遥感技术在城市热岛研究中应用.pptx

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1、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。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

2、分析北京城市热岛的平面布局、内部结构、季节差异等特征第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。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）特性的影响 城市大气污染 人工热源的影响 城市自然下垫面的

3、减少第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基于亮度温度基于地表温度基于地表温度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v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v地表温度反演算法第9页/共33页城市热岛研究的主要遥感数据源平台/传感器通道光谱范围（m）

4、时相分辨率（天）空间分辨率（m）地温反演常用算法NOAA/AVHRR4510.511.311.512.50.51100分裂窗算法TERRA/MODIS313210.7811.2811.7712.2711000改进的分裂窗算法TERRA/ASTER10111213148.1258.4758.4758.8258.9359.27510.2510.9510.9511.651690温度比辐射率分离算法LANDSAT/TM、ETM+610.412.516120/60单窗算法第10页/共33页城市热岛研究的遥感数据源特性平台/传感器适用范围优点缺点NOAA/AVHRR宏观热岛动态监测观测时相多，范围广，观测

5、周期及观测时间短，能长期连续观测，资料同步性好，价格低廉分辨率低TERRA/MODIS宏观热岛动态监测相当于NOAA的后继传感器，但空间分辨率等有了进一步的提高分辨率较低TERRA/ASTER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，有多个热红外通道发射时间较晚，没有存档数据，数据昂贵，获取不易，周期较长LANDSAT/TM、ETM+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，周期较长第11页/共33页地表温度反演算法单波段算法 由于只有

6、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：1.辐射传输方程法 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，伟大期在热红外波段的透过率。第12页/共33页2.Qin et al.单窗算法其中C=,D=(1-)1+(1-),a=67.35351,b=0.458606

7、,为地表比辐射率，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+0.92621T其中T为近地表大气温度第13页/共33页3.JM&S 单通道算法 其中 为传感器观测到的辐射亮度，为传感器观测到的亮温（K），为等效波长，TM第六波段=11.457m，c1=1.19104 108wm-2sr-1m-2，c2=14387.7mk,大气函数1，2，3 可根据大气含水量 来确定，对于TM6公式为：1 1=0.14710.14712 2-0.15583+1.1234-0.15583+1.12342 2=-1.1836=-1.1836

8、2 2-0.37607-0.52894-0.37607-0.528943 3=-0.04554=-0.045542 2+1.8719-0.39071+1.8719-0.39071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）/K所需大气参数辐射传输方程0.57Qin et al.单窗算法2.15T JM&S单通道算法0.93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深入开拓的有效

9、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。分窗算法的基本公式: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.分窗算法的另一常用表达式为:第16页/共33

10、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，它的近星下点观测角度是0-22，前向观测角度小于55.假设观测天顶角30时，比辐射率的角度变化性更大。第18页/共33页三、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)、

11、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(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。第20页/共33页ETM数据拼接裁剪亮温计算亮温图导入ArcGIS9.2技术方法流程图热场分析

12、、评价热场分布图第21页/共33页ETM6图像元值G(Rmax-Rmin)/255+RminRETM6/b绝对辐射亮度值RETM6K1/ln(K2/Rb+1)单位光谱范围的辐射亮度值Rb绝对亮度TT-273.15亮温tRmax：传感器可探测的最大辐射亮度，1.896mwcm-2sr-1Rmin：传感器可探测的最小辐射亮度，0.1534 mwcm-2sr-1G：ETM6图像灰度值b为有效光谱范围，使传感器反应50%的部分，取b=1.239mK1:1282.71kK2:66.609mwcm-2sr-1m-1ETM+亮温计算模型第22页/共33页ASTER数据的温度反演 ASTER各热红外波段亮温图

13、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。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：其中coef10=0.006882，coef11=0.006780，coef12=0.006590，coef13=0.005693，coef14=0.005225，i表示第几热红外波段。第23页/共33页2.转化成亮度温度的方程式：该方程中c1=1.1911108，c2=1.439104，i为这五个波段的中心波长，分别为8.3m，8.65m，9.1m，10.6m，11.3m。第24页/共3

14、3页第25页/共33页第26页/共33页北京市热岛效应分析、评价 从1999年7月1日的热场分布图可以看出，整个北京市以绿黄、黄色为主，亮温值主要在2531C占到整个区域的67.5%。绿色部分主要集中在水域和植被覆盖较好的郊区，占到21.52%，如密云水库。红色部分也即热点区域所占比例很少，只占1.74%。第27页/共33页1999.7.1第28页/共33页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)热场分析样区名称最小亮温最大亮温平均亮温城区20.68 37.45 28.37 昌平19.34 37.08 27.54 密云8.51 39.31 27.4

15、4 第29页/共33页2003.2.18第30页/共33页2003.2.18(冬季)北京城区(东城、西城、宣武、崇文)、近郊(昌平)、远郊(密云)热场分析样区名称最小亮温最大亮温平均亮温城区2.12 15.43 9.10 昌平-0.96 19.39 9.78 密云-3.61 34.03 8.20 第31页/共33页四、改善城市热岛效应的建议和措施根据热岛效应的特征和空间分布,调整改造市区企业和建筑的不合理布局可以减缓市区热岛效应强度。对建筑密度大、人口多的区域要适当地搬迁部分热污染严重的工厂。增加城区的绿地面积市区高层建筑屋顶种植树木等植物,并对建筑物墙壁进行绿化,将高楼表面喷涂上浅颜色,以降低其热能的吸收等加大顺风街道格局的建设可以利用空气流动减缓城市的热岛效应。此外铺设保水性较好的道路,降低路面的吸热能力。第32页/共33页感谢您的观看！第33页/共33页