文献 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (9)Abstract ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (10)绿洲与周边荒漠的地表温度差异的时序变化作 者:曹玉平指导老师:戚鹏程摘要:本文以外流河绿洲卫宁平原为例,利用 MODIS 卫星遥感数据探索绿洲与其外围区域 LST 差异程度的时间变化规律。结果显 示:1)绿洲与外围区域间地表温度差异存在显著的时段是 4 月中旬至 10 月上旬;而此时段之外绿洲与外围区域间不存在显著的地表温度差异; 2)绿洲的“冷岛” 结构造成了绿洲周围荒漠非常大势力差异,这会在绿洲和临近荒漠之间形成局地势力环流。关键词:绿洲;地表温度;MODIS;landsat TM;归一化植被指数(NDVI)引 言地表温度是地球表面能量传输的重要因子,是地-气间相互作用及能量交换的关键参数,在气候、水文、农业、生态以及环境等研究中重要意义。地表温度的时空变化在一定程度上影响了水分、热量等条件的变化,并进而对位于其中的人类社会以及生产生活产生了影响。MODIS 它包含 36 个波段,分别针对陆地、海洋、水汽、气溶胶等来设计的。MODIS 的第 31 和 32 波段和 TM 的第 6 波段常被用来反演地表温度。MODIS 地面分辨率分别为 250m、500m、1000m,因此 MODIS 适用于反映大区域地表温度的空间分布规律。 绿洲是自然界一种独特的地理区域类型 [1,2],并在全球广泛分布。它是人类文明发祥地的重要组成部分。绿洲是自然界唯一能抗御干旱气候环境的特殊生态环境系统之一。由于绿洲对自然界水资源和光热能源的巧妙组合,使其拥有了得天独厚的生态技能和生产效率。并且绿洲生态系统在对抗干旱气候环境的过程中, “绿洲效应”在某些方面也发挥了比较重要的作用。也正因为如此,我国西北地区面积不到 5%的绿洲哺育着该地区的 95%以上的人口。正是绿洲内有了人类活动,逐步完善了绿洲的灌溉系统、改进了绿洲的植被类型、健全了绿洲的林网系统才使绿洲的结构更加合理生态能力更强。但人类活动对绿洲是双刃剑,它既创造了绿洲的辉煌也断送了绿洲的未来。譬如人类对绿洲相关区域环境的干预(如山区涵养林的破坏)以及全球范围内的人类活动引起的全球变暖所造成的山区冰雪融化和荒漠化扩大等。而通过对绿洲的小气候特征分析,发现存在一种“绿洲冷岛效应” [3,4] 。而这种绿洲冷岛效应是由于绿洲下垫面热力性质与沙漠不同造成的。本文尝试从以往研究成果中概括和提炼出绿洲在地理和气候效应方面的一些本质特性。近年来,随着遥感技术的快速发展,国内不少学者在地表温度研究领域有了一定的成果并广泛的应用在一些研究领域,如预测森林火灾、作物的长势、农田旱情监测、生态评估和城市环境监测等方面。Gallo 等人分析了 NDVI 与利用遥感数据反演的地表温度之间的关系;戚鹏程、覃志豪、白洁、孟宪红等人利用 Landsat TM 的热红外数据反演得到地表温度来研究土地利用变化与地表温度的关系 [5-8] 。高志强、苏伟忠等人利用遥感分类和定量反演技术,提取两期土地利用/土地覆盖(LUCC)信息和对应的地表温度信息 [9,10] 。1 文献综述近年来, 随着遥感技术的快速发展,国内不少学者利用 MODIS 等卫星遥感资料进行的 NDVI 和 LST 变化及应用方面的研究领域有了一定的成果并广泛的应用在一些研究领域,如预测森林火灾、作物的长势、农田旱情监测、生态评估和城市环境监测等方面,从而为防灾减灾提供了重要的参考依据。Gallo 等人分析了 NDVI 与利用遥感数据反演的地表温度之间的关系;戚鹏程、覃志豪、白洁、孟宪红等人利用 Landsat TM 的热红外数据反演得到地表温度来研究土地利用变化与地表温度的关系。高志强、苏伟忠等人利用遥感分类和定量反演技术,提取两期土地利用/土地覆盖(LUCC)信息和对应的地表温度信息。刘慧敏等对 MODIS 与 AVHRR 数据的植被变化检测进行了比较。何彬方 [11]等利用 MODIS NDVI 对卫宁平原土地覆盖进行了分类研究。Price(1984) [12]最先把分裂窗算法推广到陆地面积的反演,他通过引入比辐射率改正项来减少因陆地表面比辐射率变化而引起的误差。Beeker(1987)从理论上证明了用分裂窗技术反演地表温度的可行性,并且第一次从理论上给出了使用分裂窗技术时的大气和比辐射率对地表温度反演的影响。由于自然界绿洲的千差万别,对绿洲给出一个能高度概括其共性的科学定义在理论研究方面是很有重要意义的。有几个学者从不同的角度给绿洲做了一些定义。比较有概括在干旱性的在我国有韩德麟给出的“绿洲是干旱地区人类对特殊自然环境的生态、景观。”在西方有张强等人给出的“绿洲是荒漠中的稠密植被的地方” [3] 。贾保全曾提出绿洲是在干旱气候条件下形成的在荒漠背景基质上以天然径流为依托小尺度非地带性景观。在本文利用 MODIS 遥感数据,对卫宁平原地面温度的季节和空间分布特征进行了详尽分析。利用卫星资料进行的区域性NVDI 和 LST 变化及其应用方面的研究已取得较多进展,在农业生产和布局、生态系统、地表资源环境进行宏观、大范围、动态连续监测和研究中得到广泛应用,从而为减灾提供重要参考依据 [13,14]。2 研究区域概况卫宁平原位于北纬 35°14'-39°23'、 东经 104°17'-107°39'之间,处在中国西部的黄河上游地区,展布于黑山峡至青铜峡间黄河干流的两侧。宁夏东邻陕西省,西部、北部接内蒙古自治区,南部与甘肃省相连。自古以来就是内接中原,西通西域,北连大漠,与其东北的银川平原共同组成宁夏平原。长期以来,人类在此汲取黄河水灌溉农田,形成了人工绿洲(下简称卫宁绿洲) ,成为宁夏的重要粮食产区。卫宁绿洲西北侧为腾格里沙漠,分布着以格状沙丘为主的多种沙丘。地貌复杂,山地迭起,盆地错落,大体可分为:黄土高原,鄂尔多斯台地,洪积冲积平原和六盘山、罗山、贺兰山南北中三段山地。平均海拔 1000m 以上。按地表特征,还可分为南部暖温带平原地带,中部中温带半荒漠地带和北部中温带荒漠地带。全区从南向北表现出由流水地貌向风蚀地貌过渡的特征。部分地表已发生沙化。气候为大陆兼沙漠性气候,据 1961-1990 年站点资料,年均日照时数 2878 h,年均气温 8.5 ℃,≧10 ℃积温 3319 ℃,年均降水量仅 182 mm,年均蒸发量达 3001 mm。本文研究区包括卫宁绿洲及其外围区域(绿洲周边 15km 的环形区 域 ) 。3 研究区域概况研究方法3.1 基于 MODIS 温度产品的 LST 获取使用 MODIS 3 级产品(MOD11A2)获取年内多时间点上的 LST 信息。从 2002 年的 MOD11A2 数据集中得到“8 日平均合成”LST 图像47 幅。由于云对热红外成像过程的影响,各幅 MODIS LST 图像有不同程度的缺失。根据 MOD11A2 数据集中的质量控制图层(Quality Control Layers) ,将缺失像元数占研究区总像元数 1/3 以上的MODIS LST 图像排除于研究之外。根据“ 绿洲”和“外围区域”矢量多边形的范围分别统计各时期绿洲和外围的 LST 平均值,同时从质量控制图层中分别统计相应误差的平均值。3.2 基于 Landsat TM 波段的地表温度(LST)获取获取基于Landsat TM6波段的地表温度(LST)的方法有多种,如普适性单通道算法、大气校正和单窗算法等。本文将采用覃志豪等以地表热辐射传导方程为基础,通过应用Taloy公式对Planck函数线性展开,对贡献相近的两个大气平均作用温度参数合并,以及对辐射亮度 L6和亮度温度T 6进行线性回归等方式。经以往研究表明,单窗算法有较高的精度,在大气透射率、大气平均作用温度和地表比辐射率估计有中等误差的情况下,基于单窗算法的地表温度反演误差约为1.2K 。]6[信息源为2009年6月25日的TM影像的第6波段以及3、4波段。首先,将原始数据中的第6波段DN值按下式进行转换,换算为大气层顶进入传感器的辐射亮度L 6 )/(2msrW= Gain×DN + Bias 6L(1)式中,DN为TM6波段的DN值:Gain和Bias为定标参数,从各期数据的头文件中获得。用下式求得亮度温度T 6(K) 。T6= 1260.56 / ln(607.76 / L6+1) (2)利用下式求算地表温度T S (K) (3)式中 为大气平均作用温度,在无实时探空资料时,可用地面附近aT气温的线性函数近似 ]2[09261.0.16TTa(4)式中 为地面附近气温。0T公式(3)中的C和D为中间变量6C(5)])1()[(66D(6)因此,只要知道参数 、 和 ,即可用上述单窗算法推算任何像aT6元的实际地表温度。 (式中, 为大气透射率;为地表比辐射率。、 由下式计算6w1536.0342.16(7)svvP)(6(8)式中 w 为大气总水分密度,1. 44 ,可据近地面水汽压推算,2/cmg公式和参数见文献; 为植被比辐射率; 为祼土比辐射率,分别vs取值为0.986 和0.970; 为植被覆盖度,可据NDVI 推算。PNDVI=(b4-b3)/(b4+b3) (9)式中,b4、b3分别是TM4、TM3波段的DN值。NDVI值越大,地表越接近于完全的植被叶冠覆盖;NDVI值越小,越接近于完全裸地;而DNVI介于植被于裸地之间时,则表明有一定比例的植被叶冠覆盖和一定比例的裸土。因此,可以用以下公式确定各像元的植被覆盖度,即植被构成比例 ,vP)/()( svsv NDVIINDVI(10)式中, 和 分别是植被和裸土的NDVI值。vNDVIsI4 结果与分析4.1LST 的时间变化图 1 表示 2002 年各时段(如 1 月 1 日至 1 月 8 日,依次类推)绿洲和外围区域地表温度平均值,以及从质量控制图层中统计得到的误差平均值。从图中可见,绿洲与外围区域的 LST 都表现为“冬低夏高,春升秋降”的规律。图 2 中亦可见,从 4 月中旬至 10 月上旬,绿洲与外围区域之间的 LST 差异(下简称△LST 外围-绿洲 )超过MODIS LST 产品误差的范围,说明这种差异是显著的,是自然规律的表现;而 1 月至 4 月上旬以及 10 月中旬至 12 月,绿洲与外围之间的 LST 差异在 MODIS LST 产品误差的范围之内,表明二者之间的LST 不存在显著差异2002202402602803003203402002年1月1日2002年1月15日2002年1月29日2002年2月12日2002年2月26日2002年3月12日2002年3月26日2002年4月9日2002年4月23日2002年5月7日2002年5月21日2002年6月4日2002年6月18日2002年7月2日2002年7月16日2002年7月30日2002年8月13日2002年8月27日2002年9月10日2002年9月24日2002年10月8日2002年10月22日2002年11月5日2002年11月19日2002年12月3日2002年12月17日日 期地表温度K荒 漠 地 表 温 度绿 洲 地 表 温 度图 1 不同日期绿洲及其外围区域的地表温度-2024681012地 表 温 度 差1 25 49 73 97 121 145 169 193 217 241 265 289 313 337 361日 期荒 漠 与 绿 洲 的 地 表 温 度 差图 2 绿洲-外围区域地表温度差 5 讨论5.1 地表温度与植被状况的关系以卫宁绿洲及其外围区域为研究区域,基于 Landsat TM 影像分别获取了陆地表面温度(LST)以及归一化植被指数(NDVI),定量分析了 LST 与 NDVI 的关系。结果表明:LST 和 NDVI 具有明显相反的变化趋势, LST 与 NDVI 平均值也具有显著的差异性;NDVI 越高,则 LST 越低。通常认为,NDVI 的季节变化是十分显著的,并具有典型的地域特征,受当地气候影响,植被、农作物类型地域差异较大,那么 NDVI 的变化是否会对 LST 有明显的影响呢?干旱区的植被覆盖程度的年内变化往往是很大的,其年际变化通常会很大,那么,这种明显的植被变化很可能会影响到地表温度的空间分异,从而影响绿洲的冷岛结构,进而影响绿洲冷岛效应。285290295300305310315320-0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80NVDI地表温度(K)图 3 地表温度与 NDVI 之间的关系5.2 绿洲冷岛效应对农业气候的意义西北干旱地区的沙漠在夏季长时间处在晴天或少云天气条件下,造成酷热和极干旱的环境,白天层结构不稳定,湍流强烈发展,而在这时候绿洲冷岛效应内却处于逆温稳定层结,抑制湍流的发展,这是有利于植物生长的,因为绿洲这种气温较低,湍流发展较弱的凉湿环境必然抑制植物的蒸腾过程和地面的蒸发过程,在干旱酷热的戈壁或沙漠之中蒸腾和蒸发的抑制,对于节约用水和植物或作物本身的生长都是极为有利的。就是说,只要在干旱的沙漠中绿洲的范围足够大,能形成绿洲冷岛,那么就形成一种有利于植物生长的小气候,这一结论解释了沙漠中种树种草小片不易成活,大片易于成活的道理。自然这一结论有利于指导我们在沙漠或戈壁等干旱地区的种树种草活动和农业开发。但这只是对冷岛效应的一些初步研究结果,无论是实验还是理论都有待于进一步的深入研究。6 结论地表温度具有强烈空间异质性,单纯依靠地面实测难以对研究区的地表温度进行准确的分布式描述。而遥感资料在反映区域分异方面具有明显优势,可以对地表温度特征进行平面化描述,使研究者易于深入观察绿洲与外围区域的地表温度分异情况。本文主要结
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