基于奈曼旗熱效應(yīng)的遙感

1、基于奈曼旗熱效應(yīng)的遙感第33卷第5期2005年9月東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報JOURNALOFNORTHEASTFORESTRYUNIVERSITV【,】.33NO.5SeD.2005基于奈曼旗熱效應(yīng)的遙感寧波龔文峰范文義孔達(東北林業(yè)大學(xué),哈爾濱,I50040)(黑龍江大學(xué))摘要對奈曼旗的TM數(shù)據(jù)進行大氣校正和幾何校正.利用LandsatTM3和LandsatTM4計算該區(qū)域的植被指數(shù)(NDVI),來分析和研究該區(qū)域的植被狀況,特別是通過植被蓋度從另一個角度來說明問題.利用LandsatTM6熱紅外遙感數(shù)據(jù)定量反演了該研究的地表溫度,初步分析了區(qū)域熱量分布差異并探討這一差異形成原因,并建立NDVI和地

2、面溫度兩者之間線性關(guān)系.結(jié)果表明:該區(qū)域的熱量分布差異顯著;衛(wèi)星圖像反演的地表溫度與實際的地面情況相符合;地面溫度都與植被指數(shù)(NDVI)存在著密切的反相關(guān)關(guān)系.關(guān)鍵詞TM;地面溫度;NDVI;反演分類號P237TheThermalEffectinNaimanqi,InnerMongoliabyRemoteSensing/NingBo,GongWenTM4wereusedtocalculatethevegetationindex(NDVI),andthevegetationconditionofthisareawasanalyzedespeciallvfromtheangleofvegetat

3、ioncover.LandsatTM6thermalinfraredremotesensingdataquantitativelyretrievedthelandSHYfacetemperature.Thedifferenceofheatdistributionandtheformativereasonwereanalyzed,andthelinearcorrelationbetweenNDVIandpracticallandsurfacetemperaturewassetup.Resultshowedthatthedifferenceofheatdistributioninthisareaw

4、asremarkable;thelandsurfacetemperatureretrievedbythesatellitedataaccordedwiththepracticalsituation:thecorrelationbetweenlandsurfacetemperatureandNDV1wasstronglynegative.KeywordsTM;Landsurfacetemperature;NDVI(NormalizedDifferenceVegetationIndex):Retrievement地表面溫度在地表與大氣相互作用過程中起著重要的作用,它在氣象,地質(zhì),水文,生態(tài)等眾多領(lǐng)

5、域有著廣泛的需求.土壤水分狀況,森林火災(zāi)的檢測,地熱位置的判別,軍事偽裝的應(yīng)用,石油和鈾礦的尋找等都離不開地物表面溫度.陸地衛(wèi)星的TM6波段是熱紅外波段,可以用來進行地面溫度的演算.旱在20世紀80,90年代,就有人將TM6影像用于城市熱島效應(yīng)研究,海洋表面溫度和地熱等研究2,33.就地面溫度的反演方法方面,很多人直接用影像的灰度值(DN值)代替地表溫度變化,一部分人直接用TM6的衛(wèi)星高度的亮度溫度(由DN值直接轉(zhuǎn)換成溫度值).近幾年隨著對熱紅外研究的加深,專家們對氣透射,再反射和地表比反射率的研究增多,各自提出了不同的理論和方法J.本研究在分析具體實地情況的基礎(chǔ)上,具體分析從簡單的DN值回歸

6、到亮溫回歸,再到大氣校正后亮溫的回歸,再經(jīng)過大氣訂正及地表發(fā)射率訂正等即可求出地表的真實溫度,建立了一種利用TM衛(wèi)星的熱紅外波段計算地表溫度.植被蓋度是刻畫陸地表面植被數(shù)量的一個重要參數(shù),也是指示生態(tài)系統(tǒng)變化的重要指標.植被蓋度的測量對監(jiān)測沙漠化,評估草地狀況,土地退化等有重要意義.通過對植被指數(shù)(NDVI)和地表溫度的相關(guān)關(guān)系的分析,能夠準確反映該地區(qū)的地表面的真實情況.1研究區(qū)域與研究方法1.1研究區(qū)域奈曼旗位于120.1940一121.3540E,42.1440一43.3220N,地處內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市西南部,科爾沁沙地南緣.1)國家自然基金(30371192)項目.第一作者簡介:寧波,

7、男,l966年9月生,東北林業(yè)大學(xué)在讀博士研究生;現(xiàn)工作于黑龍江省森林工業(yè)總局平山旅游局,高級工程師.通訊作者:龔文峰,工作單位黑龍江大學(xué)水利水電學(xué)院.收稿日期:2005年3月30日.責任編輯:戴芳天.奈曼旗的地勢由西南向東北逐漸傾斜,南高,東北低,一般海拔2,全年降雨量一般為343.3-451.4mm,地下水資源豐富.奈曼旗屬于溫帶半濕潤半干旱草原區(qū)地帶性植被,由于人為影響嚴重,表現(xiàn)出明顯的次生性,大部分地區(qū)已被半隱域性的沙生植被,灌叢植被和隱域性草甸植被所代替,鹽生植被及濕生,水生植被分布范圍比較小.1.2研究方法1.2.1數(shù)據(jù)來源采用的主要數(shù)據(jù)是2004年的8月TM數(shù)據(jù),還有1:5萬,l

8、:10萬,1:25萬地形圖和一部分草地,土地利用類型圖,草場等級及退化圖,水文分布圖等專題圖以及利用GPS獲取的地面調(diào)查數(shù)據(jù).圖1外業(yè)調(diào)查樣點分布圖第5期寧波等:基于奈曼旗熱效應(yīng)的遙感9312.2數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理和,計算將遙感影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ERDASIMAGE軟件中,然后利用1:5萬的地形圖選取控制點,采用多項式的方法對影像進行精確幾何校正,并使總體誤差均控制在一個像元點之內(nèi).根據(jù)研究區(qū)域的邊界,在ERDASIMAGE軟件中對圖像進行剪裁,然后對圖像的TMITM5,TM7等6個波段進行大氣校正.由于研究區(qū)地形起伏不大,因此,對圖像不進行地形校正.植被指數(shù)反映的是植被的生長狀況.在所有的植被指數(shù)

9、中,人們較為廣泛采用的是歸一化植被指數(shù),又稱標準化植被指數(shù),歸一化植被指數(shù)在一定程度上消除了云等因素的影響,是廣泛應(yīng)用的一種表征地表植被覆蓋狀況的植被指數(shù),計算公式如下:INnr=(R島一島)/(R島+R)(1)其中:,R分別代表大氣校正后的TM4,TM3波段反射率.從TM6求算地表溫度Landsat5一TM6,波長為l0.4l2.5m,地面分辨率為120m×120m,由于其接收的是與地表溫度高低相對應(yīng)的強度不等的熱紅外輻射.因而,可以通過TM6通道獲取的地表熱輻射值大小遙感數(shù)據(jù)定量的TM6來說,Lmax=1,5600,Lmin=0.1238.由于TM6處于大氣透射性(透過率為80%

10、左右)相當好的大氣窗口,如果暫時忽略地表發(fā)射的電磁輻射在到達衛(wèi)星的途中所受的大氣影響,那么,即可通過輻射亮度(,A)推算地表相對溫度(T),其方程式為:Tb=(c,?A一)/In(c1?A一/,A+1)=/ln(k1/6+1).(3)其中:為地表溫度(K);L,A為平均輻射亮度(,A=?L);為物體的比輻射率.可令=c?A,:?A,它們?yōu)樾Ｕ禂?shù),對于LandsatTM5,1,k2為已知常量,k1=60.776W?m?sr?,k2:1260.56K.在考慮大氣等各種影響因素并假設(shè)地物為全輻射的前提下,通過測定地表的輻射亮度求出地表溫度,稱為亮度溫度(輻射溫度).再通過大氣及地表發(fā)射率等校正溫度

11、之間的換算,可求出地表真實的溫度.2結(jié)果與分析2.1植被指數(shù)(,.)植被指數(shù)是指通過近紅外和可見光波段反射率的線性和非線性組合構(gòu)成的數(shù)值.通過對奈曼旗的LandsatTM3和LandsatTM4的運算,得到對植被有一定指示意義的各種數(shù)值.其結(jié)果見圖2.囡倒一.i0一一o,od,3:Tjn311u_橢2口*蠹簍囊6Ilmn孳¨粥:.1l|lIs1l豳2奈曼旗的l1圖從圖上看出,的數(shù)值比較大的區(qū)域主要分布在南部地區(qū)和北部的一少部分區(qū)域,說明該區(qū)域的植被數(shù)量相對于其它的區(qū)域來說是比較大的;大部分的區(qū)域,.的數(shù)值比較小,沙地的區(qū)域相對較大,表明該區(qū)域的沙漠化程度比較高;有些區(qū)域lvov的數(shù)值

12、已經(jīng)接近于零,說明該區(qū)域的已處于裸沙狀態(tài).但從總體上來講,整個研究區(qū)域的植被指數(shù)(j.)的數(shù)值還是比較小的,沙漠化還是比較嚴重.其中,.(,.<0)數(shù)值較大的那部分區(qū)域,主要是河流經(jīng)過的區(qū)域,是由于沙地含水量較高的原因造成的.為了更加準確地研究該區(qū)域的植被指數(shù),我們用植被蓋度來說明問題.植被蓋度是觀測區(qū)域內(nèi)垂直投影面積占地面積的百分比,是刻畫陸地表面植被數(shù)量的一個總指標.植被蓋度=(,.一,.;)/(.一,.).植被蓋度更準確地反映了沙地植被的分布狀況,從另外一個角度反映該研究區(qū)域的沙化程度.2.2地表溫度地面溫度反映的是地表面附近輸入和輸出能量通量的動態(tài)平衡狀態(tài).通過對奈曼旗的

13、LandsatTM6熱紅外遙感數(shù)據(jù)的反演,得到研究區(qū)域的溫度圖(見圖3).囊顫怨麓撼輯囂,工.鬟,謦.jjj鼉:.警.目一l黲羞.*曩l¨0一.n”m戮.簿薹童=i薯l¨l0薯i爰eE+c-”?圖3奈曼旗的植被蓋度圖結(jié)合植被蓋度圖,從上圖可以看出,沙漠化程度高,沙土的含水量比較小,溫度上升得快;特別是一些裸沙的區(qū)域,其東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報第33卷地表溫度就越高,不到中午時,溫度已經(jīng)達到4O;河流經(jīng)過的區(qū)域,沙土含水量比較大,比熱容就大.溫度上升緩慢.其地面溫度相對比較小.對于植波覆蓋的區(qū)域.植被蓋度大,地表溫度相對比較小,相反,其地表溫度較大.但植被覆蓋的區(qū)域,其地表溫度是裸地

14、表面溫度和植被冠層表面溫度的綜合,其溫度主要受土壤含水量,植被和沙土的比例等一些因素的影響.通過對樣點的地面溫度的測試,結(jié)果說明用熱紅外衛(wèi)星遙感反演的溫度與地面實際情況相當吻合.圖4l,andsatTM6反演的地面溫度圖T:36?249一J8,137,JD,R:0.834圖5地面溫度和,D的相關(guān)關(guān)系圖2,3地面溫度和,.關(guān)系植被指數(shù)是指通過近紅外和可見光波段反射率的線性和非線性組合構(gòu)成的對植被有一定指示意義的各種數(shù)值;地面溫度是地氣界面上能量交換的計數(shù)器,它是地表能量平衡的結(jié)果.提取調(diào)查樣點的植被指數(shù)(,v.)和地面溫度(T),通過對數(shù)據(jù)的分析,建立地表溫度(T)和NDV之間的回歸分析,可見地

15、表溫度和,問餌關(guān)性較高.=36.24918.1371(R=一0.834)(4)研究結(jié)果表明,在以地面溫度(T)和,為主軸構(gòu)成的二維空問中,呈現(xiàn)了定的分異規(guī)律.對于植波覆蓋比較大的像元,植物的蒸騰使冠層表面的溫度遠低于同環(huán)境條件下裸沙的表面溫度.對于植被和沙地混合像元,受到植被沙土比例和植被蒸騰強度等因素的影響.對于裸沙而言,含水量高的地面溫度低于同環(huán)境條件下含水量較低的地面,地面溫度和,.之問的反相關(guān)關(guān)系非常顯著.3結(jié)論本研究建立的利用LandsatTM6定量反演沙漠地區(qū)的地表溫度的精度較高,其結(jié)果與地面實際情況相符.利用熱紅外衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)定量反演地表溫度時,應(yīng)考慮地物的發(fā)射率差異,地形以及大

16、氣等因素的影響.,值低的地方,溫度較高;INDV”值高的地方,溫度較低.溫度和,.之問的反相關(guān)關(guān)系非常顯著.植被和沙地混合像元,其地表溫度是裸地表面溫度和植被冠層表面溫度的綜合.參考文獻l張仁華對于定量熱紅外遙感的一些思考.國土資源遙感,1999(1):l62胡遠滿,徐崇刑,布仁侖,等.RS與GIS在城市熱島效應(yīng)研究中的應(yīng)用環(huán)境保護科學(xué),2002,28(2):l一33傅碧宏,史基安,張中寧LandsatTM6熱紅外遙感數(shù)據(jù)定量反演地下水富集帶的溫度信息遙感技術(shù)與應(yīng)用,1999,14(2):34384徐冠華.論熱紅外遙感中的基礎(chǔ)研究.中國科學(xué)(E輯),2000,30(增刊):l一55覃志豪,Ha

17、ngMin曲Ha,ArnonArnonKarnieli,等.用陸地衛(wèi)星TM6數(shù)據(jù)演算地表溫度的單窗算法.地理學(xué)報,2001,56(4):4564666李小文,王錦地.地表非同溫象元發(fā)射率的定義問題.科學(xué)通報,1999.44(15):1612一l6l77崔亞莉,徐映雪.邵景力,等.應(yīng)用遙感方法研究黃河三角洲地表蒸發(fā)及其與下墊面關(guān)系.地學(xué)前緣,2005,12(特刊):1591658陳鳴,潘之棣.用衛(wèi)星遙感熱紅外數(shù)據(jù)估算大面積蒸散量.水科學(xué)展.1994.5(2):1261339黨順行,楊崇俊,王宇飛.衛(wèi)星遙感海表溫度反演研究,高技術(shù)通訊,2fi01(3):4952l0覃志豪,張明華.用陸地衛(wèi)星TM6數(shù)據(jù)演算地表溫度的單窗算法.地理學(xué)報,2001,56(4):456465¨GilabeMA,ConeseC.MaselliF.AnAtmosphericCor