1、基于TM遥感影像的北京地区地表温度反演杜香霖2012045001邓文星2012045002蒋 伟 2012045004目录1.1 项目概述 21.1 研究背景 31.2 研究意义 31.3 研究内容 31.4 研究方法 41.2 研究区概况及数据资料获取 51.3 遥感数据预处理 72.1 3.1 辐射定标 72.4 计算归一化植被指数 NDVI 值 122.5 地表比辐射率计算 142.6 反演地表温度 183. 分析总结 21结果分析 : 211 项目概述1.1 研究背景地球表面温度是一个重要的水文、气象参数， 它影响着大气、海、陆之间的感热和潜热交换， 是诸多研究领域不可或缺的基础资料，
2、 精确定量反演陆面温度的成果将推动旱灾预报和作物缺水研究、农作物产量估算、数值天气预报、全球气候变化和全球碳平衡等领域研究的进展。 地表温度在大气与地表的物质与能量交换， 植被生态，气候变化等方面有着重要的应用。而遥感信息技术发展以来， 以其独特的优势在各个领域得到重大应用。 利用热红外遥感可以在短时间内获得大范围、 多时相、 多分辨率的地表温度及其温度场空间分布信息， 与传统的观测方式相比，具有快速、便捷、观测范围大和信息连续等优点。因此，利用热红外遥感数据反演地表温度的应用日趋广泛， 利用卫星遥感资料进行地表温度的反演也成为目前遥感定量研究中的重要任务之一。1.2 研究意义近年来“城市气候
3、和环境”问题引起了研究者的广泛兴趣， 其中城市热环境、城市热岛效应及其与环境的相互关系等领域是当前城市气候与环境研究的中心问题 1 。地表温度是很多环境模型的一个重要参数，在大气与地表的物质与能量交换，天气预报，气候变化等方面有着重要的应用。利用热红外遥感2 可以在短时间内获得大范围的地表温度及其温度场空间分布信息， 与传统的观测方式相比，具有速度快、 便捷、 观测范围大和信息连续等优点。 本文利用 Landsat TM 第 6 波 段数据反演北京地区地表温度， 分析了北京地区地面温度分布模式及城市热岛效应，并探讨了城市热岛效应与城市土地覆盖类型及植被指数之间的关系。1.3 研究内容利用 EN
4、VI 软件， 2003年及 2009年两年的 Landsat TM 数据的热红外数据（第六波段，波长0.4 - 12.5 m）对北京地区的地表温度夏季分布规律进行了研究， 并结合利用遥感数据获得的土地利用 / 覆盖资料和社会经济统计资料分析了各区 温度差异的原因与变化规律， 为北京市的城市建设和土地合理利用规划提供一定 的借鉴。1.4研究方法实际操作中，以LandsatTM数据作为主要数据源，首先网上下载符合操作 要求的北京地区两年TM遥感影像，在ENVI5.0下对遥感影像进行图像增强，辐 射定标，大气矫正，几何校正，接着在 ENVI软件中测定影像的比辐射率，然后 经过一系列的处理，得到地表温
5、度，并进行结论分析，得到结果。操作部7#如下：第一步对遥感影像进行图像增强，辐射定标、大气矫正，几 何校正。第二步，图像计算NDVI值，运用ENVI软件对遥感影像测定比辐射率。 第三步，计算相同温度下黑体的辐射亮度值。第四步，反演地表温度。第五步， 将两幅图像进行对比，得出结论。2.影像处理过程2.1遥感影像处理软件简介ENVI (The Environment for Visualizing Images)是美国 ITT Visual Information Solutions公司的旗舰产品。ENVI由遥感领域的科学家采用IDL开发的一套功能 强大的遥感图像处理软件；它是快速、便捷、准确地从
6、地理空间影像中提取信息 的首屈一指的软件解决方案，它提供先进的，人性化的使用工具来方便用户读取、 准备、探测、分析和共享影像中的信息。今天，众多的影像分析师和科学家选 择ENVI来从地理空间影像中提取信息。已经广泛应用于科研、环境保护、气象、 石油矿产勘探、农业、林业、医学、国防安全、地球科学、公用设施管理、遥感 工程、水利、海洋，测绘勘察和城市与区域规划等行业。ENVI包含齐全的遥感影像处理功能：常规处理、几何校正、定标、多光谱 分析、高光谱分析、雷达分析、地形地貌分析、矢量应用、神经网络分析、区域 分析、GPS联接、正射影象图生成、三维图像生成、丰富的可供二次开发调用的 函数库、制图、数据
7、输入/输出等功能组成了图像处理软件中非常全面的系统。 ENVI对于要处理的图像波段数没有限制，可以处理最先进的卫星格式，如 Landsat7 IKONOS、SPOT, RADARSAT , NASA, NOAA , EROS 和 TERRA, 并准备接受未来所有传感器的信息。主界面图如图1。Q? ENV1 45|三 | 目立件基本二M 分类空亘钙滤波波芭西山三楼嵌戈里单电形工g 雷达工具窗匚帮前图1 ENVI主界面图2.2研究区概况及数据资料获取北京地处华北平原北端，位于北纬 39 26- 41 4,东经11524-118 31之 间。位于华北平原西北边缘。毗邻渤海湾，上靠辽东半岛，下临山东半
8、岛。北 京与天津相邻，并与天津一起被河北省环绕。西部是太行山山脉余脉的西山，北 部是燕山山脉的军都山，两山在南口关沟相交，形成一个向东南展开的半圆形大 山弯，人们称之为北京弯”，它所围绕的小平原即为北京小平原。全市土地面积 16410平方公里， 其中平原面积6338平方公里，占38.6%。属于典型的温带 大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨。在该区利用遥感信息进行区域性尺度的地表温度及时空要素监测非常重要，有实际指导意义。本文选用Landsat TM的影像数据，TM影像包含7个波段，各个波段的特 征和用途及遥感数据详细信息如下所示：TM影像各波段特征及主要用途波段号波段类型波长空间分辨率
9、功能与主要用途1蓝色0.45-0.5230对水体有穿透能力，用来分析土地利用、干 燥的土壤、植被特征、编制森林分布图2绿色0.52-0.6030对水体的穿透能力较强，对植被的反射敏 感，位于叶绿素的两个吸收带之间，利用 这一波段增强鉴别植被的能力；能区分林 型、树种3红色0.63-0.6930位于叶绿素的吸收区， 能增强植被覆盖与无植被之间的反差，亦能增强同类植被的 反差；可根据植被的色调判断植物的健状况4近红外0.76-0.9030集中反映植物的强反射，用于植被类型、生 物量和作物长势的调查，绘制水体边界和土 壤湿度，也可用来增强土壤与农作物 和陆地与水域之间的反差5中红外1.55-1.75
10、30处于水的吸收带，对含水量反应敏感，可用 于土壤湿度、植物含水量调查、水分状 况研究、作物长势分析6热红外10.4-12.5120属于热红外波段，对热异常敏感。监测与人 类活动有关的热特征，用于热分布制图、岩 石识别和地质探矿、水体温度变化制图7中红外2.08-2.3530探测高温辐射源，如监测森里火灾、火山活 动等，区分岩石类型、地质探矿与制图数据源详细信息数据日期分辨率(m)投影2003-08-2530UTM , WGS84 Zone502009-09-1230UTM , WGS84 Zone50Landvcit 4-5 TM卫星低字产品，叁本信息叁出并7F喧抖观&U喧就城精醒好HTJ0
11、SAT6豺春受L4JTU4星强TM制蜘iKiRH? 1虹MY辞西三侬32盘工用APCnliJ 聃Mfe.fiTl?f日斯倩君胤q人口务方1科:均附目02 J 135.li云亨佑比90左上勒云里 0左下雨三甲DI右上济，学90STLIS0 0f空间性皂1HMi四116JU3事心用81饵左程度115.3713侬百二S甜度118.0345告上角拄思S95券右下蔺子僧nrwa?石7涧胃比X 3619文引用些区作“主1量!工电“ 60g遥感图像下载过程2.3遥感数据预处理由于地球自转、大气折射、地形起伏、传感器姿态变化等多种因素的影响， 使遥感图像产生辐射失真和几何变形，这些失真与畸变会影响影像的质量和
12、应用, 必须进行消除。2.3.1辐射定标辐射定标，就是将像素灰度值 DN( Digital Number)转换为辐射亮度或者反 射率。通过定标，可以消除一些大气的干扰。本文通过ENVI软件中自带的对TM的定标工具，计算辐射亮度或反射率。实现方法： File-Open External File-Landsat-GeoTIFF withMetadataBasicTools-Preprocessing-CalibrationUtilitties-Landsat Calibration利用ENVI ,在输入栏中输入太阳高度角，成像日期等参数。如图3.TM Calibration Parameters
13、Lands at Satellite C 4 i* S ETM+ 7Data Acqui si ti cn Month:M：irchBate. Ac(jiii si ti cn DayData Acquisition Year1965 =Sun. Elevati on degj45. 73Cjlibrtion Ij*pe F* RdiRefleet.虹eqDutjut Rssult toFil电MemoryEnt sr Output Filename Chooss Capress 葭 辐身建标OKQuq口自Cancel定标对话框辐射定标后的图像如图4XOjff hnjp zco逑曼受n Bft
14、nc N-a-ihi. (G2-3 3S-0.6田建Rap lntpions!一 口TM M2V La 田皿J 1 7一 口TH Cal(TH(BardL 0情CJ仃中si吧七山（B虹a 3）7一 口n Cal(Till M吧 t 巅 iBard 4alL 情CJ仃中 Mct-L (Bend. 5,17 口IM CalJU34d 1)国整H-&P Zno二匚可 5Kb46影像定标结果2.3.2ENVI大气矫正大气校正的目的是消除大气和光照等因素对第五反射的影响，获得地物反射率、辐射率、地表温度等真实物理模型参数，包括消除大 气中水蒸气、氧气、二氧化碳、甲烷和臭氧等对地物反射的影响；消 除大气分
15、子和气溶胶散射的影响。第一步：辐射定标 第二步：辐射亮度单位转换 由于辐射定标之后得到的辐射亮度单位为W/(m m msr) , FLAASH要求的辐射亮度单位为W/(crn- nm- sr),两者相差10倍，并且FLAASK块要求BIL 的图像存储方式，因此需要作出调整。第三步：输入FLAASF#数FLAASF#数输入单位调整:Basic Tools-Band Math表达式为：b1/10图像存储方式：Basic Tools-Convert Data（BSQ 、BIL、BIP）FLAASHI块:根据图像元数据输入参数，高级设置为默认，执行模块, 输出结果。大气校正结果展示2.3.3图像的几何
16、校正通过一系列的数学模型来改正和消除遥感影像成像时因摄影材 料变形、物镜畸变、大气折光、地球曲率、地球自转、地形起伏等因 素导致的原始图像上各地物的几何位置、形状、尺寸、方位等特征与 在参照系统中的表达要求不一致时产生的变形。几何校正步奏如下所示:开始误差太大重采样输出2.4 计算归一化植被指数NDVI值在假设地表为朗伯体的前提下，用求得的辐射亮度计算表观反射率。 表观反 射率就是指大气层顶的反射率，辐射定标的结果之一，大气层顶表观反射率，简 称表观反射率，又称视反射率。分别对2003年以及2009年北京遥感影响做NDVI归一化植被指数计算，如 下所示：2003年北京地区NDVI显示2009
17、年北京NDVI植被显示对比2003年与2009年北京同一地区植被指数:2.5 地表比辐射率计算物体的比辐射率是物体向外辐射电磁波的能力表征。 它不仅依赖于地表物体 的组成，而且与物体的表面状态(表面粗糙度等)及物理性质(介电常数、含水量 等)有关，并随着所测定的波长和观测角度等因素有关。在大尺度上对比辐射率 精确测量的难度很大，目前只是基于某些假设获得比辐射率的相对值， 本文主要 根据可见光和近红外光谱信息来估计比辐射率。2.5.1 植被覆盖度计算计算植被覆盖度Fv采用的是混合像元分解法，将整景影像的地类大致分为 水体、植被和建筑，具体的计算公式如下：Fv = (NDVI- NDVIs)/(N
18、DVIv - NDVIs)(10)其中，NDVI为归一化差异植被指数，取 NDVIv = 0.70和NDVIs = 0.00,且 有，当某个像元的NDVI大于0.70时，Fv取值为1；当NDVI小于0.23, Fv取 值为00利用ENVI主菜单-Basic Tools-Band Math,在公式输入栏中输入：(bl gt 0.7) *1+ (b1 lt 0) *0+ (b1 ge 0 and b1 le 0.7) * (b1-0.0)/(0.7-0.0)b1: NDVI值，如图6-手 Variables to Bands PairingsExp； | n?i 0, 7*1+ ctl It 0)
19、*0+ (bi P 0 WVara 31 lasej,eacpir e s s oti 二A.v&i 1 Eutd互 Li s LMap Info，OTndvi口 Puxxd M itb. C-1 o at(W* Mp In&QSndvi口 B art J. M alx (o at CbA j float Q3J j/o at玛金Map InfoMap Vmti t 七。Input Fi 11ati al Subset I |Full SceneOutput suit t.o k File riem+iryEnt*ir 口口tpqt Fi工手工匚h。中国g - CQmpi-essKOu电口wC
20、arte! KLp图6计算植被覆盖度对话框得到植被盖度图像，如图7F/ Se-oli D.Ot-Oli；况理出 国二斜.4M箝Ee 艮17fl G ：诺弓:LF汴中独白箱记17R.工。“ 50厢门匕，丫呼 4-J7T5.CLl. qT575, JJtf 加七zb u. *JW 川，. LltmT】 BFI Dd.t- U 45914C2003年植被覆盖度2009年植被覆盖度2.5.2地表比辐射率计算根据前人的研究，将遥感影像分为水体、城镇和自然表面3种类型。本专题采取以下方法计算研究区地表比辐射率：水体像元的比辐射率赋值为0.995,自然表面和城镇像元的比辐射率估算则分别根据下式(3) (4)
21、进行计算：(11)(G1= 0.9625 + 0.06141V - 0.0461Fv2G2 = 0.9589 + 0.086FV - 0.0671 Fv2式中，G1和G2分别代表自然表面像元和城镇像元的比辐射率。利用ENVI主菜单-Basic Tools-Band Math,在公式输入栏中输入: (b1 le 0) *0.995+ (b1 gt 0 and b1 lt 0.7) *(0.9589 + 0.086*b2 - 0.0671*b2A2)+(b1 ge0.7)*(0.9625 + 0.0614*b2 - 0.0461*b2A2),如图 8。b1: NDVI值；b2:植被覆盖度值。图8计
22、算比辐射率对话框地表比辐射率计算利用ENVI主菜单-Basic Tools-Band Math,在公式输入栏中输入: (b2-3.39-0.6* (1-b1) *5.12) / (0.6*b1)bl：地表比辐射率值；b2：表示热红外波段大气校正后的辐射定标值。得到了温度为T的黑体在热红外波段的辐射亮度值。如图10。Cl - ior LutJtson /VakieErah*iUFla Cpb&n%加干笔 帐1/1/3*盯rp： M XE金匕旧B S35Irjfl.if：. 1JJU Z:n Si JUeAN9 KH；rJ HIE /l4Ffi rni GT”.LL ，U0?中如发 国 -17n5
23、 S 6Ekw U L0S4K2003年亮温图2009亮温图2.6 反演地表温度在获取温度为Ts的黑体在热红外波段的辐射亮度后，根据普朗克公式的反 函数，求得地表真实温度Ts：Ts = K2/ln(Ki/ B(Ts)+ 1)(15)sr对 TM ， K1 =666.09W/(m2N m) K2 =1282.71K。利用ENVI主菜单-Basic Tools-Band Math,在公式输入栏中输入: ( 1282.71) /alog( 666.09/b1 +1) -273bl:温度为T的黑体在热红外波段的辐射亮度值。得到真实的地表温度值，单位是摄氏度。如图 11。*感,to RhccH Pair
24、ingisBkp :(607. TG/LC Cxsw. W/blJLA73Vv 1 db】as ui口述 i n. 4Hpr sssion金什!工.11-1L ff5id 由,工 3 IM.6 ( ftsE-a 45-iQ 3* fl -b I )0Lfc.InfoES OTA口 口 TM CiJL W2T.州ask JIos4i c CBiitd t DI *审且“ N J_ei v ei orcid i -I!IM MW Vh mILX t1口 Tnp-u.t. Pile后率iUI lilLl_3bMe-口uLpu1七 lrL 3.mJ_L L w f* F 工 J. w if= M .m
25、 ex- yEnter Out pul Ft lri*me Rho哥史 | P Co*pr essr VJHE2 厨QK |命 工曲明口 | CmQifrl | HglLp |C1 a图11地表温度反演对话框结果显示:。而口腿Cwrwir Lcgrifioii fVt中需血川,*的1j irdlQWIF - riU15同oil 5 哂4 Q 匠?力5唱HMJ Sef.! .t!L2b G-321 a ILS钿匕他 Win, Hqr* 却i*tthf 0C1. 4451105.001 Hetcrza 丽舞 E，iieiris arei=z *1 Dfti & rr 华药日之力 眨Dftla. 2
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