基于遥感的地表温度反演算法比较——以江阴市为例

论文总字数：10588字

摘 要

地表温度是反映地表环境的一个重要参数，精确获取地表温度的方法对研究城市热岛效应、进行生态环境监测评价是必不可少的。利用遥感手段进行地表温度的反演是一种较新颖的方法，相对成熟的反演算法主要有单通道算法、辐射传输方程法及单窗算法。本文以江苏省江阴市Landsat TM数据为例，分别利用辐射传输方程法和单窗算法进行地表温度反演，并与其亮度温度进行了对比研究，结果表明：这两种算法反演的地表温度和亮度温度的空间分布情况大体相同，但也存在着差异，单窗法和辐射传导法均值温度相差1.1K，与亮度温度均值相比较，单窗方法高0.6K，辐射传导方程法高1.7K。单窗算法精度优于辐射传导方程法。

关键词：Landsat TM，地表温度，辐射传输方程法，单窗算法

Abstract：Land surface temperature is a very important parameter to reflect the surface environent,obtaining accurate surface temperature method to the study of urban heat island effect and ecological environment monitoring and evaluation is essential. By means of the remote sensing data of land surface temperature inversion is a relatively new method, the relatively matrue inversion algorithms mainly includes the single channel algorithm, the radiation transmission equation method and the mono-window algorithm.This paper takes the TM Landsat data of Jiangyin city in Jiangsu Province as an example, respectively, using the radiative transfer equation algorithm and the mono-window algorithm for retrieving land surface temperature, and its brightness temperature were studied. The results shows that the the spatial distribution of surface temperature and brightness temperature is roughly the same, but there are also differences.The mean value of the mono-window method and the mean value of the radiation conduction method differ 1.1K, compared to the mean value of brightness temperature,the mono-window method is 0.6K higher than it , the radiative transfer equation algorithm is 1.7K higher than it . The mono-window algorithm is more accurate than radiation conduction equation method..

Keywords：Landsat TM, land surface temperature, the radiative transfer equation algorithm, the mono-window algorithm

目 录

1 前 言 3

2 研究区域概况 3

3 数据源及预处理 4

4 江阴市地表温度反演 4

4.1 辐射传输方程算法 4

4.2 单窗算法 7

5 验证反演结果精度 9

6 江阴市地表温度分析 10

结 论 11

参 考 文 献 12

致 谢 13

1 前 言

地表面温度在地表与大气的相互作用过程中起着重要的作用，是研究地表和大气之间物质交换和能量交换的重要参数，它在气候、地质、水文、生态等众多领域有着广泛的需求^[1]。传统获取地表温度的方法主要使用的是有限的地面气象站提供的地温观测资料，由于观测不可能同步进行，观测点位的密度也不高，这种方法不能全面、同步地反映地面热辐射空间分布状况。随着热红外卫星遥感技术的发展和完善，较好克服了传统温度监测的不足，它能有效地、全面地探测到下垫面的温度特征，且能周期性、动态地监测城市热环境的变化趋势。

伴随着国内遥感技术的发展进步，其在较多领域有着广泛的应用。特别是热红外遥感技术的进步，使其能够大范围快速地监测地表温度。20世纪60年代起，遥感数据开始用于地表温度的反演。如何快速准确地获取地表温度是现阶段研究的热点问题。其中，亮度温度、比辐射率及大气辐射亮度的精确获取是进行地表温度反演的三个关键参数。针对这些困难，国内外学者相继提出了很多种温度反演算法，主要有：单波段算法^[2]、多波段算法、单波段多角度法和多波段多角度法等。单波段的方法主要包括辐射传导方程法（大气校正法）和单窗算法^[3]。国内外学者多以Landsat TM数据为例，分别利用辐射传输方程法和单窗算法进行地表温度反演，通过遥感目视解译的方法提取研究区各类典型地物对应的地表温度，进行统计分析^[4-6]。

本文以江苏省江阴市为研究区域，首先通过对归一化植被指数（NDVI）、植被覆盖度、比辐射率、大气辐射亮度等关键参数的计算与分析，再利用辐射传输方程的地表温度算法及单窗算法两种不同的算法，对所研究区域的地表温度进行反演，并对得到的不同算法地表温度反演结果进行比较与精度分析，以期为温度等级分布和转移趋势、城市热岛效应等研究提供较为精确的前期科学依据。

2 研究区域概况

江阴市，简称澄，因地处“大江之阴”得名，是一座滨江港口花园城市。江阴位于中国华东，江苏省南部，长江三角洲太湖平原北端。东接张家港，南临无锡，西连常州，北对靖江。江阴地处江尾海头、长江咽喉，历代为江防要塞，是大江南北的重要交通枢纽和江河湖海联运换装的天然良港。江阴市原属吴地延陵，南宋时为两浙路十六府之一，明清属常州府，现为无锡市行政代管。江阴枕山负水，襟带三吴，有“延陵古邑”“芙蓉城”“忠义之邦”之称。江阴历史悠久，人文荟萃，有7000年人类生息史、5000年文明史、3800年筑城史、2500年文字记载史、1734年建置史。山之北水之南为阴，江阴意表江南。江阴城市精神为人心齐、民性刚、敢攀登、创一流。

江阴位于江淮流域，所以属于亚热带季风气候，亚热带季风气候分布在北纬25°～35°亚热带大陆东岸，它是热带海洋气团和极地大陆气团交替控制和互相角逐的地带。这里冬季不冷，1月份平均温普遍在0℃以上，夏季较热，7月份平均温一般为25℃左右，冬夏风向有明显变化，年降水量一般在1000毫米以上，主要集中在夏季，而冬季较少。这类气候以我国东南部最为典型，其它地区，由于其冬季也有相当数量的降水，冬夏干湿差别不大，因此被称为亚热带季风性湿润气候。

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