城市不透水面及地表温度的遥感估算_国土资源遥感

积的 !# /*;# 海淀区气候属温带湿润季风气候区! 年均气温 )!# /t!. 月份平均气温为 !/# 0t! 最高 气温为 +)# -t#
E I" e e 研究数据源于国际科学数据服务平台& LE
收稿日期 !$)* , $/ , $- $ 修订日期 !$)* , $. , $) 基金项目 国家自然科学基金项目& 编号" +)!.)+*- ' 和中央高校基本科研业务费专项基金项目& 编号" !$$1S a $! ' 共同资助#
!$)+ 年
亮度经过大气层之后到达卫星传感器的辐射亮度以 及大气向下辐射到达地面后反射的辐射亮度 H / # 卫星传感器接收到的热红外辐射亮度的表达式! 即 辐射传输方程为
H 9 ( J &I &) , ' H/ ) : H. ! &' : &*'
式中" H 为传感器接收的热红外辐射亮度!( % C,! %
R / 9 )
!# )# !"端元提取
端元选择是进行混合像元分解的首要步骤! 端 元必须真实客观地反映地物的光谱信息! 这样光谱 混合分解的结果才具有较高的精度# 由于原始数据 中存在着噪音!两两波段之间生成的散点图 , 犄角 处存在许多非纯净像元! 不适合作为端元# 针对此 情况!对原始数据进行归一化处理和最小噪声分离
第 !- 卷!第 ! 期
国"土"资"源"遥"感
! " #$ % "& " ' & ( ' )* $ !+ , ' -.! " & $ / ! 0 " &
= D K # !- !\ D # !" @ >?# !!$)+"
!$)+ 年 $- 月 5D G " )$# -$+- e H E f O O H # !$)+# $!# !!
( /)
提出
B H B E 2 E G D ? ,G C IB J N G D >F F >J Y 植被 , 不透水面 , 土壤& N X 2 4 B , F D G K !=,< ,& ' 参数化概念模型后! 基于此模 &Q提取方法等研究$ % > 等 ( -) 运 型出现了一系列 <
)"研究区概况及数据源
, ) F J % C,) $ 为地表比辐射率! 无量纲$ I & 为地表
真实温度! o $ J &I & ' 为温度为 I & 的黑体在热红外
! , ) 波段情况下的辐射亮度! ( %C,% F J % C,) $ H . 和 ! , ) H / 分别为大气上行和下行的辐射亮度!( % C, % F J %
() , +)
前通常采用辐射传输传导方程法* 单窗算法或单通
( )) , )! ) &' # 其中基于辐射传输传导方 道算法反演 %
法的大气辅助参数可从 \ Q &Q提供的大气校正参数 计算器获得# 该计算器属美国环境监测中心的全球 大气剖面模型! 主要依靠 7 ] a ' 6 Q \辐射传输代码 和整体算法来计算特定点的透过率和大气上* 下行 辐射强度!其估计误差仅 *;左右 ( )*) #
7 数据对北京市海淀区的城市不透水面丰度和地表温度进行估算!并在此基础上对二者之间 水面关系出发!利用 '
的相关性进行定性分析和定量评价# 研究表明" 城市不透水面的空间分布和变化趋势与地表温度之间存在明显的
./! / !这说明城市不透水面信息可以很好地反映城市热环境的空间分布状况# 一致性!二者相关系数达到 $# < , &' 模型$ 城市不透水面$ 地表温度& % &' ' $ 城市热岛$ 相关分析 关键词 植被 , 不透水面 , 土壤& =, P./"文献标志码 Q """文章编号 )$$) , $.$R & !$)+ ' $! , $)*+ , $中图法分类号 '
&Q提取和 % &'反 然而!以上研究虽然实现了 <
# 其中!< &Q作为土地覆盖的一种类型是温
演!但对二者之间相关关系的定性或定量研究还比 较薄弱 ( )+) # 因此!本文旨在通过分别提取 < &Q和反 演% &' !揭示二者的关系# 方法主要是基于 =, < , & 模型和线性光谱混合分解技术提取城市 < &Q ! 采用 辐射传输传导方程法反演 % &' ! 并在此基础上对二 者之间的时空关系进行分析#
,& 模型和光谱 利用 =,<
混合分解法估算了美国哥伦布城区的 < &Q分布$ 李 波 ( 0 ,1) 等基于 =,< ,& 模型进行了 < &Q遥感估算# 在% &'反演方面!% 2 ?5F 2 E / ' 7 的第 - 波段 & )$# +h
C ' 是热红外波段!该波段记录了与地表地物 )!# /
城市不透水面及地表温度的遥感估算
杨可明) 周玉洁) 齐建伟! 王林伟) 刘士文)
)#中国矿业大学 北京 地球科学与测绘工程学院北京")$$$0* !#中国国土资源航空物探遥感中心北京")$$$0*
摘要 基于植被 , 不透水面 , 土壤模型和全约束最小二乘法混合像元分解模型! 从探索城市热岛效应和城市不透
G ?5B b !P P < ' 和 - 维可视化端元波谱收集! 以及对归
!"研究方法
!# )"城市不透水面提取 !# )# )"=, < , & 模型 =,< ,& 模型是一个概念模型! 它将具有强烈
一化 7 \ ^二维散点图进行筛选分析!确定出最终端 元& 图 ! ' #
异质性的城市土地覆盖类型简化成植被* 不透水面 和土壤 * 种土地覆盖类型的组合# 根据 =, < , &模 型!城市地表中任何土地覆盖类型组分都可以在由
& 表 ) ' !因此最终选择了 7 \ ^变换的前 * 个分量参
有效地评价该方法的精度! 用光谱混合分解模型的 均方根误差& 6 7 &8 ' 进行精度验证!即
! % & '(9 %1 &! /$ &
与端元选择#
#变换后各分量的特征值 表 6"SQ 7 /8 & 6"' $ %* L/0 > * : 21 * /4 54 2,) 2* . /1 . * +SQ #. + /: 1 2+ ,/. $ 2"特征量 特征值 所占比例 e ; & R S ) & R S ! & R S * )/# 0* +# 1$ & R S + -# )* )# 1$ & R S / /# $+ )# /& R S !# -$ $# 0)
G ?G C >C ?D G F BX J 2 4 E G D ?!7 \ ^ '# 由于 7 \ ^变 变换 & C
) !$ " F R矩阵! 其中的每列均 %F ") $ 1为 & r /9 /
为端元向量!19 为系数向量! 2 (0 9 ) !0 ! !/! 0 -)$ 2
' 为误差项# (F ) !F ! !/!F -) $ 1
= !< !& 这 * 种组分组成的三角形图表示出来!如图 )
所示#
图 !"端元的归一化光谱反射率
# $ %& !"Q 2+ ,/0 $ X * 9: ) * 4 . + /0 + * 1 0 * 4 . /4 *21 * 9W ,* ,8 * + :
!# )# *"线性光谱混合分解模型 G ?B 2 J F IB 4 E J 2 K C G b E >J BC D 5B K ! 线性光谱混合模型& K % &7 7' 在光谱混合分析中发展较成熟! 操作性较
第! 期
杨可明!等""城市不透水面及地表温度的遥感估算
% )*/%
52 E 2 C G J J D J # 4 F 53# 4 ?' # 综合考虑数据的可获取性!选 2 ?5F 2 E / ' 7 数据! 该图像没 择 !$)$ 年 - 月海淀区 %
""已有研究表明!对于简单的线性光谱混合模型! + 个较为合适 ( )/) # 针对研究 端元数目一般选取 * h &Q与土壤端元在各个波段的波谱反射率 区内有的 <
北京市海淀区位于北京城区西北部! 是北京市
)- 个区县之一!介于 8 ))-i $*j h ))-i !*j !\ *1i /*j h
! 之间!全区面积 +*$# +$i $1j 0 cC ! 约占北京市总面
用约束性光谱混合分解技术实现了巴西 Q C 2 f D ?城
&Q估算$ (> 等 区的 <
( .)
槡
/ 9 )
&!'
式中 1 波段的误差项# /为 /
!# !"地表温度反演 !# !# )"辐射传输方程法
!**# +- /1# .0 .!# *) )0# /!
卫星传感器接收到的热红外辐射亮度 H 由 * 部分组成" 大气向上辐射亮度 H . *地面的真实辐射
% )*-%
国"土"资"源"遥"感
有云的干扰!质量很好且已进行过几何精纠正和辐 射定标#
相似并难以区分的情况! 参考李素 ( )-) 的研究成果! 本文先将 < &Q和土壤作为一种端元进行混合像元分 解!然后根据土地利用图分离 < &Q和土壤!将端元类 型确定为 < 土壤* 植被* 水体 * 类$ 并通过对归 &Q, 一化后的 7 \ ^图像进行纯净像元指数 & IG b B K I>J G E O
线性混合模型一般分 * 种情况" 无约束的线性 混合模型* 部分约束混合模型和全约束混合模型#
>K K O4 D ?F E J 2 G ?B 5 K B 2 F E 本文采用全约束最小二乘法 & X F [>2 J B F !^ _ % &' 混合模型进行混合像元分解# 为了
换后的前 * 个 分 量 特 征 值 占 总 信 息 量 的 1/# .*;
为热红外波段从地面到传感器之间的大气 C,) $ 透过率#
&'必须先获取 , ) 个地表参数 通过 H 反演 %
K C丰度 图 ;"V # $ %& ;"V K C/8 > 9 /4 *
和, * 个大气参数- ( ).) !然后根据 P K 2 ?4 c 辐射函数
I P K ?( ) : P J &I & 9 ! e ) e &') &+'
)# )*1# 引用格式" 杨可明!周玉洁!齐建伟! 等# 城市不透水面及地表温度的遥感估算 ( @ 国土资源遥感!!$)+ !!- & ! ' ")*+ , &W 2 ?H o7!` LD > W@ !S G @ (!B E 2 K # 6 B C D E B F B ?F G ?H B F E G C 2 E G ?H D X >J 32 ?G C IB J N G D >F F >J X 2 4 B 2 J B 2 2 ?5 K 2 ?5 F >J X 2 4 B E B C IB J 2 E >J B (@ )# 6 B Y C D E B&B ?F G ?HX D J % 2 ?5 2 ?5 6 B F D >J 4 B F !!$)+ !!- & ! ' ")*+ , )*1# '
强!是常用的方法之一!可表示为
R
09 0 1 9 1 2 : 1 ! %F / /:
/ 9 )
&)'
V W K模型组成成分图Hale Waihona Puke Baidu)@* 图 6"DW
(@) # $ %& 6"< 2,) 2* . 1 + /4 . $ 2-21 DW V W K,29 * 0
式中" R为端元总数$ 0为图像中任意 & 维光谱向 量& & 为波段数' $ F /为像元中端元 0 /所占的比例 !
度升高的主要驱动因素# 目前已有许多研究使用遥感手段提取 < &Q和反 演地表温度& K 2 ?5 F >J X 2 4 B E B C IB J 2 E >J B !% &' ' # 早期的
< &Q研究方法较为简单! 主要是结合地面测量的人
工遥感解译# 随着遥感技术的发展和数据的多元 化 !< &Q遥感提取方法不断得到改进# 6 G 55
&'的估算 ( )$) # 目 相关的热红外辐射强度!可用于 %
$"引言
全球气候变暖和城市化的快速发展! 使城市不 透水面& G C IB J N G D >FF >J X 2 4 B2 J B 2 !< &Q ' 急剧增加# 城 市热岛效应的产生及演变与城市地表覆被变化* 人 类社会经济活动密切相关! 是城市生态环境状况的 综合体现# 可见!城市热岛的形成与城市土地覆盖 类型密切 相 关! 而 且 在 很 多 研 究 中 都 已 经 得 到 验 证
""由图 * 可以看出! 城市 < &Q高值区主要分布在
东南区域!低值区主要分布在西部地区# 在东北区 域也分布有一些不透水的高值区! 说明随着城区中 心用地的不断饱和!城市用地正在向郊区逐步扩张# 为了有效评价该方法的精度! 本文用光谱混合分解 模型的均方根误差进行精度检验# 研究区中均方根 误差的平均值为 $# $$0 +1 ! 远远小于 $# $! ( !$) ! 且绝