北京地区地表反照率TM数据反演与分析_冯焱

影像的头文件。TM 影像的 6 个波段（ 第 6 波段热红外波段
除外） 定标后的得到各波段的辐亮度数据，分别代入 6S 模
型，6S 模型运行时主要输入参数如表 1 所示。
表 1 6S 模型的主要输入参数表
卫星成像时间 大气模式
气溶胶模式 大气象能见度（ km）
43： 52. 99 Midlatitude，summer Urban aerosols
表 4 北京市区平均地表反照率、NDVI、LST 表
二环
三环
四环
五环
Albedo 0. 1360 0. 1415 0. 1396 0. 1524 0. 1457 0. 1643 0. 1556 LST（ ℃ ） 34. 28 34. 29 34. 29 34. 44 34. 37 33. 83 34. 07
地表温度（ LST） 和归一化植被指数（ NDVI） 是反映城市 小气候、环境的重要参数。利用 TM 的第六波段，采用覃 志豪提出的单窗算法反演地表温度，得到了北京市地表温 度分布图［19］。NDVI = （ 近红波段 － 红光波段） / （ 近红波段 + 红 光 波 段 ） ，对 于 TM 数 据， NDVI = （ Band4-Band3 ） / （ Band4 + Band3 ） ，利 用 经 过 6S 模 型 校 正 后 的 Band4 和 Band3，计算 2010 年的 NDVI，如图 4。
图 1 研究区影像图
图 2 北京市主城区 反照率分布图
从北京市 主 城 区 的 反 照 率 分 布 图 上 可 以 看 出， 二 环、 三环区域（ 北京站、北京南站、北京北站除外） 的色调比周 围暗淡，即 老 城 区 的 反 照 率 低 于 新 城 区 的 反 照 率。 利 用 AceGIS 软件建立北京市二环、三环、四环、五环的矢量边 界图，根据其矢量图，利用 ENVI 软件的 Statistics 功能，分 别计算了了 2010 年 8 月 8 号北京市二环、三环、四环、五 环、以及环间的平均反照率，如表 2（ 环间表示的是 2 条环 路之间的区域） 。
表 2 北京市区平均地表反照率表
二环 环间 三环 环间 四环 环间 五环
2010 0. 1360 0. 1415 0. 1396 0. 1524 0. 1457 0. 1643 0. 1556
图 3 北京市 LST 分布图 图 4 北京市 NDVI 分布图
分别计算 了 北 京 市 二 环、三 环、四 环、五 环 平 均 的 LST 和 NDVI，详见表 4。
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LMINλ ） QCALMIN）
（
QCALMAX
－
QCALMIN）
（ 2）
式中，QCAL 为经过定标和量子化的比辐射率，单位为
数据 值 （ 无 单 位） 。LMINλ 为 QCAL = 0 时 的 波 谱 辐 射 率， LMAXλ 为 QCAL = QCALMAX 时的波谱辐射率，QCALMAX 为新的比辐射率（ rescaled radiance） 范围，各参数取值来自
Albedo = 0． 356R1 + 0． 130R3 + 0． 373R4 + 0． 085R5 + 0． 072R7 － 0． 0018
（ 1） R1 、R3 、R4 、R5 、R7 代表 TM 影像的第 1、3、4、5、7 波段。
3 北京主城区地表反照率计算与分析
3. 1 研究区概况 本文以北京市五环以内的主城区为研究区，遥感影像
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6S 模型运行后，可得到经过大气校正后的 TM 影像的 6 个波段的地表反射率。 3. 3 地表反照率计算与分析
利用遥感影像处理软件 ENVI4. 7 里的 Band Math 功能， 根据经验公式（ 1） ，得到北京市主城区的地表反照率，如 图 2。
筑区 5 类，利用 ENVI 软件进行监督分类。通过实际调查对 分类结果进行验证和修改，土地覆盖类型图的分类精度在 85% 以上。根据结果，利用 ENVI 软件的 Raster to Vector 功 能，生成各下垫面类型的矢量图，然后利用 ENVI 软件的 Statistics 功 能，计 算 出 各 下 垫 面 类 型 的 平 均 反 照 率，见 表 3。
同下垫面的反照率、以及反照率与 LST 和 NDVI 的关系进行了分析，得出了结论。
【关键词】 地表反照率； 下垫面类型； 地表温度； NDVI
【中图分类号】 TP701
【文献标识码】 A
【文章编号】1009-2307（ 2012） 05-0164-03
1 引言
城市化进程的加快大大改变了城市下垫面的特性，自 然地表被人为地表所替代，例如： 原有的自然植被被建筑 物、沥青或水泥马路所代替。城市下垫面类型的改变，引 起地表反照率、地表覆盖类型、植被指数、地表蒸散、地 表温度、气温等一系列变化。城市地表反照率 （ albedo） 是 反映城市下垫面性质的关键环境参量，研究城市下垫面特 征变化引起的地表反照率的变化，对城市小气候、生态环 境等都具有重要的意义［1，2］。
利用遥感进行反照率估算的方法目前主要有 3 类： 一 是基于统计模型的方法，大多数统计模型假设地表为朗伯 体，首先对大气层顶反射率进行大气校正获得地表反射率， 然后根据各波段在太阳辐射中所占的权重来计算宽波段反 照率； 二是基于二向反射模型反演的方法，采用基于二向 反射模型反演的方法，在半球空间上对 BRDF（ Bidirectional Reflectance Distribution Function） 模型进行数值积分得到更为 精确的地表反照率结果； 三是直接反演法，直接利用大气 层顶方向反射率估算地表宽波段反照 率 （ Liang，2003 ） 计 算［16］。梁顺林利用大气辐射传输模型，通过模拟，建立了 9 种传感器的地表反照率数据的反演公式，通过验证，精 度达到 0. 02［7］，针对 TM 的地表反照率计算公式如下［17，18］：
【摘 要】 反照率是一个广泛应用于地表能量平衡、中长期天气预测和全球变化研究的重要参数。本文利用 2010
年的 TM 影像反演北京地区地表反照率，首先利用 6S 模型对影像进行大气校正，得到地表反射率，进而，利用
TM 的 5 个波段的反射率，根据经验公式，计算了北京地区的地表反照率； 对北京市地表反照率的分布情况、不
表 3 土地覆盖类型的平均地表反照率表
绿地
农田
建筑区 新建筑区 水体
Albedo 0. 1698 0. 2181 0. 1423 0. 1938 0. 0765
由表 3 可知，各下垫面类型的地表反照率由高到低的 排列顺序为农田、新建筑区、绿地、建筑区、水体。农田 的反照率最高，但是分布面积很少，只有在南五环和西五 环有零星分布； 农田、绿地的反照率都高于建筑区，这主 要是因为城区由混凝土、沥青等构成的街道、楼房等建筑 物的反照率比植被小，且城市建筑物密度大、楼层高，太 阳辐射经过多次反射，被反射的能量减少； 新建筑区的反 照率比旧建筑区的反照率高，随新建筑物不断老化以及植 被覆盖的增加，新城区的反照率有降低的趋势； 老建筑区 由于其屋顶材料的老化，植被覆盖较好，建筑物与植被的 混合像元现象较多，其反照率低于新建筑区； 北京市五环 以内的绿地面积为 9548. 1hm2 ，占北京市五环内总面积的 11. 1% （ 小于统计数据，零星的树木、草地在 30m × 30m 的 分辨率上不能分辨） ，反照率的均值为 0. 1698。 3. 4 地表反照率与 LST 和 NDVI 的关系
第 37 卷第 5 期 2012 年 09 月
测绘科学 Science of Surveying and Mapping
Vol. 37 No. 5 Sep.
北京地区地表反照率 TM 数据反演与分析
冯 焱①，冯海霞②
（ ①内蒙古自治区地质测绘院，呼和浩特 010020； ②北京大学遥感与 GIS 研究所，北京 100871）
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渊潭、未名湖等地是水域分布较集中的区域，颐和园、奥
林匹克公园、天坛公园、陶然亭公园、世界公园等是绿地
分布较集中的区域。
3. 2 地表反射率计算
根据图像头 文 件 定 标 系 数 对 各 个 波 段 进 行 辐 射 定 标，
得到各个波段的表观辐射亮度，定标公式如下：
Lλ
=
LMINλ
+
（
（ LMAXλ QCALMAX
数据选择的是无云 Landsat TM 影像，成像时间为 2010 年 8 月 8 号，轨道号为 123 /32，见图 1。北京市二环以内是北京 的老城区，四环与五环之间，近些年，发展较快，是城市 新建筑分布比较密集的地区。昆明湖、福海、中南海、玉
第5 期
冯 焱等 北京地区地表反照率 TM 数据反演与分析
京市主城区的的地表反照率情况进行了分析。
2 反演方法
利用遥感数据反演地表反照率的关键步骤，一是消除 大气对遥感数据的影响，即对遥感图像进行大气校正，得 到地表反射率； 二是窄波段反照率向宽波段反照率的转换。 2. 1 地表反射率计算方法
大气校正一直是遥感定量化的难点之一，目前常用的 方法主要有黑暗像元法、直方图匹配法、辐射传输模型法 等［13］。黑暗像元法和直方图匹配法都是依靠图像本身提供 的信息，没有利用大气和地面信息，属于相对的大气校正 方法； 辐射传输模型是校正精度较高的方法，较经典的有： 6S 模 型、FLAASH 模 型 和 MODTRAN 模 型 等。MODTRAN 模型计算的地表反射率精度较高，但计算量大，需要参数 较多； FLAASH 对 MODTRAN 进行了改进，通过光谱特征 估计大气的属性； 6S 模型描述了大气如何影响辐射在太阳 － 地表 － 遥感器之间的传输，考虑了气体吸收、分子和气 溶胶散射，是较精 确、 常 用 的 大 气 校 正 模 型 之 一［14，15］ 。 本 文利用 6S 模 型 对 图 像 进 行 大 气 校 正，从 而 得 到 地 表 反 射率。 2. 2 地表反照率计算方法
作者简 介： 冯 焱 （ 1974-） ，男，江 苏 省 无锡市人，主要从事测绘和遥感技术与 应用。 E-mail： Feng. Yan. nm@ Gmail. com
收稿日期： 2011-4-13 基金项目： 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 （ 863 计 划 ） （ 2008AA121806 ） ； 城 市 气 象科学研究基金（ UMRF201001） ； 山东 省自然基金（ 2009BSB01784） 通讯作者： 冯海霞 E-mail： fhx76@ 163. com
地表反照率（ Albedo） 指地表对入射的太阳辐射的反射 通量与入射的太阳辐射通量的比值，而地表对某波段在一 定方向上反射的太阳辐射通量与入射太阳辐射通量之比， 称为地表反射率 （ reflectance） ，反照率是反射率对所有观测 方向的 积 分，是 陆 地 表 面 辐 射 能 量 平 衡 的 重 要 驱 动 参 数 ［3-7］。利用卫星资料反演地表反照率目前已成为确定大面积 甚至全球地表反照率的有效技术手段，多见于低空间分辨 率、高时间分辨率的遥感数据，如 AVHRR、MODIS 等 数 据。Taberne 等对 MISR 和 MODIS 的地表反照率产品进行了 对比［8］； Xianwei Wang 等 利 用 加 拿 大 通 量 监 测 网 的 数 据， 对 MODIS 的 可 见 光 和 短 波 红 外 的 反 照 率 产 品 进 行 了 评 估［9］； 焦子锑等采用 ASTER 影像数据和地面反照率测量结 果，采用降尺度验证方法验证了 MODIS 反照率算法在中国 复杂地 表 类 型 情 况 下 的 适 用 性［10］； 余 予 等 （ 余 予 et al. 2010） 利用青藏高原纳木错站地表反照率观测数据与 MODIS 资料进行对比分析，对 MODIS 反照率产品在冰雪区域结果 的精度进行了验证［11］。利用高空间分辨率的遥感影像监测 城市地区地表反照率的研究较少，Brest 等利用 Landsat MSS 数据计算了城市地表反照率［12］，王伟武等利用 Landsat TM 数据对城市住区的地表反照率与热环境之间的关系进行了 定量分析［1］。北 京 是 我 国 的 政 治、经 济、文 化 中 心， 城 市 扩展迅速，下垫面类型变化较大，本文利用 TM 数据对北