地表溫度(LST)是區域和全球尺度地表物理過(guò)程中的一個關鍵因子，也是研究地表和大氣之間物質交換和能(néng)量交換的重要參數。許多應用如幹旱、高溫、林火、地質、水文、植被(bèi)監測,全球環流和區域氣候模型等都(dōu)需要獲得LST。本方案以北京爲例采用星載傳感器的紅外通道(dào)反演LST的劈窗反演方法算法。

    京津唐地表溫度獲取與分析的技術路線如圖1所示，主要包括三部分内容：(1)數據準備，包括數據的下載，遙感影像的預處理，遙感解譯的 LUCC 數據等；(2)模型運行，包括模型初始化，模型驗證和校正及模型的最終運行獲得結果；(3)模拟結果分析，并給出結果報告。

圖1 京津唐地表溫度獲取技術路線

2、模型運行

2.1 數據準備

    模型輸入數據爲MODIS 1B 數據的 B1、B2、B19、B31、B32 波段，同時(shí)利用遙感解譯的 LUCC 數據，以及實際驗證數據。

2.2 數據預處理

    MODIS 1B 數據位爲 MODIS 影像數據的一級影像數據産品，有必要對(duì)其進(jìn)行标準化再處理和産品生成(chéng)，所以首要工作是做輻射定标、地理定位、數據的拼接、數據的裁切，然後(hòu)進(jìn)行投影變換等以及産品标準化、通用化方面(miàn)的處理過(guò)程，爲最後(hòu)專題産品數據集應用分析奠定基礎。

    遙感解譯的 LUCC 數據爲以遙感圖像計算機屏幕人機交互直接判讀爲核心的全國(guó)土地利用遙感制圖技術方案，同時(shí)采用基于遙感監測的土地利用/土地覆被(bèi)分類系統，從而保證了遙感人工解譯的精度。

2.3 模型運行

    MODIS 數據分辨率較大，爲了解決地溫反演中精度難以保證、适應性不強等問題，本次地溫的反演利用改進(jìn)後(hòu)的劈窗算法。在對(duì)其進(jìn)一步驗證的基礎上，模拟評估期間地表溫度。公式如下：

    其中 TS：地表溫度；A31、A32、B31、B32、C31、C32、D31、D32 是參數，是由大氣透過(guò)率、地表 返照率、比輻射率、亮度溫度因子确定的。

a)大氣透過(guò)率

    依據京津唐本土的氣候狀況條件，采用兩(liǎng)通道(dào)比值法從遙感影像上反演大氣的水汽含量。再利用 大氣水汽含量與大氣透過(guò)率的關系推算出大氣透過(guò)率

b)水體提取

    本方案中采用的植被(bèi)覆蓋類型圖是基于30m分辨率 Landsat 遙感數據的京津唐水體圖。水體的提取是爲了掩掉水體部分。

c)比輻射率反演

    物體與黑體在同溫度、同波長(cháng)下的輻射出射度的比值,它受物體的表面(miàn)狀态、介電常數、含水量、溫度、物體輻射能(néng)的波長(cháng)、觀測角度等多種(zhǒng)因素的影響。目前求地表比輻射率的方法主要有差值法、獨立溫度光譜指數法(T IS I)和 NDVI 門檻值法(NDV ITHM )等方法。由于 MOD IS 影像圖像分辨率較 低,MODIS 像元主要由水面(miàn)、植被(bèi)和裸土3種(zhǒng)地物類型構成(chéng)，故利用 NDVI 門檻值法來地表比輻射率。

d)亮度溫度反演

     亮度溫度的反演采用通用的 Planck方程。

e)地表反照率反演

    地表反射率的反演采用寬波段反射率轉窄波段反照率通用反演方法，此種(zhǒng)傳統方法，經(jīng)過(guò)多年的 專家驗證。

3、模型驗證與校正

    模型運行結果通過(guò)文獻資料以及結合中科院地理所的實驗數據，進(jìn)行參數驗證與校正，使模型進(jìn) 一步适合北京地區。下圖爲經(jīng)過(guò)模型驗證與校正後(hòu)的北京地區地表溫度成(chéng)果圖，如圖所示：

圖2 京津唐地區地表溫度反演成(chéng)果圖

4、模拟和結果分析

    用 2000～2011 年每 8 天 MODIS1B 數據，及遙感反演的參數，獲得地表溫度（LST）進(jìn)行結果 分析。主要用于分析：

a) 2000－2011 年北京地區地表溫度（LST）時(shí)空格局

b) 2000－2011 年北京地區地表溫度（LST）變化趨勢

c) 2000－2011 年京津唐城市熱島

d) 2000－2011 年京津唐擴張後(hòu)城市地表溫度（LST）變化趨勢