基于地表通量特征的城市不透水表面定量热红外遥感反演-论文.pdf

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1、第16卷第4期Vl01．16．NO．42014年7月Ju1．．2014基于地表通量特征的城市不透水表面定量热红外遥感反演刘越，迟文峰，匡文慧(1．中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101；2．中国科学院大学，北京100049)摘要：城市不透水地表格局通过改变城市下垫面结构，引起地表反照率、比辐射率、地表粗糙度的变化，从而对地表辐射和能量平衡产生直接影响。不透水地表能增强地表显热通量，导致地表波文比升高，因此地表波文比的空间差异可推算城市人工不透水表面的分布。本研究选择北京市为实验区，应用LandsatTM卫星热红外遥感数据，采用PCACA模型及理论定位算法，对城市地表波文比进

2、行反演，进而计算遥感地表波文比空间分布数据与城市不透水表面比例数据之间的相关关系，构建回归方程，实现北京市城区与近郊区人工不透水表面百分比分布的定量估算，最后以高分辨率遥感数据获取的城市人工不透水表面比例数据进行结果验证。结果表明，采用PCACA模型定量反演城市地表波文比数据，利用地表波文比数据与不透水表面比例数据之间的相关关系可实现城市人工不透水表面百分比数据的定量估算；波文比值不仅可在遥感像元水平定性判定不透水像元，还可对混合像元中的不透水比例进行较高精度的定量反演，其相关系数R2值为0．731。此方法有效地揭示了城市不透水下垫面对地表热通量影响的机制以及空间定量关系。关键词：热

3、红外遥感；波文比；地表温度；通量验证；不透水表面DoI：l0．3724／SP．J．1047．2014．006091引言生的一种地表水不能直接渗透到土壤的人工地貌特征，包括城市中的道路、广场、停车场、建筑屋顶不透水表面是城市地表中占主导地位的下垫等。不透水地表的增长可改变地表辐射能量平衡，面类型，其对地表辐射与能量的分配方式产生与城增强局地气温及产生热岛效应，进而影响居民的舒市绿地不同甚至截然相反的作用，进而对城市热适性和健康状况，以及污染物排放等[19-24。当前不岛、大气环境及局地气候产生重要影响。城市不透水地表信息提取主要依据遥感光谱信息的分类透水表面的增长是城市扩展的显著特征之

4、一，对环和多源辅助信息的使用[9,201。境效应的影响日益为人们所关注1。近年来，国城市人工不透水表面阻隔了地表和大气之间内外学者对城市化带来的土地利用／覆被变化及其的水汽交换，导致地表上空2m高空气层的波文比产生的环境效应进行了研究。遥感和GIS的技术(简称地表波文比)的升高。虽然空气湍流和水平平手段也越来越多地被应用到这一研究领域，大量研流的作用会导致与其他透水层上空的空气在一定究结果揭示了地表温度和土地覆被变化之间的规程度上混合，但是实践表明地表波文比参数与不透律[13-18】。城市不透水表面是反映人类活动强度和评水表面百分比参数之间仍然具有高度相关关系，这价城市建设用地增长的

5、重要指标，对于评价城市生为通过波文比的空间差异推算城市人工不透水表态系统健康与人居环境质量具有重要的理论与现面的分布提供了物理依据。本研究选择北京市为实意义。城市不透水表面是由于城市发展建设产实验区，应用LandsatTM卫星热红外遥感数据，采收稿日期：2014—04—30；修回日期：2014-06-12．基金项目：国家自然科学青年基金项目(40901224)；国家重点基础研究发展计划(2010cB950901O1)。作者简介：刘越(1977-)，男，博士，主要从事城市生态遥感定量模拟与分析研究工作。E-mail：liuyue@lries．ac．cn通讯作者：匡文慧(1978一)，男

6、，博士，副研究员，主要从事城市生态学、土地利用／覆盖变化研究。E—mail：kuangwh1978@sina．com4期刘越等：基于地表通量特征的城市不透水表面定量热红外遥感反演61l该系统直接获取多日连续和卫星过境时的地表反得：照率、地表净辐射通量)、显热通量㈣、潜热通量6—ln—(It1+垒KL1／L)(10u)等地表通量参数，并计算获得波文比数据(I-I／式(1o)中，为辐射亮度；K1、K2为常数fK1=L。607．76，K2=1260．56)。其中，辐射亮度的计算公2．3地表热通量遥感反演式为：根据热量收支平衡原理，陆地表层的能量收支=0．055158XDⅣ+1．2378(1

7、1)平衡应满足地表能量平衡方程：式(11)中，DN为灰度值。=++G(1)将上述一系列计算所获得的各项参数值代入式(1)中，R为到达地表的净辐射通量；为潜方程式(2)中，最终反演得到了研究区2009年9月20热通量；为显热通量；G为土壤热通量。日12时43分卫星过境时的地表温度空间分布图本文采用了覃志豪的单窗算法[28-3o]进行地表温(图2)。度反演，具体计算过程如下：地表净辐射通量的反演是通过对地表辐射收rs{a(1一c—D)+[b(1一C—D)+c+