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1、基于 landsat ETM+数据的成都市地表温度反演1实验说明地表温度的区域分布在气候变化、植被生态、环境监测和城市热岛等研究领域都有着重要的应用价值。地表温度又是地表通量(包括显热、潜热和 CO2 等通量) 、土壤水分含量、作物估产和作物缺水状况监测等遥感模型中的重要输入参数。卫星热红外传感器是目前能大范围获取地表温度空间分布的途径之一，如何从热红外遥感数据反演地表温度一直是众多学者所关注的问题。本实验是基于 landsat ETM+卫星遥感数据，利用单窗算法进行成都市地表温度反演。2 数据说明（1）landsat ETM+卫星介绍美国陆地卫星 7 号(Landsat-7 ) 于 1999
2、 年 4 月 15 日由美国航空航天局(NASA) 发射升空，其携带的主要传感器为增强型主题成像仪( ETM+ ) 。Landsat-7 除了在空间分辨率和光谱特性等方面保持了与 Landsat-5 的基本一致外，又增加了许多新的特性，因而受到了各国用户的普遍重视和欢迎。自发射升空至今，已为用户提供了大量高质量的图像数据。Landsat-7 每 16 天扫瞄同一地区，即其 16 天覆盖全球一次。 Landsat ETM+ 具有下面的优点：（1）其成像宽度是 185 km，只要是晴天，基本能保证16 d 获取一景数据，时间分辨率明显优于 ASTER；（2）其热红外通道空间分辨率是 60m，在城市
3、温度研究中虽然不如 ASTER 理想，但明显优于 MODIS 和 AVHRR；（3）卫星历史悠久，积累了丰富的图像资料，有利于城市温度的时间动态演变分析研究。（2）实验数据介绍Landsat7 ETM +的信号处理部分设置了两种状态, 即低增益状态(B61)和高增益状态(B62) 。本文最终选择高增益状态来反演地表温度。3 数据处理流程地表实际温度反演预处理数据读取辐射定标 可见光数据辐射定标热红外数据辐射定标几何校正图像裁剪 工程区矢量边界数据地表亮温植被覆盖度的计算地表真实温度分布图Landsat ETM+数据NDVI 的计算大气透射率地表比辐射率的计算大气等效温度地表温度场的空间结构分析
4、4 实验数据数据预处理辐射定标是将传感器记录的电压或数字值转换成绝对辐射亮度的过程。简单来说，辐射定标就是将记录的原始 DN 值转换为大气外层表面反射率，目的是消除传感器本身产生的误差。大气校正就是将辐射亮度或者表观反射率转换为地表实际反射率，目的是消除大气散射、吸收、反射引起的误差。主要分为两种类型：统计型和物理型。(1) 辐射定标辐射定标：对于 Landsat7 ETM+热红外波段辐射定标，采用下式：L=gainDN+bias式中，L 为辐射强度值，单位为 Wm-2s-1m-1;DN 为影像的灰度值；gain 和 bias 分别为增益和偏移，在影像头文件中获取。Gain=0.0372047
5、227 w/(m2 skm)/DNBias=3.162795324 w/(m2skm)/(2) 几何校正利用基准图像对待校正的图像进行校正。(3) 裁剪出成都市范围的遥感影像数据根据给定的边界对几何校正后的遥感数据进行裁剪。5 利用单窗算法反演地表温度根据地表热辐射传导方程, 覃志豪推导出一个简单易行并且精度较高的演算方法单窗算法, 把大气和地表的影响直接包括在演算公式中，是一种不需要大气校正直接反演地表温度的方法。该算法的优点在于仅需要三个基本参数：地表比辐射率、大气透过率。根据地表比辐射率 、大气等效温度 Ta 和大气透射率 ,则可用下式从亮度温度来推算地表实际温度:Ts=a(1-C-D)
6、+(b-1)(1-C-D)+1T6-DTa/C 式中, Ts 是地表实际温度; Tb 是行星亮度温度; Ta 为大气等效温度; a 和 b 是参考系数,取 a =67. 355351 , b = 0. 458606 ; C 和 D 是中间变量, 可用下面两式计算C = D = (1- ) 1 + (1- ) 式中, 为地表比辐射率； 为大气透射率。3.1 地表亮温亮度温度是指辐射出与观测物体相等的辐射能量的黑体温度。从 ETM + 数据中计算亮度温度反演地表温度, 首先要求出亮度温度, 亮度温度是遥感器在卫星高度所观测到的热辐射强度相对应的温度。这一温度包含有大气和地表对热辐射传导的影响。地表
7、亮温的推算需要两步：首先,把原始图像的 DN 值转化成相应的热辐射强度值，然后根据热辐射强度推算出相应的行星亮度温度。（1）求算热辐射强度值陆地卫星遥感器 TM 在设计制造时已考虑到把所接收到的辐射强度转化为相对应的 DN 值问题。因此，对于 TM 数据，所接收到的辐射强度与其 DN 值有如下关系:L()=Lmin()+Lmax()-Lmin()Qdn/Qmax式中 L()为 TM 遥感器所接收到的辐射强度（W m-2sr-1m-1） ，Qmax 为最大的DN 值，即 Qmax=255，Qdn 为 TM 数据的像元灰度值，Lmax()和 Lmin() 为 TM 遥感器所接收到的最大和最小辐射强
8、度，即相对应于 Qdn=255 和 Qdn=0 时的最大和最小辐射强度。TM 传感器的热波段 TM6 的中心波长为 11.475m 。发射前已预设 TM6 的常量为, 当Lmin()=0.1238 Wm-2sr-1m-1 时 Qdn=0；当 Lmax()=1.56W m-2sr-1m-1 时，Qdn=255。因此，热辐射强度与灰度值之间的关系可进一步简化为L()=0.123 8+0.0056 32156Qdn在 ETM+ 6 数据中，灰度值 Qdn 已知，因此用上述公式可很容易地求算出相应的热辐射强度 L()。（2）地表亮温值求算一旦 L() 求得，用如下近似式求算：T6=K2/Ln(1+K1
9、/L() 式中 T6 为 TM6 的像元亮度温度(K)，K1 和 K2 为卫星发射前预设的常量，对于 Landsat 5 与 Landsat 7 有所不同） 。Landsat 的 TM 数据， K1=60.776 Wm-2sr-1m-1，K2=1 260.56 K。对于 ETM+热红外波段， K1 为 666.093Wm-2s-1m-1,K2 为 1282.708K;因此，ETM+热红外波段的亮度温度为：T =1282. 71/Ln (666. 09/L+ 1)3.2 地表比辐射率的计算1) NDVI 的计算NDV I = ( B4 - B3) / ( B4 + B3) 其中,B4 、B3 分
10、别是 ETM + 第 4 和第 3 波段的 DN 值。由 TM 影像 B4 、B3 波段生成的 NDVI 数据，分辨率都是 30 米。因此，NDVI 的分辨率也是 30 米。利用主菜单-Basic Tools-Resize Data 重采样为 60 米分辨率，与 B6 数据保持一致。 当 NDVI0.05 时，可将像元视为完全被裸土覆盖 当 NDVI0.7，可将像元视为完全植被覆盖 当 0.05NDVI0.7，像元被视为一定比例的植被叶冠覆盖和一定比例的裸土混合组成， ，可以用植被构成比例 Pv 确定各像元的植被覆盖度。2) 植被覆盖度 Pv 的计算公式Pv 是植被占混合像元的比例。Pv =
11、(NDVI-NDVIs) / (NDVIv-NDVIs) 2 式中, NDVIv 和 NDVIs 分别是植被和裸土的 NDV I 值。NDVIv 完全植被归一化植被指数，取其经验值 0.7；NDVIs 完全裸土的归一化植被指数，取其经验值 0.05。当某个像元的 NDVI 大于 0.70 时， Pv 取值为 1；当 NDVI 小于 0.05，P v 取值为 0。3) 地表比辐射率 的计算 首先，用监督分类把图像分成自然表面、水面、城镇 3 类。 对于自然表面:= -0. 0462 Pv2+ 0. 0613 Pv + 0. 9626 对于城镇:= -0. 06712 Pv2 + 0. 086 P
12、v + 0. 9589 对于水体： = 0. 995 3.3 成都市大气等效温度 Ta 估计大气等效温度 Ta 主要取决于大气剖面的气温分布和大气状态 . 对不同的地区,大气平均作用温度可以用下面各式计算:热带平均大气：Ta= 17.9769+0.91715 T0中纬度夏季平均大气：Ta= 16.0110+0.92621 T0中纬度冬季平均大气：Ta= 19.2704+0.91118 T0本研究区位于中纬度且成像时间为 3 月,因此,采用中纬度冬季平均大气近似推算 TaTa= 19.2704+0.91118 T0 式中, T0 为卫星过境时地面附近(大约 2m 高度) 的气温; Ta 和 To
13、 的单位均为 K。T 0 可从当地的气象资料中查到。3.4 成都市大气透射率 的估计大气透射率对地表热辐射在大气中的传导有非常重要的影响，因而是地表温度遥感的基本参数，需要进行精确的估计。研究表明，大气透射率的变化主要取决于大气水分含量的动态变化，其它因素因其动态变化不大而对大气透射率的变化没有显著影响，因此，水分含量就成为大气透射率估计的主要考虑因素。大气水汽含量是从地面到大气顶之间的总含水量。（1）对于夏季, 当大气水分含量 w 在 0. 41. 6 之间时 = 0. 974290 - 0. 08007w 当大气水分含量 w 在 1. 63. 0 之间时 = 1. 031412 - 0.
14、11536w （2）对于冬季, 当大气水分含量 w 在 0. 41. 6 之间时 = 0. 982007 - 0. 09611w 当大气水分含量 w 在 1. 63. 0 之间时 = 1.053710 - 0. 14142w w 为卫星过境时地面附近(大约 2m 高度) 的大气水分含量，单位为 g/ cm2 。w 可从当地的气象资料中查到。其他说明:1 软件不限，ARCGIS、Envi、ERDAS 、PCI 等软件都可，自己编程实现亦可。2 波段运算（bandmath）工具中常用的函数下表中描述了 BandMath 工具中常用的 IDL 数组操作函数，详细介绍，请参阅IDL Reference
15、 Guide。 种类 操作函数基本运算 加（+）、减（-）、乘（*）、除（/）正弦 sin（x）、余弦 cos（x）、正切 tan（x）反正弦 asin（x）、反余弦 acos（x）、反正切 atan（x）三角函数双曲正弦 sinh（x）、双曲余弦 cosh（x）、双曲正切 tanh（x）小于（LT）、小于等于（LE）、等于（EQ）、不等于（NE）、大于等于（GE）、大于（GT）AND、OR、NOT、XOR关系和逻辑运算符最小值运算符（）指数（）和自然指数（exp（x）自然对数（alog（x）以 10 为底的对数（alog10（x）整型取整round（x）、ceil（x）、和 floor（x）平方根（sqrt（x）其他数学函数绝对值（abs （x）
