孫亞麗，宋 峰

（鄒城市氣象局，山東鄒城 273500）

1 研究區(qū)概況

濟寧市（34°26′～35°57′，115°52′～117°36′）坐落在黃淮海平原的中心。東鄰臨沂地區(qū)，西與菏澤接壤，南面是棗莊市和江蘇省徐州市，北面與泰安市交界，西北角隔黃河與聊城市相望。地形以平原洼地為主，地勢東高西低，地貌較為復雜。年平均溫度在13.3～14.1℃，平均年降水量為597～820㎜，是一個典型的暖溫帶大陸性季風氣候，擁有豐富的日照和太陽輻射。

2 地面溫度反演

當前，Landsat 衛(wèi)星數據的反演中一般使用的表面溫度的方法有3種：輻射傳輸方程法[1]、單窗算法[2]和分裂窗算法[3]。本文針對地球衛(wèi)星遙感資料的特性，在遙感圖像上，利用輻射傳遞方程方法，實現了地表溫度的反演。這種算法的物理基礎清晰，地表溫度計算結果更加準確，但其缺點是計算過程相對比較復雜。輻射傳輸方程法，也可以被稱為大氣校正的方法，它是依托衛(wèi)星的熱紅外波段數據，實現地表溫度的反演，衛(wèi)星感應器接受的熱輻射的亮度，也就是輻射傳遞公式的計算。理論上，因為地球和衛(wèi)星之間存在著一部分大氣層，根據對應的運算法則，估計這些效應，并扣除一些誤差，由此可以得出地表輻射量，假設地表和大氣對熱輻射具有朗伯特特性，就可以通過轉換來獲得相應的地表溫度[4]。

2.1 NDVI估算

歸一化植被指數（NDVI）是一個標準化指數，用于生成顯示植被量（相對生物量）的影像[5]。該指標是一種比較多譜格子數據集上兩個波段特性的方法，也就是在紅光波段對葉綠素的吸收，以及在近紅外波段對植物的高反射，其值在[-1，1]，代表植被的覆蓋情況，數值越大，植被情況越好。

式中：ρNIR代表近紅外波段；ρRED代表紅波段。

2.2 植被覆蓋度估算

植被覆蓋度（Fractional Vegetation Cover，簡稱FVC）是一個重要的參考指標，用于描述自然生態(tài)系統(tǒng)的狀況。它不僅可以用來衡量水土流失、土壤侵蝕等問題，還可以用來反映地區(qū)的生態(tài)狀況。利用像元二分模式，對植被覆蓋率進行了反演，這是一種基于混合像元的遙感估測模式。該方法的基本原理是假定一種像元光譜信息是由植物和非植物兩種成分構成的。各像元的 NDVI 數值是通過對各像元的 NDVI 數值進行加權計算得到的，加權大小各部分在該像元面積中所占的百分比，通過計算得到每個像元中植被部分所占據的比重，最后估算濟寧市植被覆蓋度。

本文分別取研究區(qū)NDVI 影像DN 值頻度累計值2%和98%所對應的DN 值作為NDVIsoil和NDVIsoil。

2.3 地面比輻射系數估計

比輻射率指的是一個物體對外部世界發(fā)出電波的能力，它涉及地表物質的組成成分、狀態(tài)和物理性質等。比輻射率是指在溫度T和波長λ下，物體的輻射出射度與在相同溫度和相同波長下，黑體的輻射出射度之比見下式，其值為[0，1]。

2.4 黑體輻射亮度計算

Landsat TM/ETM+數據的灰度值（DN 值）可作為衡量地面溫度的重要指標，對于熱紅外波段，當DN 值較大時，說明地面的熱輻射能力較強，從而導致地面的溫度較高；反之，當DN 值較小時，說明地面的熱輻射能力較弱，從而導致地面的氣溫很低。利用大氣校正方法，反演了地面溫度。可寫出其熱紅外輻射的明度值為：

式中：ε為地表比輻射率；Ts為地表真實溫度；B(Ts)為黑體熱輻射亮度；τ為大氣在熱紅外波段的透過率；Lu為大氣向上輻射亮度；Ld為大氣向下輻射到達地面后反射的能量；則當溫度為T 時，黑體在熱紅外波段的輻射亮度為：

美國航空航天局的官方網站（http：//atmcorr.）可以查詢到3個重要的天氣預報數據：大氣的透射率τ、大氣上升方向的輻射亮度Lu和大氣下降方向的輻射亮度Ld。這3個參數是由美國航空航天局官方提供的網站（http：//atmcorr.gsfc.nasa.gov）及圖像本身的元數據來獲得的，如表1所示。

表1 大氣剖面參數

2.5 地表溫度反演

根據普朗克公式的函數，得到地表溫度：

對 于 TM，K1=607.76 W · m-2· μm-1· sr-1，K2=1 260.56K；

對 于TIRS Band10，K1=774.89 W·m-2·μm-1·sr-1，K2=1 321.08K。

3 結果與分析

本文根據輻射傳輸方程法反演地表溫度，得到濟寧市的地表溫度圖。采用均值-標準差法劃分地表溫度等級。

式中，代表地表溫度的均值，sd代表地表溫度的標準差，α取值0.5、1.5。

根據溫度變化情況，可以把整個區(qū)域溫度分為5種：高溫區(qū)、低溫區(qū)、次低溫區(qū)、中溫區(qū)、次高溫區(qū)，分級后的結果顯示如圖1所示。

圖1 2000—2020年地表溫度等級分布圖

從2000—2020 年的地表溫度等級圖中可以看出，研究區(qū)地表溫度在空間分布上存在明顯差異性。2000—2015年濟寧市年均溫有所上升，高溫區(qū)增加較快，熱環(huán)境惡化；2015—2020年，年均溫有所下降，高溫區(qū)呈下降趨勢。中高溫區(qū)（中溫區(qū)、次高溫區(qū)、高溫區(qū)）主要是在人口密集的地區(qū)，工業(yè)、商業(yè)、人口密集、人口稠密之城區(qū)及各縣城區(qū)之建制城鎮(zhèn)。這些區(qū)域建筑物比較密集，人口密度也比較大，人多，與之對應的是，人類產生的熱量越多，如車輛散發(fā)出的熱氣，在這些地區(qū)，大部分都是高層建筑，擋住了空氣流動。低溫區(qū)及次低溫區(qū)多見于森林覆蓋率高、海拔高的水域及山地，因為南部微山湖占地面積較大，導致南部地表溫度也較低，低溫區(qū)和次低溫區(qū)占研究區(qū)面積比呈逐年減少的趨勢。因為所選圖像是在冬天，所以研究區(qū)地面溫度總體上變化幅度不大。

4 結束語

利用濟寧市2000—2020年Landsat 遙感影像反演地表溫度數據，探尋其時空分布特征及變化規(guī)律，彌補地表溫度難以普遍觀測的弊端。對當地熱島效應的研究，積極適應氣候變化，為濟寧地區(qū)熱島效應的監(jiān)測及日后的城市建設提供借鑒。