基于ETM+數據的和林格爾縣地表溫度反演

王云川

【摘 要】文章采用基于影像的反演方法（IB方法），以LandsatETM+為數據源，成功反演出研究區和林格爾縣地表溫度的分布狀況。結果顯示：（1）水體、農田、林地地表溫度較低，裸地的溫度較高，與實際情況相符；（2）裸地的溫度分布呈現東高西低、南高北低的趨勢，與該區地形走勢一致。

【關鍵詞】地表溫度反演；ETM+數據；和林格爾縣

地表溫度是圈層系統中水、熱、碳等物質交換的核心信息和主導因子，它在太陽輻射-大氣-地面間物質和能量的交換過程中扮演重要的角色，也是平衡地球圈層水熱平衡的關鍵因子。精確地反演地表溫度將促進農作物缺水和旱情預測、全球氣溫變化、數字天氣預報等研究。傳統的地表溫度監測是通過地面氣象站來完成的，費時費力，且局限性較大。

隨著衛星遙感技術的快速發展，地表溫度的大尺度、多時相監測成為可能。廣泛使用熱紅外激光和雷達數據，紅外激光雷達使用主動熱紅外輻射源，提高了空間分辨率，拓展了遙感信息源。推動了熱紅外遙感的新發展，同時以此來反演的地表溫度數據精度也會大大提高。

一、研究區概況、數據來源

（一）研究區概況。和林格爾縣位于內蒙古自治區中南部，是呼和浩特市所轄縣旗之一，是內蒙古高原向黃土高原的過渡地帶，總體地形呈南高北低、東高西低的地形趨勢。該區屬于溫帶大陸性季風氣候，夏季時短而溫熱冬季漫長而寒冷。年平均氣溫在6.2℃左右，一月平均氣溫為-12.8℃，七月平均氣溫為22.1℃，年平均降水量為392.8mm。

（二）數據來源與預處理。文章采用的數據源為Landsat7 ETM+于 2002年9月16日獲取的影像，條帶號行列號為126/32。數據來自地理空間數據云，級別為Level 1T。在進行反演算法前需要對影像進行相關處理，將各像元的亮度值定標到電磁輻射值，并進行大氣校正，以消除水汽和地表等因素的干擾。

二、研究方法

利用遙感影像研究大范圍的地面溫度通常采用基于影像的反演算法（ Image-based Method）。算法的過程如下：

（一）計算地表比輻射率。地物的比輻射率用來表示地物向外輻射電磁波的能力。它受地表物體組成的制約，而且與物體的表面狀態（高度，走向，地面粗糙度等）及物理性質有關?；谟跋竦姆囱菟惴ㄓ嬎愕乇肀容椛渎蕰r通常根據與植被覆蓋度有關的經驗公式估算。植被覆蓋度與地物類型密切相關，文章對NDVI數據進行密度分割，以獲取研究區遙感影像分為植被、水域、裸地3種類型。NDVI的計算公式如下：

NDVI=（TM4-TM3）/（TM4+TM3）

式中，TM3和TM4分別為大氣校正后的第三波段和第四波段。

植被覆蓋度在ENVI的波段運算中完成，其代碼去下：

b2=（b1 gt NDVIv）×1+（b1 lt NDVIS）×0+（b1 ge NDVIS and b1 le NDVIv）×（（b1-NDVIS）/（ NDVIv-NDVIS））

式中，b1為NDVI圖像；NDVIv為植被的NDVI下限閾值，取0.58；NDVIS為水體的NDVI上限閾值，取0.14；b2為運算得到的植被覆蓋度圖像。

水體的比輻射率賦值為0.995，自然表面和居民地像元的比輻射率則根據植被覆蓋度運算得到。其代碼如下：

b3=（b1 le 0.14）×0.995+（b1 gt 0.14and b1 lt 0.58）×（0.9589 +0.086×b2 - 0.0671×b2^2）+（b1 ge 0.58）×（0.9625 + 0.0614×b2- 0.0461×b2^2）

式中，b1為NDVI值；b2為植被覆蓋度值。b3為運算得到的地表比輻射率數據。

（二）計算黑體的輻射亮度值。衛星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ由三個部分組成：大氣向上輻射亮度L↑，地面長波熱輻射經過大氣層之后到達衛星傳感器的能量，大氣向下輻射輻射亮度L↓。因此，衛星傳感器所接收到的輻射傳輸方程如下：

Lλ = [b3·b5 + （1-b3）L↓]·τ + L↑

則地面溫度T的黑體輻射亮度值b5的公式為

b5 = [Lλ - L↑- τ·（1-b3）L↓]/τ·b3

在NASA官網中通過申請得到該影像的輻射參數，大氣在熱紅外波段的透過率τ為0.83，大氣向上輻射亮度L↑為1.12W/（m2·sr·μm），大氣向下輻射亮輻射亮度L↓為1.89W/（m2·sr·μm）。因此，面溫度T的黑體輻射亮度值的波段運算代碼如下

b5=（b4-1.12-0.83×（1-b3）×1.89）/（0.83×b3）

式中，b4為經過ENVI輻射定標并進行FLAASH大氣校正后的熱紅外輻射亮度值；b5為黑體在熱紅外波段的輻射亮度值。

（三）反演地表溫度。在獲取溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度b5后，可根據普朗克函數的反函數，求得地表真實溫度TS：

TS= K2/ln（K1/B（TS）+1）

在本次研究中，K1 =666.09W/（m2×sr×μm），K2= 1282.71K。利用波段運算即可得到真實的地表溫度值b6，代碼如下：

b6=（1282.71）/alog（666.09/b5+1）-273

三、結果分析

地表溫度反演結果顯示，從地表覆蓋狀況來看，水體、農田、林地的地表溫度值較低，裸地的地表溫度值較高；從空間分布狀況來看，東高西低、南高北低，與該區域的地形分布和海拔走勢一致；該區域的植被覆蓋較少，荒土和裸巖分布廣泛，農田主要沿河谷分布（兩者同屬低值區且分布走向一致）。

參考文獻

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