遥感技术在城市热岛研究中的应用PPT课件
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ETM数据 拼接 裁剪
亮温计算
亮温图
导入ArcGIS9.2
热场分布图
技第术2方1页法/共流3程3页图
热场分析、评价
ETM6图像元值
G(Rmax-Rmin)/255+Rmin 绝对辐射亮度值RETM6
RETM6/b
Rmax：传感器可探测的最大辐射亮度， 1.896mw·cm- 2·sr - 1 Rmin： 传 感器 可探 测的 最 小辐 射亮 度 ， 0.1534 mw·cm- 2·sr - 1 G：ETM6图像灰度值
DTa
其中C=τε,D=(1-τ)[1+(1-ε) τ],a=67.35351,b=0.458606, ε为地表比辐射 率，τ为大气透过率，Tsensor为传感器观测到的亮温，Ta为大气平均温度，Ta可以 用地表温度近似估计：
Ta=16.0110+0.92621Tθ 其中Tθ 为近地表大气温度
第13页/共33页
3.JM & S 单通道算法
TS
L1 sensor
2
3
c2 T
Lsensor
2 sensor
4
c1
1
Lsensor
1
Lsensor Tsensor
其中Lsensor 为传感器观测到的辐射亮度， Tsensor
为传感器
观测到的亮温（K），λ为等效波长，TM第六波段
λ=11.457μm ，c1=1.19104× 108wm-2sr-1μm-2，
步的提高
研究地表热场分布 特征与下垫面覆盖 类型、城区分布格
局之间的关系
可见光及热红外通 道数据同源，数据 分辨率高，有多个
热红外通道
描述热场的细部信 息及城市地区的热
岛效应
可见光及热红外通 道数据同源，数据 分辨率搞，存档数
据多
第11页/共33页
缺点
分辨率低
分辨率较低
发射时间较晚，没 有存档数据，数据 昂贵，获取不易，
s
n1 2
f0 2
An
Af 0 1 2
a0 1 n 53 n n 1 53
其
中
n
,
f
表
示
星a1下点1和 前f 向53观测
，f
a
f
01，a1
,a
53
2
表
示
为
：
a2 n n 1 f 53 f f 1 n 53
第17页/共33页
散射投射率可近似为天顶角约为53°时的未直射投射率，τ53是用 来考虑和简化反射的影响。在8~13μm光谱范围内常温条件下，利用 泰勒展开式，方程可近似为：
Ts Tn Tn Tf a0 / a2 1 a0 a1 / a2 Pn TAn TAf a0a1 / a2
其中
Pn BTn /dBT / dT
Sobrino et al.(1996)认为在不考虑遥感数据本身误差情况下， 这种方法计算海面温度(SST)标准差可达0.23K，他们的结果还显示 如果均质地表比辐射率的角度变化和光谱变化在同一数量级时，这 种方法比分窗算法效果好。然而除了假设大气在水平方向上均质外， 这种方法还要求其中的一个观测角度要经过一个长得多的大气路径， 否则这种算法就不适用(Prata, 1993)，而且，还需要知道地表比 辐射率随角度变化量。Sobrino& Cuenca(1999)的实验表明比辐射 率 随 着 观 测 角 度 的 增 加 而 减第小18(页水/共面33页的 角 度 变 化 性 最 大 ) ， 当 角 度
第9页/共33页
城市热岛研究的主要遥感数据源
平台/传感器
通道
NOAA/AVHRR
4
5
TERRA/MODIS
31 32
10
11
TERRA/ASTER
12
13
14
LANDSAT/TM、 ETM+
6
光谱范围 （μm）
时相分辨率 （天）
空间分辨率 （m）
地温反演常 用算法
10.5~11.3 11.5~12.5
b为有效光谱范围，使传感器反应 >50%的部分，取b=1.239μm
单位光谱范围的辐射
亮度值Rb
K1/ln(Kቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ/Rb+1)
绝对亮度T
K1: 1282.71k K2: 66.609mw·cm- 2·sr - 1·μm- 1
T-273.15
亮温t
ETM+亮第温22计页/算共模33型页
ASTER数据的温度反演 ASTER各热红外波段亮温图像的提取与TM、ETM+单热红外波段亮温 图像提取的方法类似，都是先将图像亮度值转化为辐射亮度，再由辐射 亮度图像转化成亮温温度图像。
0.5
1100
分裂窗算法
10.78~11.28 11.77~12.27
1
8.125~8.475
8.475~8.825
8.935~9.275
16
10.25~10.95
10.95~11.65
1000
改进的分裂 窗算法
90
温度比辐射 率分离算法
10.4~12.5
16
120/60
单窗算法
第10页/共33页
城市热岛研究的遥感数据源特性
第5页/共33页
城市热岛的成因
• 城市下垫面（大气底部与地表的接触面） • 城市大气污染 • 人工热源的影响 • 城市自然下垫面的减少
特性的影响
第6页/共33页
城市热岛研究的主要方法
•
利用气象观测数据研究城市热岛的传统观测方法
•
利用遥感技术研究城市热岛的方法
1. 基于温度的监测方法
• 基于亮度温度
算法的基本公式:
s
4
45
式中TS是地表温度，a和b是参数，T4和T5分别是AVHRR热通道4和通 道5的亮度温度。TS、T4和T5的单位是绝对温度(K)。系数a和b分别 取决于大气条件和地表比辐射率。而且这种线性经验公式有时也有
T A A T A T 误差，所以大气水气含量的影响在非线性的二次方程中得到体现 .
s 0 1 4 分窗算法的另一常用表达式为:
25
第16页/共33页
• 多角度算法
假设大气在水平方向上是均匀的，多角度方法利用了同一目标在
不同的观测角度下大气对地表辐射吸收率差异。多角度观测可以是
同一卫星在不同角度观测，也可以是不同卫星同时对一个目标观测。
1991年ATSR是第一个能够双角度观测的卫星传感器，它的近星下点
内容提要
• 绪论 • 地表温度反演 • 北京市热岛效应分析 • 改善城市热岛效应的建议和措施
第1页/共33页
一、绪论
• 研究背景 • 研究目标 • 城市热岛的概念 • 城市热岛的成因 • 城市热岛研究进展 • 城市热岛研究的主要方法
第2页/共33页
研究背景
• 近年来，在全球增温和高速城市化进程的背景下，世界范围内的热浪日益频繁,我国许多城市也出现了高强 度的城市热岛效应，城市热环境质量日趋恶化。
• 基于地表温度
2. 基于植被指数的监测方法
3. 基于“热力景观”的监测方法
•
利用边界层模型模拟城市热岛效应
第7页/共33页
城市热岛研究的主要内容
• 城市热岛的形态和结构研究 • 城市热岛的过程与变化研究 • 城市热岛的变化机制与模拟研究
第8页/共33页
二、地表温度反演
❖ 城市热岛研究的遥感数据的选择 ➢ 城市热岛研究的主要遥感数据源 ➢ 城市热岛研究的遥感数据源特性 ❖ 地表温度反演算法
c气2=含14水38量7ω.7μ来m确k,定大，气对函于数TψM1
，ψ2 ，ψ3 6公式为：
可根据大
Ψ1= 0.1471ω2-0.15583ω+1.1234
ψ 2
=-1.1836ω2-0.37607ω-0.52894
第14页/共33页
单波段地表温度 (LST)反演的三种算法比较
算法
均方误差（RMSD） 所需大气参数 /K
第23页/共33页
2.转化成亮度温度的方程式：
BT c / lnc / Rad 1 该方程中c1=1.1911×108，c2=1.439×104，λi为这五个波段的中心波长，分别为8.3μm，8.65μm，
9.1μm，10.6μm，11.3μm。
6
2i
1i
i
第24页/共33页
(昌平)、远郊(密云)热场分析
第19页/共33页
ETM+数据的温度反演 本次研究区范围是整个北京市，采用ETM+数据（1999年7月1日，2003年2月18日），通过一系列遥感 影像处理工作，得到研究区范围内的影像。通过亮温计算模型，得到北京市的 亮温图，最后导入到 ArcGIS9.2中，得到热场分布图，进行分析评价。重点是工作区的温度反演，也就是工作流程中的亮温计 算。
周期较长 单通道，难于消除 大气影响，过境时 间处于热岛较弱时
期，周期较长
地表温度反演算法
•
单波段算法
由于只有一个热红外观测通道，这种方法要求事先获得精确的大气的 水平和垂直方向上的温度、水汽含量(Otlle and Vadal-Madiar, 1992)。大气轮廓线可以由卫星上的垂直探空仪器(TOVS,VAS),或数据 气候模型预测，或无线电探空仪获得。目前利用TM/ETM+热红外波段 （TM6/ETM+6）反演陆面温度有3种方法：
第4页/共33页
城市热岛的概念
所谓城市热岛效应（Urban Heat Island effect），通俗地讲就是城市化的发展，导致城市中的气温高 于外围郊区的这种现象。在气象学近地面大气等温线图上，郊外的广阔地区气温变化很小，如同一个平静 的海面，而城区则是一个明显的高温区，如同突出海面的岛屿，由于这种岛屿代表着高温的城市区域，所 以就被形象地称为城市热岛。在夏季，城市局部地区的气温，能比郊区高6℃甚至更高，形成高强度的热岛。
1. 辐射传输方程法
Ts
Latm
L Ts
Latm
其中 为地表真实温度， 表示温度的黑体在热红外波段的辐
射亮度， 表示大气向下辐射亮度，
表示大气向上辐射亮
度，τ伟大期在热红外波段的透过率。
第12页/共33页
2. Qin et al.单窗算法
Ts
1 C
a1 C
D b1 C
D C
D Tsensor
1. ASTER/TIR中的像元亮度值DN转化成辐射亮度值（Rad）的关系如下：
Rad coef DN 1 其中ccooeeff1130==00..000056689832，i，ccooeeff1141==00i..000056272850，，ic表ioe示f1第2几=0热.0红0外65波90段，。
平台/传感器 NOAA/AVHRR TERRA/MODIS TERRA/ASTER LANDSAT/TM、ETM+
适用范围
优点
宏观热岛动态监测 宏观热岛动态监测
观测时相多，范围 广，观测周期及观 测时间短，能长期 连续观测，资料同 步性好，价格低廉
相当于NOAA的后 继传感器，但空间 分辨率等有了进一
• 城市热环境及其热效应已成为当前城市气候与环境研究中，最为重要的研究内容之一。 • 北京城市热岛效应变化为遥感监测城市热岛的特征及演变规律提供了的良好平台。
第3页/共33页
研究目标
• 基于ETM+ 反演北京地区不同时期的地表温度 • 基于aster数据反演北京地区某一时期的地表温度 • 分析北京城市热岛的平面布局、内部结构、季节差异等特征
三、北京市热岛效应分析
• 基于ETM+的不同时期(1999.7.1、2003.2.18)地表温度反演 • 热岛效应分析、评价 ➢ 1999.7.1(夏季)ETM+数据北京市热场分析 ➢ 1999.7.1(夏季)北京城区(东城、西城、宣武、崇文)、近郊
(昌平)、远郊(密云)热场分析 ➢ 2003.2.18(冬季) ETM+数据北京市热场分析 ➢ 2003.2.18(冬季)北京城区(东城、西城、宣武、崇文)、近郊
深入开拓的有效方法。
目前，在所有的反演地面温度的方法中，分窗算法得到了非常广泛的应用
(覃志豪等，2001)。以AVHRR数据为例，根据Planck热辐射函数，将
AVHRR的两个热通道(即通道4和通道5)数据转化为相应的亮度温度，然后
T T aT T b 通过亮度温度来演算地表温度，它来源于对地表热传导方程的求解。分窗
辐射传输方程
Qin et al. 单 窗 算法
0.57
2.15
Latm Latm
Tθ ω
JM&S单通道算 法
0.93
ω
第15页/共33页
• 分窗算法
分窗算法(或劈窗算法)是以卫星观测到的热辐射数据为基础，利用大气在 两个波段上的吸收率不同来去除大气影响，并用这两个波段辐射亮温的线 性组合来计算地表温度。热红外波段的“劈窗技术”是在光谱信息上开展
观测角度是0-22°，前向观测角度小于55°.假设观测天顶角<60°时，
比辐射率随角度变化量可以忽略，Prata(1993)对双角度技术做了
B T B T a / a B T a / a B T B T a a / a 深入的讨论。Sobrino et al.(1996)提出了一种改进型双角度算法：
ETM数据 拼接 裁剪
亮温计算
亮温图
导入ArcGIS9.2
热场分布图
技第术2方1页法/共流3程3页图
热场分析、评价
ETM6图像元值
G(Rmax-Rmin)/255+Rmin 绝对辐射亮度值RETM6
RETM6/b
Rmax：传感器可探测的最大辐射亮度， 1.896mw·cm- 2·sr - 1 Rmin： 传 感器 可探 测的 最 小辐 射亮 度 ， 0.1534 mw·cm- 2·sr - 1 G：ETM6图像灰度值
DTa
其中C=τε,D=(1-τ)[1+(1-ε) τ],a=67.35351,b=0.458606, ε为地表比辐射 率，τ为大气透过率，Tsensor为传感器观测到的亮温，Ta为大气平均温度，Ta可以 用地表温度近似估计：
Ta=16.0110+0.92621Tθ 其中Tθ 为近地表大气温度
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3.JM & S 单通道算法
TS
L1 sensor
2
3
c2 T
Lsensor
2 sensor
4
c1
1
Lsensor
1
Lsensor Tsensor
其中Lsensor 为传感器观测到的辐射亮度， Tsensor
为传感器
观测到的亮温（K），λ为等效波长，TM第六波段
λ=11.457μm ，c1=1.19104× 108wm-2sr-1μm-2，
步的提高
研究地表热场分布 特征与下垫面覆盖 类型、城区分布格
局之间的关系
可见光及热红外通 道数据同源，数据 分辨率高，有多个
热红外通道
描述热场的细部信 息及城市地区的热
岛效应
可见光及热红外通 道数据同源，数据 分辨率搞，存档数
据多
第11页/共33页
缺点
分辨率低
分辨率较低
发射时间较晚，没 有存档数据，数据 昂贵，获取不易，
s
n1 2
f0 2
An
Af 0 1 2
a0 1 n 53 n n 1 53
其
中
n
,
f
表
示
星a1下点1和 前f 向53观测
，f
a
f
01，a1
,a
53
2
表
示
为
：
a2 n n 1 f 53 f f 1 n 53
第17页/共33页
散射投射率可近似为天顶角约为53°时的未直射投射率，τ53是用 来考虑和简化反射的影响。在8~13μm光谱范围内常温条件下，利用 泰勒展开式，方程可近似为：
Ts Tn Tn Tf a0 / a2 1 a0 a1 / a2 Pn TAn TAf a0a1 / a2
其中
Pn BTn /dBT / dT
Sobrino et al.(1996)认为在不考虑遥感数据本身误差情况下， 这种方法计算海面温度(SST)标准差可达0.23K，他们的结果还显示 如果均质地表比辐射率的角度变化和光谱变化在同一数量级时，这 种方法比分窗算法效果好。然而除了假设大气在水平方向上均质外， 这种方法还要求其中的一个观测角度要经过一个长得多的大气路径， 否则这种算法就不适用(Prata, 1993)，而且，还需要知道地表比 辐射率随角度变化量。Sobrino& Cuenca(1999)的实验表明比辐射 率 随 着 观 测 角 度 的 增 加 而 减第小18(页水/共面33页的 角 度 变 化 性 最 大 ) ， 当 角 度
第9页/共33页
城市热岛研究的主要遥感数据源
平台/传感器
通道
NOAA/AVHRR
4
5
TERRA/MODIS
31 32
10
11
TERRA/ASTER
12
13
14
LANDSAT/TM、 ETM+
6
光谱范围 （μm）
时相分辨率 （天）
空间分辨率 （m）
地温反演常 用算法
10.5~11.3 11.5~12.5
b为有效光谱范围，使传感器反应 >50%的部分，取b=1.239μm
单位光谱范围的辐射
亮度值Rb
K1/ln(Kቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ/Rb+1)
绝对亮度T
K1: 1282.71k K2: 66.609mw·cm- 2·sr - 1·μm- 1
T-273.15
亮温t
ETM+亮第温22计页/算共模33型页
ASTER数据的温度反演 ASTER各热红外波段亮温图像的提取与TM、ETM+单热红外波段亮温 图像提取的方法类似，都是先将图像亮度值转化为辐射亮度，再由辐射 亮度图像转化成亮温温度图像。
0.5
1100
分裂窗算法
10.78~11.28 11.77~12.27
1
8.125~8.475
8.475~8.825
8.935~9.275
16
10.25~10.95
10.95~11.65
1000
改进的分裂 窗算法
90
温度比辐射 率分离算法
10.4~12.5
16
120/60
单窗算法
第10页/共33页
城市热岛研究的遥感数据源特性
第5页/共33页
城市热岛的成因
• 城市下垫面（大气底部与地表的接触面） • 城市大气污染 • 人工热源的影响 • 城市自然下垫面的减少
特性的影响
第6页/共33页
城市热岛研究的主要方法
•
利用气象观测数据研究城市热岛的传统观测方法
•
利用遥感技术研究城市热岛的方法
1. 基于温度的监测方法
• 基于亮度温度
算法的基本公式:
s
4
45
式中TS是地表温度，a和b是参数，T4和T5分别是AVHRR热通道4和通 道5的亮度温度。TS、T4和T5的单位是绝对温度(K)。系数a和b分别 取决于大气条件和地表比辐射率。而且这种线性经验公式有时也有
T A A T A T 误差，所以大气水气含量的影响在非线性的二次方程中得到体现 .
s 0 1 4 分窗算法的另一常用表达式为:
25
第16页/共33页
• 多角度算法
假设大气在水平方向上是均匀的，多角度方法利用了同一目标在
不同的观测角度下大气对地表辐射吸收率差异。多角度观测可以是
同一卫星在不同角度观测，也可以是不同卫星同时对一个目标观测。
1991年ATSR是第一个能够双角度观测的卫星传感器，它的近星下点
内容提要
• 绪论 • 地表温度反演 • 北京市热岛效应分析 • 改善城市热岛效应的建议和措施
第1页/共33页
一、绪论
• 研究背景 • 研究目标 • 城市热岛的概念 • 城市热岛的成因 • 城市热岛研究进展 • 城市热岛研究的主要方法
第2页/共33页
研究背景
• 近年来，在全球增温和高速城市化进程的背景下，世界范围内的热浪日益频繁,我国许多城市也出现了高强 度的城市热岛效应，城市热环境质量日趋恶化。
• 基于地表温度
2. 基于植被指数的监测方法
3. 基于“热力景观”的监测方法
•
利用边界层模型模拟城市热岛效应
第7页/共33页
城市热岛研究的主要内容
• 城市热岛的形态和结构研究 • 城市热岛的过程与变化研究 • 城市热岛的变化机制与模拟研究
第8页/共33页
二、地表温度反演
❖ 城市热岛研究的遥感数据的选择 ➢ 城市热岛研究的主要遥感数据源 ➢ 城市热岛研究的遥感数据源特性 ❖ 地表温度反演算法
c气2=含14水38量7ω.7μ来m确k,定大，气对函于数TψM1
，ψ2 ，ψ3 6公式为：
可根据大
Ψ1= 0.1471ω2-0.15583ω+1.1234
ψ 2
=-1.1836ω2-0.37607ω-0.52894
第14页/共33页
单波段地表温度 (LST)反演的三种算法比较
算法
均方误差（RMSD） 所需大气参数 /K
第23页/共33页
2.转化成亮度温度的方程式：
BT c / lnc / Rad 1 该方程中c1=1.1911×108，c2=1.439×104，λi为这五个波段的中心波长，分别为8.3μm，8.65μm，
9.1μm，10.6μm，11.3μm。
6
2i
1i
i
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(昌平)、远郊(密云)热场分析
第19页/共33页
ETM+数据的温度反演 本次研究区范围是整个北京市，采用ETM+数据（1999年7月1日，2003年2月18日），通过一系列遥感 影像处理工作，得到研究区范围内的影像。通过亮温计算模型，得到北京市的 亮温图，最后导入到 ArcGIS9.2中，得到热场分布图，进行分析评价。重点是工作区的温度反演，也就是工作流程中的亮温计 算。
周期较长 单通道，难于消除 大气影响，过境时 间处于热岛较弱时
期，周期较长
地表温度反演算法
•
单波段算法
由于只有一个热红外观测通道，这种方法要求事先获得精确的大气的 水平和垂直方向上的温度、水汽含量(Otlle and Vadal-Madiar, 1992)。大气轮廓线可以由卫星上的垂直探空仪器(TOVS,VAS),或数据 气候模型预测，或无线电探空仪获得。目前利用TM/ETM+热红外波段 （TM6/ETM+6）反演陆面温度有3种方法：
第4页/共33页
城市热岛的概念
所谓城市热岛效应（Urban Heat Island effect），通俗地讲就是城市化的发展，导致城市中的气温高 于外围郊区的这种现象。在气象学近地面大气等温线图上，郊外的广阔地区气温变化很小，如同一个平静 的海面，而城区则是一个明显的高温区，如同突出海面的岛屿，由于这种岛屿代表着高温的城市区域，所 以就被形象地称为城市热岛。在夏季，城市局部地区的气温，能比郊区高6℃甚至更高，形成高强度的热岛。
1. 辐射传输方程法
Ts
Latm
L Ts
Latm
其中 为地表真实温度， 表示温度的黑体在热红外波段的辐
射亮度， 表示大气向下辐射亮度，
表示大气向上辐射亮
度，τ伟大期在热红外波段的透过率。
第12页/共33页
2. Qin et al.单窗算法
Ts
1 C
a1 C
D b1 C
D C
D Tsensor
1. ASTER/TIR中的像元亮度值DN转化成辐射亮度值（Rad）的关系如下：
Rad coef DN 1 其中ccooeeff1130==00..000056689832，i，ccooeeff1141==00i..000056272850，，ic表ioe示f1第2几=0热.0红0外65波90段，。
平台/传感器 NOAA/AVHRR TERRA/MODIS TERRA/ASTER LANDSAT/TM、ETM+
适用范围
优点
宏观热岛动态监测 宏观热岛动态监测
观测时相多，范围 广，观测周期及观 测时间短，能长期 连续观测，资料同 步性好，价格低廉
相当于NOAA的后 继传感器，但空间 分辨率等有了进一
• 城市热环境及其热效应已成为当前城市气候与环境研究中，最为重要的研究内容之一。 • 北京城市热岛效应变化为遥感监测城市热岛的特征及演变规律提供了的良好平台。
第3页/共33页
研究目标
• 基于ETM+ 反演北京地区不同时期的地表温度 • 基于aster数据反演北京地区某一时期的地表温度 • 分析北京城市热岛的平面布局、内部结构、季节差异等特征
三、北京市热岛效应分析
• 基于ETM+的不同时期(1999.7.1、2003.2.18)地表温度反演 • 热岛效应分析、评价 ➢ 1999.7.1(夏季)ETM+数据北京市热场分析 ➢ 1999.7.1(夏季)北京城区(东城、西城、宣武、崇文)、近郊
(昌平)、远郊(密云)热场分析 ➢ 2003.2.18(冬季) ETM+数据北京市热场分析 ➢ 2003.2.18(冬季)北京城区(东城、西城、宣武、崇文)、近郊
深入开拓的有效方法。
目前，在所有的反演地面温度的方法中，分窗算法得到了非常广泛的应用
(覃志豪等，2001)。以AVHRR数据为例，根据Planck热辐射函数，将
AVHRR的两个热通道(即通道4和通道5)数据转化为相应的亮度温度，然后
T T aT T b 通过亮度温度来演算地表温度，它来源于对地表热传导方程的求解。分窗
辐射传输方程
Qin et al. 单 窗 算法
0.57
2.15
Latm Latm
Tθ ω
JM&S单通道算 法
0.93
ω
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• 分窗算法
分窗算法(或劈窗算法)是以卫星观测到的热辐射数据为基础，利用大气在 两个波段上的吸收率不同来去除大气影响，并用这两个波段辐射亮温的线 性组合来计算地表温度。热红外波段的“劈窗技术”是在光谱信息上开展
观测角度是0-22°，前向观测角度小于55°.假设观测天顶角<60°时，
比辐射率随角度变化量可以忽略，Prata(1993)对双角度技术做了
B T B T a / a B T a / a B T B T a a / a 深入的讨论。Sobrino et al.(1996)提出了一种改进型双角度算法：