基于奈曼旗热效应的遥感

1、基于奈曼旗热效应的遥感第33卷第5期2005年9月东北林业大学学报JOURNALOFNORTHEASTFORESTRYUNIVERSITV【,】.33NO.5SeD.2005基于奈曼旗热效应的遥感宁波龚文峰范文义孔达(东北林业大学,哈尔滨,I50040)(黑龙江大学)摘要对奈曼旗的TM数据进行大气校正和几何校正.利用LandsatTM3和LandsatTM4计算该区域的植被指数(NDVI),来分析和研究该区域的植被状况,特别是通过植被盖度从另一个角度来说明问题.利用LandsatTM6热红外遥感数据定量反演了该研究的地表温度,初步分析了区域热量分布差异并探讨这一差异形成原因,并建立NDVI和地

2、面温度两者之间线性关系.结果表明:该区域的热量分布差异显着;卫星图像反演的地表温度与实际的地面情况相符合;地面温度都与植被指数(NDVI)存在着密切的反相关关系.关键词TM;地面温度;NDVI;反演分类号P237TheThermalEffectinNaimanqi,InnerMongoliabyRemoteSensing/NingBo,GongWenTM4wereusedtocalculatethevegetationindex(NDVI),andthevegetationconditionofthisareawasanalyzedespeciallvfromtheangleofvegetat

3、ioncover.LandsatTM6thermalinfraredremotesensingdataquantitativelyretrievedthelandSHYfacetemperature.Thedifferenceofheatdistributionandtheformativereasonwereanalyzed,andthelinearcorrelationbetweenNDVIandpracticallandsurfacetemperaturewassetup.Resultshowedthatthedifferenceofheatdistributioninthisareaw

4、asremarkable;thelandsurfacetemperatureretrievedbythesatellitedataaccordedwiththepracticalsituation:thecorrelationbetweenlandsurfacetemperatureandNDV1wasstronglynegative.KeywordsTM;Landsurfacetemperature;NDVI(NormalizedDifferenceVegetationIndex):Retrievement地表面温度在地表与大气相互作用过程中起着重要的作用,它在气象,地质,水文,生态等众多领

5、域有着广泛的需求.土壤水分状况,森林火灾的检测,地热位置的判别,军事伪装的应用,石油和铀矿的寻找等都离不开地物表面温度.陆地卫星的TM6波段是热红外波段,可以用来进行地面温度的演算.旱在20世纪80,90年代,就有人将TM6影像用于城市热岛效应研究,海洋表面温度和地热等研究2,33.就地面温度的反演方法方面,很多人直接用影像的灰度值(DN值)代替地表温度变化,一部分人直接用TM6的卫星高度的亮度温度(由DN值直接转换成温度值).近几年随着对热红外研究的加深,专家们对气透射,再反射和地表比反射率的研究增多,各自提出了不同的理论和方法J.本研究在分析具体实地情况的基础上,具体分析从简单的DN值回归

6、到亮温回归,再到大气校正后亮温的回归,再经过大气订正及地表发射率订正等即可求出地表的真实温度,建立了一种利用TM卫星的热红外波段计算地表温度.植被盖度是刻画陆地表面植被数量的一个重要参数,也是指示生态系统变化的重要指标.植被盖度的测量对监测沙漠化,评估草地状况,土地退化等有重要意义.通过对植被指数(NDVI)和地表温度的相关关系的分析,能够准确反映该地区的地表面的真实情况.1研究区域与研究方法1.1研究区域奈曼旗位于120.1940一121.3540E,42.1440一43.3220N,地处内蒙古自治区通辽市西南部,科尔沁沙地南缘.1)国家自然基金(30371192)项目.第一作者简介:宁波,

7、男,l966年9月生,东北林业大学在读博士研究生;现工作于黑龙江省森林工业总局平山旅游局,高级工程师.通讯作者:龚文峰,工作单位黑龙江大学水利水电学院.收稿日期:2005年3月30日.责任编辑:戴芳天.奈曼旗的地势由西南向东北逐渐倾斜,南高,东北低,一般海拔2,全年降雨量一般为343.3-451.4mm,地下水资源丰富.奈曼旗属于温带半湿润半干旱草原区地带性植被,由于人为影响严重,表现出明显的次生性,大部分地区已被半隐域性的沙生植被,灌丛植被和隐域性草甸植被所代替,盐生植被及湿生,水生植被分布范围比较小.1.2研究方法1.2.1数据来源采用的主要数据是2004年的8月TM数据,还有1:5万,l

8、:10万,1:25万地形图和一部分草地,土地利用类型图,草场等级及退化图,水文分布图等专题图以及利用GPS获取的地面调查数据.图1外业调查样点分布图第5期宁波等:基于奈曼旗热效应的遥感9312.2数据处理数据处理和,计算将遥感影像数据导入到ERDASIMAGE软件中,然后利用1:5万的地形图选取控制点,采用多项式的方法对影像进行精确几何校正,并使总体误差均控制在一个像元点之内.根据研究区域的边界,在ERDASIMAGE软件中对图像进行剪裁,然后对图像的TMITM5,TM7等6个波段进行大气校正.由于研究区地形起伏不大,因此,对图像不进行地形校正.植被指数反映的是植被的生长状况.在所有的植被指数

9、中,人们较为广泛采用的是归一化植被指数,又称标准化植被指数,归一化植被指数在一定程度上消除了云等因素的影响,是广泛应用的一种表征地表植被覆盖状况的植被指数,计算公式如下:INnr=(R岛一岛)/(R岛+R)(1)其中:,R分别代表大气校正后的TM4,TM3波段反射率.从TM6求算地表温度Landsat5一TM6,波长为l0.4l2.5m,地面分辨率为120m×120m,由于其接收的是与地表温度高低相对应的强度不等的热红外辐射.因而,可以通过TM6通道获取的地表热辐射值大小遥感数据定量的TM6来说,Lmax=1,5600,Lmin=0.1238.由于TM6处于大气透射性(透过率为80%

10、左右)相当好的大气窗口,如果暂时忽略地表发射的电磁辐射在到达卫星的途中所受的大气影响,那么,即可通过辐射亮度(,A)推算地表相对温度(T),其方程式为:Tb=(c,?A一)/In(c1?A一/,A+1)=/ln(k1/6+1).(3)其中:为地表温度(K);L,A为平均辐射亮度(,A=?L);为物体的比辐射率.可令=c?A,:?A,它们为校正系数,对于LandsatTM5,1,k2为已知常量,k1=60.776W?m?sr?,k2:1260.56K.在考虑大气等各种影响因素并假设地物为全辐射的前提下,通过测定地表的辐射亮度求出地表温度,称为亮度温度(辐射温度).再通过大气及地表发射率等校正温度

11、之间的换算,可求出地表真实的温度.2结果与分析2.1植被指数(,.)植被指数是指通过近红外和可见光波段反射率的线性和非线性组合构成的数值.通过对奈曼旗的LandsatTM3和LandsatTM4的运算,得到对植被有一定指示意义的各种数值.其结果见图2.囡倒一.i0一一o,od,3:Tjn311u_椭2口*蠹篓囊6Ilmn孳¨粥:.1l|lIs1l豳2奈曼旗的l1图从图上看出,的数值比较大的区域主要分布在南部地区和北部的一少部分区域,说明该区域的植被数量相对于其它的区域来说是比较大的;大部分的区域,.的数值比较小,沙地的区域相对较大,表明该区域的沙漠化程度比较高;有些区域lvov的数值

12、已经接近于零,说明该区域的已处于裸沙状态.但从总体上来讲,整个研究区域的植被指数(j.)的数值还是比较小的,沙漠化还是比较严重.其中,.(,.<0)数值较大的那部分区域,主要是河流经过的区域,是由于沙地含水量较高的原因造成的.为了更加准确地研究该区域的植被指数,我们用植被盖度来说明问题.植被盖度是观测区域内垂直投影面积占地面积的百分比,是刻画陆地表面植被数量的一个总指标.植被盖度=(,.一,.;)/(.一,.).植被盖度更准确地反映了沙地植被的分布状况,从另外一个角度反映该研究区域的沙化程度.2.2地表温度地面温度反映的是地表面附近输入和输出能量通量的动态平衡状态.通过对奈曼旗的

13、LandsatTM6热红外遥感数据的反演,得到研究区域的温度图(见图3).囊颤怨麓撼辑嚣,工.鬟,謦.jjj鼍:.警.目一l黪羞.*曩l¨0一.n”m戮.簿薹童=i薯l¨l0薯i爰eE+c-”?图3奈曼旗的植被盖度图结合植被盖度图,从上图可以看出,沙漠化程度高,沙土的含水量比较小,温度上升得快;特别是一些裸沙的区域,其东北林业大学学报第33卷地表温度就越高,不到中午时,温度已经达到4O;河流经过的区域,沙土含水量比较大,比热容就大.温度上升缓慢.其地面温度相对比较小.对于植波覆盖的区域.植被盖度大,地表温度相对比较小,相反,其地表温度较大.但植被覆盖的区域,其地表温度是裸地

14、表面温度和植被冠层表面温度的综合,其温度主要受土壤含水量,植被和沙土的比例等一些因素的影响.通过对样点的地面温度的测试,结果说明用热红外卫星遥感反演的温度与地面实际情况相当吻合.图4l,andsatTM6反演的地面温度图T:36?249一J8,137,JD,R:0.834图5地面温度和,D的相关关系图2,3地面温度和,.关系植被指数是指通过近红外和可见光波段反射率的线性和非线性组合构成的对植被有一定指示意义的各种数值;地面温度是地气界面上能量交换的计数器,它是地表能量平衡的结果.提取调查样点的植被指数(,v.)和地面温度(T),通过对数据的分析,建立地表温度(T)和NDV之间的回归分析,可见地

15、表温度和,问饵关性较高.=36.24918.1371(R=一0.834)(4)研究结果表明,在以地面温度(T)和,为主轴构成的二维空问中,呈现了定的分异规律.对于植波覆盖比较大的像元,植物的蒸腾使冠层表面的温度远低于同环境条件下裸沙的表面温度.对于植被和沙地混合像元,受到植被沙土比例和植被蒸腾强度等因素的影响.对于裸沙而言,含水量高的地面温度低于同环境条件下含水量较低的地面,地面温度和,.之问的反相关关系非常显着.3结论本研究建立的利用LandsatTM6定量反演沙漠地区的地表温度的精度较高,其结果与地面实际情况相符.利用热红外卫星遥感数据定量反演地表温度时,应考虑地物的发射率差异,地形以及大

16、气等因素的影响.,值低的地方,温度较高;INDV”值高的地方,温度较低.温度和,.之问的反相关关系非常显着.植被和沙地混合像元,其地表温度是裸地表面温度和植被冠层表面温度的综合.参考文献l张仁华对于定量热红外遥感的一些思考.国土资源遥感,1999(1):l62胡远满,徐崇刑,布仁仑,等.RS与GIS在城市热岛效应研究中的应用环境保护科学,2002,28(2):l一33傅碧宏,史基安,张中宁LandsatTM6热红外遥感数据定量反演地下水富集带的温度信息遥感技术与应用,1999,14(2):34384徐冠华.论热红外遥感中的基础研究.中国科学(E辑),2000,30(增刊):l一55覃志豪,Ha

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