基于TM影像的森林地表温度遥感反演
2021-01-23
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第29卷第4期 2010年l1月 中南林业调查规划 CENTRAL S0UTH FORES INVEN rORY AND PLANNING Vo1.29 No.4 NOY.2010 基于TM影像的森林地表温度遥感反演 陈振雄,贺东北 (国家林业局中南林业调查规划设计院,长沙410014) 摘要:选取海南三亚市的一个典型区域为研究对象,以Landsat TM影像数据进行林地地表温度遥感 反演,分析不同森林类型的地表温度差异,以及地表温度与NDVI之间的关系。结果表明:研究区不同森 林类型的地表温度有着显著差异;有林地平均地表温度比无林地低0.7℃;天然林平均地表温度比人工 林低2.2℃,天然林在缓解城市热岛效应比人工林更具优势;人工林按优势树种平均地表温度由高到低 的顺序为芒果>龙眼>槟榔>橡胶>桉树;地表温度和NDVI之间存在高度负相关,相关系数为一0.76。 关键词:Landsat TM;地表比辐射;地表温度;森林类型 中图分类号:TP79;P423.3 文献标识码:A 文章编号:1003—6075(2010)04-0030—04 Retrieving Forest Land Surface Temperature from Landsat I'M Data CHEN Zhenxiong,HE Dongbei (Central South Forest Inventory and Planning Institute of State Forestry Administration,Changsha 410014,China) Abstract:Studied on the land surface temperature of typical region in Hainan Sanya city by using landsat TM data,analyzed the temperature diferences of diferent forest types,as well as the relationship between land surface temperature and NDVI.The results showed that:land surface temperature of different forest types had a signiicafnt difference in the average land surface temperature. e average land surface temperature of forest land was lower 0.7 than non—stocked land;the natural forest was in the sinigifcantly lower land surface temperature(2.2℃)than the forest plantation,the natural forest had an irreplaceable advantage in alleviating the urban heat island effect ithe temperature from highness to lowness by planted dominant tree species:Mango,Longan,Areea,Rubber plant,Eucalyptus; the prominent linear negative correlation between land surface temperature and NDV1 was found,the correlation coeffieient was--0.76. Key WOl ̄18:Landsat TM;land surface emissivity;land surface temperature;forest 地表温度是地气系统相互作用过程的一个重要 物理参数,它综合反映了地气能量与物质交换的结 面积大、成像周期短、价格相对低廉、又可以周期性获 取的卫星遥感数据成为地表热环境研究的重要数据 果。在天气预报、灾害监测、城市环境等研究领域得到 了广泛的应用It1。以往地表温度的获取大多依靠地面 气象站点的观测资料,这种根据有限观测点的监测数 据所进行的研究很难全面地反映区域地表热环境的 来源。 目前国内外学者对土地利用/覆被类型和地表温 度的关系已经做了一定的研究I21,但很少有研究不同 森林类型与地面温度的关系。本研究在前人,研究的 基础上,利用Landsat TM数据进行森林地表温度反 空间分布状况。随着卫星遥感技术的发展,瞬时覆盖 ・ 收稿日期:2010-04—06 修回日期201O-08—10 作者简介:陈振雄(1979一)。男。湖南新邵人,研究生,从事林业调查规划设计工作。 ・30・ 2010年第4期 陈振雄,等:基于TM影像的森林地表温度遥感反演 第29卷 演。采用遥感影像监督分类结合森林资源二类调查、公 2.2土地覆盖分类 益林区划等数据进行土地分类,并利用地理信息系统 (GIs)技术分析比较不同土地覆被类型的温度差异,探 讨地表温度与不同森林类型的关系,以期合理地利用 林地资源、规划城市建设、科学经营森林、缓解和控制 为了更好地了解各种地表覆盖类型和地表温度之 间的关系,根据研究区的土地覆盖特点,对研究区遥感 影像进行土地覆盖分类,先对遥感影像采用最大似然 法进行监督分类,并利用最新三亚市二类调查成果数 城市热岛、改善气候、建设良好的可持续发展的环境提 据、公益林区划成果数据进行修正,得到研究区土地分 供实践和理论依据。 l研究区概况 选取海南省三亚市的一个典型区域为研究对象, 18。37 10"一18。57 41”N、108。57 41"-109。32 19”E。区域 面积10.98万hm ,主要涉及的行政乡镇有崖城镇、天 涯镇、凤凰镇以及部分海域。研究区地势北高南低,北 部为山地、丘陵,南部为台地和平原。该区域地处热带。 属热带海洋性季风气候,受南海海洋气候影响较大,长 夏无冬,作物一年四季均可生长。植被属热带雨林、季 雨林,尚有残存的原生热带雨林和季雨林植被,其它多 为封育而成的次生植被以及部分人工植被。现有植被 类型主要有山地常绿林、山地雨林、低地雨林、橡胶林、 桉树林、木麻黄林、芒果林、荔枝林、龙眼林、槟榔林等。 2数据准备 2.1数据预处理 本次研究选用2007年4月1日采集的Landsat TM遥感数据,其中TM 6热红外波段波长范围10.4 —12.5 am,轨道号为124/47,数据质量较好,清晰无 云。其他辅助数据有地形图、DEM数据、最新森林资源 二类调查成果、公益林区划成果和行政界线等。根据研 究的目的和数据应用的特点,遥感数据预处理主要包 括正射校正(控制RMS误差在0.5个像元以内)、数据 投影变换、重采样(将空间分辨率为60 in的热红外波 段重采样成30 m)以及研究区的裁剪提取等。经过处 理好后的遥感影像见图1。 图l研究区TM遥感影像图(波段组合453) 类结果,见图2。研究区地类划分为有林地、无林地f未 成林造林地、无立木林地、宜林地)、耕地、水域、建设用 地(含未利用地)。为了进一步研究不同森林类型的地 表温度差异,又将有林地按起源(天然、人工)和优势树 种做了进一步细分。 图2研究区土地类型分布图 3地表温度反演 以研究区TM图像作为输人文件。利用ERDAS IMAGINE 9.1(Model Maker)进行建模。分别计算亮度 温度、地表比辐射率、植被指数等,得到研究区地表温 度反演浮点型分级图像。并在GIS技术的支持下,将地 表温度与土地利用分类图进行掩膜和叠加分析,统计 出不同土地利用覆被类型地表温度的均值和标准差 等。 3.1亮度温度 将热红外波段的DN值转换成辐射值,然后再将 辐射值进一步反演成地面亮温,计算过程如下。 1)TM 6波段数据辐射值计算。根据参考文献州,利 用以下公式计算Landsat TM6波段的辐射亮度。 厶:Zxmin+. (1) aIm =B reseaie+G rescaieQcal (2) 式中,厶为辐射亮度w/(m2 ̄sr・urn)); 为TM 6 ・31・ 2010年第4期 中南林业调查规划 第29卷 波段图像的DN值;Gn 和B酬。分别为辐射亮度的 增益量和偏移量; 与 分别为 辐射亮度的最 当NDVI:]x于O.05, 取值为0。 大值与最小值。对于Landsat TM 6, =0.055158, 玩 =1.2378, 一=15.303,k =1.2378。 2)求出辐射亮度后直接利用普朗克(Planck)公 式计算亮度温度,也可以用如下公式近似计算获得: 。一 一 :In(量+1) (3) 式(3)中。 为传感器的亮度温度 ;K和 是发射前 预设常量,对于Landsat5,K,=60.776(w/(ms・sr・urn)), K2=1260.56(K)。 3.2反演地表温度 由上述(1)(2)(3)式计算的只是传感器的亮度温 度,还需根据地物的比辐射率对其作进一步校正,从而 计算出地表温度。 : 1+( × Ip)In (4) 式中: 为地表温度, 为传感器亮度温度(K);热红 外波段中心波长 =I 1.5彻;P 矗 —tr(1.438x—10-2mk) 其中光速c=2.998x10。m/s; 普朗克常数 h=6.626×10 as;波耳兹曼常数 =1.38x10 J/K; s为地表比辐射率。 3-3地表比辐射率计算 首先对研究区进行监督分类,将遥感影像分为水 体、城镇和自然表面3种类型。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 分别根据以下公式[51计算: Csurfac。=0.9625+0.0614Pv一0.0461 (5) f,f-船=0.95894-0.086Pv一0.0671p ̄ (6) 式中, 。、 ilt—up分别代表自然表面像元和城镇 像元的比辐射率,P 为植被覆盖度,计算方法如下: 胪[ NDNDVIy I“—一NNDDylV Irmn (7) ND :—Band4-Band3 —Band4+Band3 (8) 式中,NDVI为归一化差异植被指数,Band 是近红外 波段,Band,为可见光红波段。计算得到研究区的植 被指数图见图3。取ND =0.7,NDVI. ̄ =0.05, 且有:当某个像元的NDVI大于0.7时,只取值为l; ・32・ 图3研究区植被指数图 4结果与分析 4.1地表温度空间分布格局 2007年4月1日温度分布图的统计数据表明研 究区当天地表平均温度26.7℃。其中:水体的平均温 度最低,为20.6℃;建设用地的平均温度最高,为355℃。 从地表温度分级图4中可以看出:研究区高温区分布 相对集中,主要分布在靠近沿海的城区范围内,地表温 度明显高于周边郊区,同时零星地分布在裸地(无林 地)区域。这是由于高温区内多为建筑物比较密集的 商业区和居住区,人为热排放较多。低温区主要分布在 水体、植被覆盖较高的三亚市抱龙林场和山体阴面的 区域。 图4研究区地表温度分级图 4.2不同地表覆盖的温度差异 1)按地类分。由表1可以看出:研究区建设用地 和耕地地表温度的平均值都较高,而水域和有林地地 表温度的平均值较低,有林地平均地表温度比无林地 低0.7℃。按平均温度由高到低的顺序排列,次序为: 建设用地>耕地>宜林地>无立木林地>未成林造林地> 有林地>水域。 2010年第4期 陈振雄,等:基于TM影像的森林地表温度遥感反演 第29卷 2)按森林类型分。为了进一步研究不同森林类 在缓解城市热岛效应更具有不可替代的优势。人工林 型之间地表温度的差异,将森林按不同起源、优势树 按不同优势树种平均温度由高到低的顺序排列,次序 种进行了地表温度计算。得到的结果见表2。从表2中 为:芒果>龙眼>槟榔>橡胶>桉树。芒果与龙眼由于其 可以看出:天然林平均地表温度为25.4 c【=,人工林平 受人为活动干扰较多,且裸地所占面积较大,因此,地 均地表温度为27.6 oC,天然林平均地表温度比人工林 表平均温度较高。 低2.2℃,说明天然林在降低地表温度比人工林显著, 表2研究区不同森林类型地表温度的差异 4.3地表温度与NDVI的关系 表3 NDVI与地表温度的相关关系 从以上的分析中可以看出,地表温度与地表覆盖 类型之间有着密切的关系。NDVI常用于检测植被生 长状态、植被覆盖度等,NDVI能反映出植物冠层的背 景影响,如土壤、潮湿地面、枯叶、粗糙度等,且与植被 覆盖有关。为了能够定量分析地表温度与NDVI之间 的关系,做出地表温度与NDVI之间的散点图。从图5 可知,地表温度和NDVI之间存在显著线性负相关, 料在0.01水平(双侧)上显著相关。 在SPSS18.0中计算出NDVI与地表温度的相关关系, 见表3,其相关系数为一0.76。表明当NDVI增加时,植 5结语 被覆盖度增大,地表温度降低,说明植被的蒸腾降温作 本文以TM为数据源进行了地表温度遥感反演。 用和对城市热岛的缓解具有明显效果。 并通过GIS叠加统计方法和相关分析模型定量的分析 了土地覆被类型与地表温度的关系。结果表明:研究 区建设用地和耕地地表温度平均值较高,而水域和森 林地表温度平均值较低;自然植被中森林对降低地表 地 表 温度较为显著,且天然林在降低地表温度比人工林显 温 度 著,天然林在缓解城市热岛效应中比人工林更具优 势;地表温度和NDVI之间 寺注显著线性负相关。但 O a.I 2 0.鲁 ● o.基 O ● 。_’ 由于没有卫星过境时的同步气象数据,无法对地表温 度反演结果进行客观的评价,同时也没有实测比辐射 图5研究区地表温度与NDVI之间的散点图 率数据进行验步证实。(下转第37页) ・33・ 2010年第4期 邢元军。等:基于面向对象的高分辨率影像的森林植被变化信息提取研究 第29卷 表2实地验证结果 薯)在影像上反映的光谱信息与森林植被信息很难区 分,需作进一步地研究。 4)在实际生产中对提取的森林植被变化小班应 进一步开展人机交互判读,以提高判读区划的精度和 由表2可知:正判图斑为76个,正判面积为 522.2 hm ,图斑个数正判率为80.85%,面积正判 率为84.90%。 减少实地验证的工作量。 参考文献: 【I1郑凤英,张英珊.我国森林资源及其可持续发展对策【J】.西部资 源,2006,(05):10-20 4结论与讨论 1)基于面向对象和多尺度分割技术遥感影像信 息分类方法,通过影像分割,首先建立均质区域的影 像对象,然后在此基础上进行信息提取。得到的分类 图详细而又较符合实际情况,分类精度较高,可以达 到80.85% 【21钟文君兰樟仁.基于高空间分辨率遥感影像的湿地信息提取技 术研究[J】.云南地理环境研究,2007,19(5):134—139. 【3l佃袁勇.基于遥感影像的变化检测研究【D】.武汉:武汉大学,2005. f4】BAATZM,SCHAPE A.Multi-resolution Segmentation:An Op- timization Approach for Hi曲Quality Muhiseale Image Seg- mentation.Angewandte Geogr[R1.Information Sverarbeitung,ed.by Strobl J,Blaschke T,Wiehmann,Heidelberg.2000,Ⅶ:12—23 2)面向对象的分类方法提取精度很大程度上取 决于影像的分割尺度。如何综合影像的光谱、形状、紧 密度、光滑度等因子,并结合研究区域地物特征和实 际应用的需要,获取最优的影像分割尺度,仍需作进一 步深人研究。 f5】HAYGJ,NIEMANN K 0.Visualizing 3-D Texture:A Three- Dimensional Structural Approach to Model Forest Texture【J1. Candian Journal of Remote Sensing.1994,20(2):90-101. 【6 钱巧静,等.面向对象的土地覆盖信息提取方法研究【6】JJ.遥感技术 与应用,2005.200):338—342 【7】尹作霞,等.面向对象的高光谱遥感影像分类方法研究【JJ.遥感信 息,2007,(4):3O一33. 3)海南地处亚热带地区,部分木本农作物(如木 (上接第33页) 【6):lO6一l l3. 应用多时相、不同分辨率遥感数据研究不同森林类型 在不同季节的地表温度关系及其变化动态,有待进一 步研究。 参考文献: 【l】林志彬.基于Landsat ETM+影像的城市热岛研究 ,安徽农业科 学,2009,37(28):13961一l3963. f3】谭桂客,蔡哲等.基于Land,sat影像的南京地区热岛效应【J】.安徽 农业科学,2009,37(13):6050—6066. 【4】Chander,G.;Markham,B.Revised Landsat-5 TM radiometrie eali- bration procedures and postealibration dynamic ranges….1EEE Transactions Oil Geoscience and Remote Sensing,2003,41(1 1): 2674—2677. 15】丁风。徐涵秋.基于Landsat TM 3种地表温度反演算法比较分 【J】.福建师范大学学报,2008,24(1):91—96. 【2】季青,贺伶俐,余明等.基于Landsat ET M+数据的福州市土地利 用,覆被与城市热岛的关系研究【J】.福建师范大学学报,2009.25 ・37・