基于landasmem數據的寧夏寧夏銀杏地表亮溫反演

隨著經濟的發展，城市化進程的加快，一系列生態環境問題越來越明顯。作為城市化嚴重程度最重要的一個指標,城市熱島越來越受到人們的關注［１－２］。城市規模越大,熱島效應就越明顯,熱島的強度也越大［３－４］。典型城市熱島研究方法是利用有限的地面氣象站提供的地溫觀測資料進行,由于有限觀測點很難全面地掌握城市地面熱島的空間分布情況,而熱紅外遙感能有效探測常溫的熱輻射差異,選用不同時相的熱紅外波段來進行研究,獲取大范圍的地面溫度面狀信息［５－８］。目前銀川市進入了一個高速發展期,城市化進程十分迅速。大規模的城市建設,工業企業進駐導致城市熱容量增大,下墊面溫度增高,城鄉溫度差異增大,城市熱島效應加劇,但是目前對于該區域的熱島效應研究卻很少。本文應用LandsatTM/ETM遙感影像反演出的亮溫對1999—2011年間銀川市熱島效應的空間分布和時間變化特征及原因進行分析研究,以期為研究區城市規劃、環境保護等方面提供借鑒。1數據和方法的研究1.1研究區和研究范圍銀川市是中國西北區域性中心城市。位于寧夏引黃灌區的中部,東臨黃河,西屏賀蘭山,介于東經105°51′—106°21′,北緯38°25′—38°37′,平均海拔1100m,屬中溫帶大陸性氣候,年均氣溫8.5℃,年均降水200mm,冬無嚴寒,夏無酷暑。國家實施西部大開發戰略以來,銀川市經濟高速發展,處于歷史以來最好的發展時期。本次研究范圍包括銀川市興慶區、金鳳區和西夏區。其中,興慶區面積757.6km２,常住人口678306人;金鳳區面積263km２,常住人口282554人;西夏區面積987km２,常住人口329310人。1.2m6波長空間分辨率LandastTM/ETM數據的第6波段可用來分析地表熱輻射和地面溫度,TM6波段天頂視角下空間分辨率為120m,ETM6波段空間分辨率為60m,相對于其它衛星影像如MODIS等分辨率較高,在精度要求較高的研究中應用廣泛。本文選取研究區1999年8月12日(TM影像),2006年9月16日(ETM影像)和2011年6月18日(TM影像)3個時段的LandastTM/ETM影像反演地表溫度,此外還包括研究區行政區劃圖(寧夏自然資源圖集),研究區1∶50000地形圖。1.3熱輻射與dn值的關系1.3.1數據預處理借助研究區1∶50000地形圖,應用軟件ErdasImagine在影像和地形圖中選擇30個均勻分布的控制點,采用雙線性內插法進行重采樣,完成1999年TM國象的幾何精校正。2006年的ETM圖像和2011年的TM圖像以校正好的1999年的TM圖像為基準進行影像間的配準,利用圖像—圖像的方式達到幾何配準的目的,投影采用UTM。然后應用行政區劃矢量界線將研究區進行裁剪。1.3.2地表亮溫反演亮溫計算主要分為兩步:首先將以灰度值(DN值)表示的TM/ETM數據轉換成相應的熱輻射強度;然后根據熱輻射強度推算相應的地表亮度溫度值。陸地衛星TM/ETM在設計制造時已考慮到將所接收到的輻射強度轉換為相對應的DN值的問題。因此,對于TM/ETM數據,所接收到的輻射強度與其DN值有如下關系［９］:式中:Lλ———傳感器所接收到的輻射強度[mW/(cm２·sr·μm)];Qｍａｘ———最大的DN值,即Qｍａｘ=255;Qｄｎ———像元灰度值;Lｍａｘ（λ）,Lｍｉｎ（λ）———傳感器所接收到的最大和最小輻射強度,即相對應于Qｄｎ=255和Qｄｎ=0時的最大和最小輻射強度。式中各參數可分別從LandsatTM/ETM數據頭文件中讀取。對于TM6影像,發射前已經預設Lｍａｘ(λ)=1.56,Lｍｉｎ(λ)=0.1238。因此,對于TM6來說,公式(1)熱輻射與灰度值之間的關系可以進一步簡化為:在對Landast7ETM數據的有關處理計算中,Lｍａｘ(λ)=12.65,Lｍｉｎ(λ)=3.2。灰度值Qｄｎ已知,便可求出熱輻射強度Lλ,進而根據式(2)近似計算像元對應的亮度溫度值:式中:T６———TM6/ETM6的像元亮度溫度(K);K１,K２———發射前預設的常量,對于Landsat5的TM數據,K１=60.776mW/(cm２·sr·μm),K２=1260.56K;對于Landsat7的ETM數據,K１=66.6093mW/(cm２·sr·μm),K２=1282.7108K［１０］。本研究中1999年和2011年為TM數據,2006年為ETM數據。ETM數據的第6波段空間分辨率為60m,為便于比較,將2006年的數據重采樣成與1999年和2011年分辨率相同的120m。此次研究所采用的3個時段的影像分別為6月、8月和9月,對于研究區來說氣候條件比較接近,具有可比性,但直接比較絕對亮溫值仍然會有差別。因此,為了較精確地利用不同季相的影像反演的亮溫對城市熱島進行時間序列研究,本文采用亮溫歸一化方法將亮溫分布范圍統一到0和1之間。歸一化公式如下:式中:Nｉ———第i個像元歸一化處理后的值;Tｓｉ———第i個像元的絕對亮溫值;Tｓｍｉｎ———地面絕對亮溫的最小值;Tｓｍａｘ———地面絕對亮溫的最大值。2結果與分析2.1熱島效應的測定利用LandsatTM/ETM熱紅外計算模型,在Erdas中用建模工具反演出銀川市1999年、2006年和2011年的地面亮溫,然后經過歸一化處理得到相對亮溫分布圖,為更加全面深入地分析研究區熱島效應,用自然斷點分類法將相對亮溫分成7類,作研究區溫度等級圖(圖1),并統計計算3個時段7類溫度區的面積比例(表1)。2.2熱島效應變化規律2.2.1熱島空間分布特征由圖1可以看出銀川市西部和東部出現大片的高溫區,這是由于銀川市西部是賀蘭山,東部是黃河的河漫灘,這些區域大部分都是裸露的巖石和沙地,這些物質比熱容相對較小,所以溫度較高,屬于高溫和極高溫區。但研究時段內未利用土地的時空變化并不明顯,因此在分析數據時,對于高溫區和極高溫區的趨勢變化分析沒有影響。1999年西夏區并未出現明顯的熱島現象,而金鳳區南部工業區熱島現象明顯,興慶區與金鳳區邊界處有熱島現象產生,但強度相對較弱。2006年金鳳區南部的熱島效應加劇,并且向北發展。西夏區與金鳳區、興慶區與金鳳區交界處出現高溫區且較高溫區增加,1999年的中溫區被2006年的高溫區取代,范圍也變大。2011年銀川市中部熱島范圍更廣,強度也更大,西夏區和金鳳區的高溫和極高溫區面積增大,高溫區和較高溫區向南擴張,取代了大部分2006年的中溫區,熱島效應加劇。但是在金鳳區北部,也就是閱海國家濕地公園所在區域,亮度整體仍然不高。興慶區內較高溫區和極高溫區面積比例都在逐漸增加。2.2.2熱島時間分布特征從表1可以看出,1999年研究區極低溫區和低溫區的比例為23.97%,2006年為4.8%,2011年為3.22%,說明極低溫區和低溫區范圍在逐漸減少,1999年較低溫區、中溫區和較高溫區的比例為45.92%,2006年為62.86%,2011年為53.82%,1999—2006年增加了16.94%,幅度很大,到2011年又有所減小,但仍大于1999年。高溫區和極高溫區1999年為30.11%,2006年為32.34%,2011年為42.96%,呈逐漸上升的趨勢,2006年到2011年的增加幅度非常明顯,達到10.62%。為深入分析銀川市三區1999—2011年熱島效應變化規律,對銀川市三區的溫度等級分別進行面積統計(表2)。由表2可以看出,西夏區內代表極低溫區、低溫區和較低溫區面積在1999年占到28.78%,而之后的兩個年份出現顯著下降,最低時達到2011年的11.34%。西夏區低溫和較低溫范圍的減小表明熱島效應加劇。而代表高溫的較高溫區、高溫區和極高溫區的面積比例在1999年為54.74%,2011年增加至74.36%,這其中包括了賀蘭山特殊區域的影響,但是這些特殊區域在3期圖像中變化并不明顯,不影響對變化趨勢的分析,所以西夏區高溫區域增加明顯。金鳳區內變化更為明顯,極低溫區、低溫區和較低溫區的面積比例從1999年到2011年減少了49.38%;極高溫區、高溫區和較高溫區的面積比例從1999年到2011年增加了50.69%。其中,中溫區先增加后減少;高溫區域面積比例增長迅速,由1999年的7.83%增加到2006年的15.62%,2011年增加為31.65%。興慶區內極低溫區和低溫區面積比例大幅減小,由1999年的34.84%減小為2011年的3.25%;較低溫區面積比例逐漸增加,由1999年的17.47%增加到2006年的24.27%,再到2011年的31.25%;中溫區呈現先增加后減少的趨勢,較高溫區和極高溫區面積比例都在逐漸增加,由1999年的22.05%增加到2006年的30.75%,2011年增加為38.12%,但是高溫區面積比例由1999年的17.12%下降為2011年的10.98%。2.2.3熱島時空分布特征原因分析熱島效應的時空分布以及異常現象受到很多因素的影響,如水體覆蓋、植被覆蓋、建筑物密度等,其中建筑物密度與熱島效應的關系已經得到了證明［１１－１２］。1999年金鳳區出現明顯的熱島,這是因為銀川市經濟技術開發區一期位于金鳳區,該區所在工廠的生產活動所排放的熱量導致地表溫度增高。在隨后的發展中,金鳳區已建設為現代化區域中心城市核心區。直至2011年金鳳區除北部的閱海濕地國家公園外,其余地區均成為熱島。西夏區熱島效應從無到有,從弱到強,范圍也在增大。這是由于銀川經濟技術開發區二期的成立,導致大量工業企業進駐西夏區,2011年末,開發區共有各類入區企業1400多家,如寧夏化工廠、銀川橡膠廠、西北軸承廠等高耗能企業,這些工廠的生產活動所排放的熱量導致地表溫度較高,使得西夏區南部熱島迅速擴張且強度不斷加大。興慶區是銀川市商業區,1999年建成區范圍較小,且周圍有大量水稻種植,水塘遍布,因此熱島效應不明顯,隨著城市的不斷擴展,大量農田、水塘轉變為建筑用地,建成區的面積逐漸增大、城市道路不斷擴建,人口也不斷增加,從而導致興慶區熱島效應的加劇。3地表亮溫分布和熱島效應城市熱島效應的研究對城市規劃決策、城市污染的輔助治理、分析居住生活質量以及生態環境保護建設等具有十分重要的意義。本文利用TM/ETM數據對寧夏的城市熱島效應進行了研究,得出以下結論:(1)利用TM和ETM的第六波段,可以反演地表亮溫分布情況,根據亮溫在一個時期的時空變化,可分析研究區在研