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南阳市地表温度遥感反演及地表覆盖关系研究.rar

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    南阳市 地表 温度 遥感 反演 覆盖 关系 研究
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    编号:08009210319南阳师范学院 21 届毕业生毕业论文(设计)题 目:南阳市地表温度遥感反演及地表覆盖关系研究 完 成 人: 赵浩亮 班 级: 2008-03 学 制: 4 年 专 业: 地理信息系统 指导教师: 杨杰 完成日期: 2012-03-30 目录摘要 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (1)0 引言 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (1)1 研究背景、目的及意义 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (1)1.1 研究背景 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (2)1.2 研究目的 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (2)1.3 研究意义 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (3)2 研究方法 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (4)2.1 数据的选择 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (4)2.2 数据处理 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (4)3 地表温度反演 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (5)4 地物比辐射率计算∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (6)4.1 大气校正公式 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (6)4.2 根据大气矫正公式求得的数据计算地物比辐射率 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (6)5 根据普朗克定律的反函数求地表真实温度 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (7)6 结论与讨论 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (7)参考文献 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (8)Abstract ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (9)第 1 页 共 9 页南阳市地表温度遥感反演及地表覆盖关系研究作 者:赵浩亮指导老师:杨 杰摘要:本文利用 ETM+影像以及有关的遥感方法对南阳市地表温度与地表覆盖的关系进行研究。研究结果表明,植被覆盖程度与地表温度之间存在明显的负相关,并且在不同的植被覆盖程度下,地表温度-植被覆盖关系呈现分段线性关系。下垫面类型及其组合主要通过植被覆盖的分布对地表温度产生影响。而在不同空间分辨率下(30m 至 960m),地表温度和植被覆盖的空间变异程度均表现为先升后降,在 120m 的分辨率下,两者的相关程度达到最高。结果证实区域植被覆盖状况可直接影响辐射、热动力以及土壤水分等多种地表特征,从而导致地表温度分异等。关键词: ETM+影像;空间分辨率;地表温度;植被覆盖;0 引言随着遥感技术的发展,利用热红外遥感研究地表温度和城市热岛效应已经成为非常有效的技术手段 [1]。Rudolf BraHzdi 等通过对捷克首都布拉格城内外监测站温度的比较,研究了热岛强度及热岛效应对布拉格季节、年温度的测量的影响。程炳岩等通过对郑州市城市气候的观测资料进行分析,揭示了市区环境温度的季节分布、不同性质地面环境对温度分布的影响及城市热岛强度的时空变化特点。林云杉等对不透水面信息与 Landsat TM6 波段反演的地表温度进行相关分析,发现二者之间存在明显的正相关关系。温齐昊等利用混合像元分解得到不透水面和植被的覆盖度,从覆盖度和地表温度的变化来说明美国印地安那州的城市化进程。本文将通过遥感的有关技术对第 2 页 共 9 页南阳市地表温度与地表覆盖的关系进行研究。1 研究背景、目的及意义1.1 研究背景地表温度 (Land Surface Temperature,LST)是地学研究中一个非常重要的参量,是地表物理过程中的一个重要参数,在许多领域中有着重要的应用,特别是在农业气象、气候和环境研究中,LST是一个不可缺少的研究因子 [2」 。地表温度是地表能量平衡的结果,是区域和全球尺度地表物理过程的一个关键因子,是一个控制地球上大多数物理、化学和生物进程的重要因素。许多环境研究和地球资源管理活动都必须有 LST 信息作为研究的基础数据资料 [3]。1.2 研究目的在地质探矿研究中,特别是地热研究中,地表温度是一个重要的标志,根据热图像上的差异可以探明地热位置和储量等;在诸如地震地质、灾害地质等的地质灾害研究中,地表温度具有指示性的作用,可被当作是一个预警器。在林业管理中地表温度也发挥了重要的作用,它可以被利用来进行大面积的病虫害的监测,林业灾情的预测等,这样有助于提前做好防灾措施,将国家损失减少到最小。在城市气候研究中地表温度对于大气最低层(对于表面能量平衡是重要的)的大气温度的调节具有一定的作用;在农业生产中,地表温度是土地退化、盐化、沙化和侵蚀以及气候变化的一个重要指示器,可被用于大面积的农田干旱监测和评估由于缺水所造成的植被胁迫指数,特别适用于监测农作物病虫害、湿度和热条件。在气候模式第 3 页 共 9 页中,通过对地表温度等参数的定量反演模型进行求解可以获取农作物、生态环境与全球变化等生物物理量和环境物理参数。另外,地表温度是一个重要的环境变量,可以用来土地覆盖特征的研究,同时它还是地球系统水热平衡的关键因子,决定着地表与大气之间的物质、能量交换,是界面研究中的重要对象。在环境污染监测与评价中,可以利用遥感影像反演进而得到温度影像图,利用它可以对水体污染进行监测,及时地了解和掌握污染源的位置和动态变化,以便及时采取防护或疏导措施以及为环境评价提供合理的科学依据与数据支持 [4] 。1.3 研究意义地表温度具有时空动态分布的特征,依靠传统的地面观测站大面积很难获取这一参数,并且不容易从宏观上把握其时空分布的特征。随着遥感技术的发展,目前应用遥感手段获取地表温度已经具有较为成熟的技术,同时它也是地学研究中的热点,利用热红外遥感可以得到地表温度的大范围面状信息,与传统的依靠地面观测站的观测方式来大面积地获取地表温度参数的测量方式相比,具有宏观、综合、快速、便捷、测量范围大、信息连续、等特点,因而得到了广泛的应用。早在 20 世纪 60 年代初期,随着 TIROS-II 的发射,众多学者尝试利用卫星遥感数据进行地表温度的反演。70 年后,许多遥感平台数据如:MODIS、N0AA /AVHRR、 TM、ETM+等被应用于地表温度的反演。这些数据的分辨率从 60m 到 1km 不等,以满足各种应用的不同需要。另外针对各种遥感平台数据的不同特征,国内外学第 4 页 共 9 页者们研究出了不同的地表温度反演方法。2 研究方法2.1 数据的选择选择南阳市 1987 年和 2008 年 TM 数据作为数据源;利用 TM 数据反演出地表温度以及植被覆盖度。图 1 南阳市 1987 年植被覆盖度图像 图 2 南阳市 2008 年植被覆盖度图像2.2 数据处理遥感影像传感器定标处理,是将获得的遥感影像灰度值 DN 值转换为星上辐射亮度值 。L此步骤主要是得到波段 3、4 和 6 的星上辐射亮度.利用波段3、4 的星上辐射亮度可以求得 NDVI,进而求得自然地表的比辐射率。对于不同传感器的遥感影像数据辐射定标处理不同:Landsat5: (1)minaxminax LQLLandsat7: (2)iiinaxminax--QLLandsat7 的 和 选取需要注意关于采用高增益还是低增益i参数的问题。为了使传感器的辐射分辨率达到最大,而又不使其达到第 5 页 共 9 页饱和,根据地表类型和太阳高度角来确定采用高增益还是低增益的参数。一般低增益比高增益动态范围大 1.5 倍,因此当地面亮度较大时,用低增益参数,其他用高增益参数。在非沙漠和冰面的陆地地表类型中, Landsat7 中波段 1~3 和 5、7 采用高增益参数, 4 波段在高度角低于 45 时也用高增益,反之则用低增益参数 [5]。从文件中找到的信息:SUN ELEVATION=47.482SCENE CENTER=685 731.087Band3 选的是高增益参数, Band4 选的是低增益参数。根据公式(2)用 ER-DAS 空间建模工具来获得星上辐射亮度影像。对于波段4、6 采用同样的方法获得星上辐射亮度影像。3 地表温度反演与辐射传导方程及单通道算法不同,单窗算法能够与地表热辐射传导方程相结合,无需大气较正,就可以直接反演地表的温度。通过地表辐射传导方程和地表比辐射率、大气平均作用温度与大气的透射率相结合,通过下式由行星的亮度温度推算出实际的地表温度,其公式如下:T  6a6666611 CTDCDbCaS 6 1T上式中: :地表温度; :行星亮度温度; :地表比辐射ST6 6率;Ta:大气平均作用温度。此外: =- a67.35535; =0.458608;温度范围:0~70℃。可以通过以下方法6b估算出上述三个主要参数:地表比辐射率受地表构成的直接影响,第 6 页 共 9 页可以将其进行简化处理:植被的覆盖区域是 0.95,非植被区域则为 0.92,则本文中取地表比辐射率为 0.95。大气的平均作用可以利用下式计算出来: 09261.0.16TTa其中: :近地层大气温度,单位:K0大气透射率主要由大气中的水分含量来决定的,利用上述三个关键参数即可反演得出地表温度。 4 地物比辐射率计算4.1 大气校正公式在中纬度夏季标准大气模式下,利用大气校正模型进行大气校正。计算得到 ETM+第 3、第 4 波段的地表反射率,并计算 NDVI。用 6S校正模型软件对影像的表观反射率进行校正得到地物的自然反射率利用大气校正公式(3)得到波段 3、4 的反射率,由此可以得到基于6S 模型的大气校正公式:(3)xbdiancemesurxacar 0.1式(3)中 arc 为大气校正后的地表反射率, measured radiance为辐射地表后得到的表观辐亮度,由此可得 Band3 和 Band4 的地表反射率,进而来求得 NDVI= (ρ4–ρ3) / (ρ4+ρ3) (4)4.2 根据大气校正公式求得的数据计算地物比辐射率VAN DE 和 OWE 通过实地同时测量一系列自然地表的热红外波段(8~14μm)比辐射率 ε 和归一化植被指数(NDVI),发现它们之间具有良好的相关性,其相关系数为 0.94,再根据 VAN DE 的经验公式:=1.0094+0.047ln(NDVI) 第 7 页 共 9 页(5) 求得自然地表的比辐射率。通常情况下,植被覆盖区为 0.95,非植被覆盖区为 0.92,水体为 0.99。与地表真实温度相同的黑体的辐射亮度值 为:TL(6) dTLL1式(6)中 为大气上行辐射, 为大气下行辐射和天空散射,τdL为大气透过率。大气校正法是用根据辐射传输方程编制的大气校正软件估算出这些参数。获得大气剖面的大气参数, 为 0.42, 为Ld0.71,τ 为 0.94。5 根据普朗克定律的反函数求地表真实温度 TT= (7)1ln2TLK式(7)中 T 为地表真实温度, 为与地表真实温度相同的黑体的TL辐射亮度值,由式(6)可以得到, 和 为常数。1K2GROUP=THERMAL_ CONSTANTS_ Constant=666.09 1K_ Constant=1 282.712END_ GROUP=THERMAL_ CONSTANTS6 结论与讨论本文利用 ETM+影像反演地表温度的基础上研究土地覆盖情况对区域地表温度的影响,分类定量分析了南阳市热环境的时空格局,结果表明:地表温度与土地利用类型紧密相关,不同地表覆盖类型的地表温度差异显著。在同一时间尺度下, 5 种土地覆盖类型温度由高第 8 页 共 9 页到低的顺序为沙滩、居民地、其他用地、林地、水域。沙滩因早晨增温较快,表现出较高的温度,但因该类型面积不大,对整个区域温度特征影响不大。温度第二高的是居民地,表现为较明显的城市热岛现象。水域和林地是低温区域,对缓解城市热岛强度具有重要作用[6]。城市热岛是城市化引起的一种环境效应,对城市生态系统和人类生存舒适度产生了重要影响,引起了社会各界的广泛关注。利用遥感进行城市热环境分布与调控研究,对提高城市生态建设水平、改善城市居民生活环境、促进城市可持续发展有重要意义。参 考 文 献[1] 徐希孺,柳钦火,陈家宜.遥感陆面温度[J].北京大学学报(自然科学版),1998,34(23):248-253.[2] 池宏康,周广胜,许振柱,表观反射率及其在植被遥感中的应用[J].植物生态学报, 2005,29(1):74-80.[3] Li, Z. L. and F. Becker, Feasibility of land surface temperature and emissivity termination from AVHRR data [J]. Remote Sensing of Environrnent,1993,43(l):67-85[4] BraHzdil R,Kova M B.An Urban Bias in Air TemperatureFluctuations at theKlementinum,Pragne[J].TheCzechRe-public:AtmosphericEnviornment1999,33:4211-4217.[5] 薄立群,徐新良,华仁葵,等.火山区突发性地热异常热红外传输机理研究[J].地理科学,2001,21(5):439-447.[6] 江樟焰,陈云浩,李京.基于 LandSat TM 数据的北京城市热岛研究[J].武汉大学学报:信息科学版, 2006,31(2):120-123.
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