一种基于国产卫星的城市热岛效应监测方法和系统与流程

本申请涉及热岛效应监测技术领域，特别是涉及一种基于国产卫星的城市热岛效应监测方法和系统。

背景技术：

地表温度是地表与大气之间辐射及能量交换和区域与全球尺度地表物理过程的关键参数，热红外遥感是探测地表温度的有效手段。环境一号卫星a、b(hj-a/b)星是我国继气象、海洋、国土资源卫星之后2008年发射的一个全新的民用卫星。环境一号b(hj-1b)卫星上的红外相机(irs)的热红外波段空间分辨率为300m。对该星的热红外研究还不多，且主要集中在前期的模型模拟、在轨测评或反演过程相对复杂阶段，如段四波等(2008)利用hj-1b数据模拟反演了地表温度。在卫星的最新定标参数发布后，目前急需结合地面观测数据或者其它卫星数据交叉标定，定量评价该星在环境和减灾领域中的应用能力。

国内外利用单窗算法反演地表温度的研究已经非常成熟，其中较具代表性的主要有辐射传输方程法、jiménez-&sobrino单窗算法和覃志豪单窗算法。辐射传输方程法较复杂，所需参数较多，在反演地表温度的实际中不便应用，而后两种虽然仅需要地表温度、大气水汽含量和地表比辐射率，但大气水汽含量并不容易获取，尽管通过其它遥感数据，如modis(是搭载在terra和aqua卫星上的一个重要的传感器)的水汽产品或者波段比值法获得大气水汽分布，但不同传感器、不同分辨率的数据融合时，也易带来误差。

与地表温度对应的是城市热岛效应(urbanheatisland,uhi)，城市热岛效应是指快速城市化和工业化过程中导致城市大气温度和地表温度高于周边郊区或乡村等非城市环境的一种温度差异性现象。具体而言，是以城市下垫面的地表温度和空气温度为核心，以受人类活动影响而改变后的传输大气状况(如空气湿度、风速、大气浑浊度等)、下垫面状况(土地利用覆盖类型、热容、发射率、反照率等)和太阳辐射为组成部分的一个可以影响人类及其活动的物理环境系统。城市空间热环境的演变过程与人类社会、经济活动有着密切的关系。城市化进程加快，沥青、金属、水泥等不透水表面大量替代原有自然地表以及人口数量激增均造成了城市整体热排放水平的日益增加。

目前，城市热岛效应已成为全球现代化城市气候变化最为显著的特征之一，并对城市空气质量改善、雾霾治理和植物健康生长带来了极大的负面影响。普遍认为城市空间热环境恶化已成为全球后工业时代导致人类死亡数量最大的灾害。美国疾预报控制中心(centersfordiseasecentersofcontrolandprevention,cdc)估计，在1979年之后的10年时间里，美国大约有7421人因城市环境过热而死亡。1980年7月，美国接连遭受热浪袭击，美国的kansas和st.louis两座城市的cbd商业核心区受热岛效应影响死亡率分别上升了64％和57％，而城市郊区等其它未受到热岛效应影响的区域，死亡率上升不到10％。美国政府每年用于缓解城市热岛效应的能源成本支出已高达约100亿美元，如何准确监测城市区域的热环境变化，使其能够可持续发展是全世界各国政府、企事业单位、国际组织和大学研究机构目前研究的一个热点问题。我国于2006年2月，由国务院颁布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》，国家住房和城乡建设部分别于2013年9月和2015年11月发布了《城市居住区热环境设计标准(jgj286-2013)》和《城市生态建设环境绩效评估导则(试行)》将城市热环境的质量纳入到了建设项目考核评价指标体系，表明我国已将城市热环境问题作为今后城市整体建设和发展的重要研究项点，并希望通过不断完善和规范设计标准，确保今后我国城市生态环境的可持续发展。

从数据源上来看，用于城市热岛效应研究的数据来源主要分为地表温度数据(遥感数据)和大气温度数据(气象数据)。由于城市大气的分层结构不同，城市热环境的研究范围主要分为城市地表层(urbansurfacelayer,usl)、城市冠层(urbancanopylayer,ucl)和城市边界层(urbanboundarylayer,ubl)。其中，城市冠层和城市边界层上的热岛效应属于城市大气热岛(atmosphericurbanheatisland,auhi)的研究范畴，分别称之为城市冠层热岛(canopylayerheatisland,clhi)和城市边界层热岛(boundarylayerheatisland,blhi)。城市边界层和城市冠层的热环境和热岛效应主要应用气象数据进行研究，主要方法包括地面观测和数值模拟。

相对于城市冠层和边界层而言，城市地表层温度与人体的健康和冷暖感受密切相关，既是描述城市空间热环境状况、解释城市空间热环境形成的重要参数，也是当前城市空间热环境研究的核心内容之一，并属于城市地表热岛(surfaceurbanheatisland,suhi)的研究范畴。传统的通过地面气象观测设备获取的高空或地表温湿压数据由于受到尺度效应制约，难以实现数据的面状覆盖，因而需要将点尺度数据扩展到面上，而在扩展的过程中数据的真实性和转换精度均会受到一定影响，这对于当前开展城市区域尺度范围的地表热环境研究带来了困难。而星载遥感传感器可以直接获取城市地表、地物的热辐射信息并具有数据获取周期短、覆盖范围广、获取成本低、能够快速准确地监测城市地表下垫面温度特征等优点，目前已成为国内外专家学者开展城市热环境变化趋势及动态评价研究的主要技术手段。通过卫星热红外遥感数据反演并应用于城市地表热环境研究的温度可以分为经过大气校正的地表温度和未经过大气校正的星上亮温。当研究区域的水汽状况基本一致时，可以忽略大气影响而用亮温进行研究。但由于地表热辐射在传导过程中受到辐射面和大气的影响，导致星载传感器接收到的热辐射强度与地表热辐射强度差异较大，因而使用亮温进行研究的结果往往与地表真实温度之间存在一定的误差。而经过大气校正后反演得到的地表温度由于基本考虑了大气和辐射面影响，其反演结果往往更接近于真实的地表温度。目前，用于监测热岛效应的遥感数据以landsat系列、modis系列和noaa-avhrr等国外卫星数据产品为主，亟需针对我国国产卫星数据产品建立一种可以有效监测大型城市热岛效应变化的方法，以此加强我国卫星产品在大型城市热环境监测领域的应用示范，这对于我国国产卫星技术走出国门具有重要的现实意义。

目前用于城市热岛监测研究的数据来源主要是通过地面气象观测设备获取的高空或地表温湿压数据，但由于受到尺度效应制约，难以实现数据的面状覆盖，因而需要将点尺度数据扩展到面上，而在扩展的过程中数据的真实性和转换精度均会受到一定影响，这对于当前开展城市区域尺度范围的地表热环境研究带来了困难。

星载遥感传感器可以直接获取城市地表、地物的热辐射信息并具有数据获取周期短、覆盖范围广、获取成本低、能够快速准确地监测城市地表下垫面温度特征等优点，因而已成为国内外开展热岛效应研究及动态评价研究的主要技术手段。目前，用于监测热岛效应的遥感数据以landsat系列、modis系列和noaa-avhrr等国外卫星数据产品为主，亟需针对我国国产卫星数据产品建立一种可以有效监测大型城市热岛效应变化的方法，以此加强我国卫星产品在大型城市热环境监测领域的应用。

现有技术的缺点主要集中在以下几个方面：一是用于城市热岛效应研究的遥感数据源主要以国外卫星产品为主，缺少中国国产卫星产品的应用。二是利用遥感影像反演地表温度时，下垫面物体的比辐射率是反演地表温度的关键，而比辐射率的合理确定是当前亟待解决的反演地表温度的关键。三是在以往的研究中，研究人员大多利用国产卫星数据只注重地表温度反演，或是构建热岛效应监测指数，并没有形成一个完整的研究体系。

因此，本技术领域亟需提供一种新的热岛效应监测系统，以解决现有的技术问题。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述问题，提供一种基于国产卫星的城市热岛效应监测方法和系统，可以利用国产环境小卫星数据，通过定量化反演地表温度，构建并形成多种专题图和剖面图，实现城市热岛效应的定量化监测。

一种基于国产卫星的城市热岛效应监测方法，所述监测方法包括：

对国产卫星提供的遥感数据进行数据预处理；

采用预定模型对经过数据预处理的所述遥感数据进行大气校正，并估算地表比辐射率；

根据所述数据预处理、所述大气校正和所述估算地表比辐射率的结果进行反演地表温度；

根据反演的所述地表温度绘制与地表温度和/或热岛强度的相关图表，以根据所述相关图表进行城市热岛效应监测。

一种基于国产卫星的城市热岛效应监测系统，所述监测系统包括处理器，所述处理器执行基于国产卫星的城市热岛效应监测的程序数据时，用于实现所述的城市热岛效应监测方法的步骤。

上述基于国产卫星的城市热岛效应监测方法和系统，通过对国产卫星提供的遥感数据进行数据预处理，采用预定模型对经过数据预处理的所述遥感数据进行大气校正，并估算地表比辐射率，接着，根据所述数据预处理、所述大气校正和所述估算地表比辐射率的结果进行反演地表温度，并根据反演的所述地表温度绘制与地表温度和/或热岛强度的相关图表。本申请可以有效地评估不同时间段下大型城市热岛空间分布的差异性，能够利用国产环境小卫星数据，通过定量化反演地表温度，构建并形成多种专题图和剖面图，实现城市热岛效应的定量化监测。

附图说明

图1为一实施例中基于国产卫星的城市热岛效应监测方法的流程图；

图2为一实施例中基于国产卫星的城市热岛效应监测系统的结构示意图；

图3a～3d为采用本申请城市热岛效应监测方法绘制的地表温度图；

图4a～4d为采用本申请城市热岛效应监测方法绘制的地表温度等级图；

图5a～5d为采用本申请城市热岛效应监测方法绘制的热岛强度图；

图6a～6f为采用本申请城市热岛效应监测方法绘制的热岛强度剖面图。

具体实施方式

请参阅图1，为一实施例中基于国产卫星的城市热岛效应监测方法的流程图，本实施例提供一种基于国产卫星的城市热岛效应监测方法，所述监测方法包括但不限于如下步骤。

步骤s101，对国产卫星提供的遥感数据进行数据预处理。

步骤s102，采用预定模型对经过数据预处理的所述遥感数据进行大气校正，并估算地表比辐射率。

步骤s103，根据所述数据预处理、所述大气校正和所述估算地表比辐射率的结果进行反演地表温度。

步骤s104，根据反演的所述地表温度绘制与地表温度和/或热岛强度的相关图表，以根据所述相关图表进行城市热岛效应监测。

需要说明的是，所述步骤s104根据反演的所述地表温度绘制与地表温度和/或热岛强度的相关图表之后，还可以包括步骤：采用热岛重心分析模型分析城市热岛重心转移过程。

上述最优实施例可以有效地评估不同时间段下大型城市热岛空间分布的差异性，能够利用国产卫星数据，通过定量化反演地表温度，构建并形成多种专题图和剖面图，实现城市热岛效应的定量化监测。

在具体的实施方式中，步骤s101对国产卫星提供的遥感数据进行数据预处理，具体可以包括：对hj-1b国产卫星提供的遥感数据进行包括几何校正、裁剪和辐射定标的数据预处理。

需要说明的是，本实施方式所述几何校正具体可以包括：利用指定城市指定比例的土地利用调查图为参考，对hj-1b国产卫星提供的遥感数据进行几何校正，并采用图像对地图的配准方法，在遥感数据的影像上选取多个地面控制点，采用二次多项式进行校正，以控制总体误差在预定像元阈值上。

举例而言，本实施方式所采用的hj-1b遥感数据的影像可以由中国资源卫星应用中心提供，利用深圳市的指定比例1:10000土地利用调查图为参考，对hj-1b进行几何校正，采用图像对地图的配准方法(imagetomap)，在影像上选取200个地面控制点，采用二次多项式进行校正，总体控制在预定像元阈值为0.5个像元以内的误差。

需要说明的是，所述裁剪具体包括：按照所述指定城市的官方矢量文件进行裁剪。

举例而言，本实施方式的裁剪可以按照深圳市官方发布的矢量文件进行裁剪。

需要说明的是，本实施方式所述辐射定标具体可以包括：采用公式计算hj-1b国产卫星中ccd相机的波段，采用公式计算hj-1b国产卫星中irs相机的波段，其中，l为辐射亮度，g为绝对定标系数增益，b为偏移量，dn为相机传感器记录的无量纲的值。

其中，g和b的取值，以深圳市2015年四个季节时间段内的四副遥感影像为例，其具体取值范围见下表1。

表1辐射地表相关系数表

值得一提的是，本实施方式所述步骤s102中采用预定模型对经过数据预处理的所述遥感数据进行大气校正，具体可以包括：

采用flaash的预定模型对经过数据预处理的所述遥感数据进行大气校正。

举例而言，所述flaash的预定模型的公式可以包括：

其中，le为国产卫星接收的总辐射，s为大气球面反射率，a和b是依赖于大气和几何状况的系数，ρ为像元的反射率，ρe为周围区域的平均反射率；la为大气散射后的辐射量。

需要说明的是，表示像元直接进入传感器的部分，表示地表像元的反射经大气的散射进入传感器的部分，la是太阳辐射经过大气散射后一部分进入大气中，后进入传感器的部分。此外，本实施方式flaash的大气校正模型需要确定的参数主要包括：成像区域平均高度、成像中心点经纬度、大气模型、气溶胶模型、气溶胶反演方法、传感器高度、像元大小、成像时间以及hj-1b国产卫星的波谱响应函数。其中传感器高度、像元大小可以在环境一号卫星(用于环境和灾害监测的对地观测系统，由两颗光学卫星hj-1a卫星、hj-1b卫星，以及一颗雷达卫星hj-1c卫星组成)数据中心获得，成像中心点经纬度、成像时间可以在hj-1b卫星的头文件上获得，成像区域平均海拔高度通过深圳市dem(digitalelevationmodel，数字高程模型)数据获得。本申请的大气模型、气溶胶模型、气溶胶反演方法选择标准模型，波谱响应函数由中国资源卫星应用中心提供。

在本实施例中，所述步骤s102中估算地表比辐射率，具体可以包括：

采用分类法和ndvi阈值法估算地表比辐射率ε。

需要说明的是，在本实施方式中，植被覆盖度的计算公式包括：

其中，pv为植被覆盖度，ndviv为纯植被的ndvi最小值；ndvis为裸土ndvi(normalizeddifferencevegetationindex，归一化植被指数)最大值，band3和band4为hj-1b国产卫星ccd相机的第3波段和第4波段；对于纯植被，ndvi≥ndviv，纯植被比辐射率εv＝0.986，pv＝1；对于纯裸土，ndvi≤ndvis，纯裸土比辐射率εs＝0.97215,pv＝0；对于水体比辐射率εw＝0.995；对于建筑物表面，建筑物表面比辐射率εm＝0.968。

值得注意的是，本实施方式对于包括植被、裸土和建筑物表面的混合像元，采用的比辐射率估算法可以包括：

ε＝pvrvεv+(1-pv)rsεs+dε

ε＝pvrvεv+(1-pv)rmεm+dε

其中，ε为比辐射率，pv为植被覆盖度，rv、rs和rm分别为植被、裸土和建筑物表面的温度比率，dε为植被与裸土或者建筑物表面之间的热辐射相互作用量，由pv估计得到。εv、εs和εm分别为植被、裸土和建筑物表面的比辐射率。

在本实施方式中，所述步骤s103根据所述数据预处理、所述大气校正和所述估算地表比辐射率的结果进行反演地表温度，具体可以包括：

根据所述数据预处理、所述大气校正和所述估算地表比辐射率的结果利用单窗算法反演地表温度，其中，计算公式可以包括：

在上述计算公式中，ts，t0，ta分别为地表温度、星上亮温和大气平均作用温度；ε是地表比辐射率，τ是大气透过率，a和b是通过温度变量公式g＝a+bt0得到的常数。

值得一提的是，本实施方式利用中国资源卫星应用中心公布的irs4通道响应函数，取波长间隔0.01μm，拟合得到t0在不同范围时与星上辐射亮度l之间的线性关系为：当亮度温度在0℃-55℃范围变化时，系数a＝-69.158，b＝0.4684，r²＝0.997，其中t0的计算公式可以包括：

t0＝k2/ln[1+k1/l]

其中，l为星上辐射亮度，k1＝589.33w·m^-2·sr^-1·μm^-1和k2＝1249.91degk。

此外，本实施方式的大气透过率τ和大气水汽含量ω的计算公式可以包括：

其中，α和β分别取值0.02和0.651，因为terra星和环境星两个卫星产品的过境时间基本一致，所以ρ2和ρ19是modis影像的波段2和波段19计算。

对于地表温度反演的精度，本申请采用terra/modis温度产品进行验证。modis温度产品的空间分辨率为1km(千米)，虽然比环境卫星的分辨率低，但modis温度产品比较成熟，具有小于1k的精度，并且terra星和环境星的过境时间都是地方时上午10:30，因此具有同步的优势，也避免了由点到面转换带来的误差。对一个反演算法的对比验证可根据实测值或其它标准值，由于实测数据较难获取，所以本实施方式采用具有较高精度(＜1k)的modis温度产品作为标准值验证所述反演的算法。hj-1b遥感数据的热红外通道的空间分辨率为300m(米)，而modis温度产品的空间分辨率为1km，为了全面有效地对该星热红外波段的地表温度探测能力进行验证，本实施方式用两个方法，一种是把modis的空间分辨率重采样为300m，另一种是把hj-1b的数据重采样为1km，进而对比同一种分辨率下的反演结果。反演结果的验证方式，本实施方式采用最小值、最大值和平均值作为统计指标。

利用上述的方法，对hj-1b遥感数据的影像进行辐射校正、简单去云、大气校正等预处理，进而采用单窗算法反演地表温度，其反演的地表温度和modis温度产品的影像对比见表2。从表2可以看出，本实施方式采用的方法进行地表温度反演是简单、且有效的。

表2hj-1b和mod11a1温度反演结果对比

在本实施方式中，所述步骤104中采用热岛重心分析模型分析城市热岛重心转移过程，采用的重心转移模型公式可以包括：

其中，xg和yg是热岛重心坐标的横坐标和纵坐标。

此外，在步骤s104中，还可以根据所述重心转移模型公式绘制热岛重心转移图。

需要说明的是，本实施方式步骤s104根据反演的所述地表温度绘制与地表温度和/或热岛强度的相关图表，具体可以包括绘制地表温度图、地表温度等级图、热岛强度图和热岛强度剖面图等。

本实施方式以深圳市为例，绘制的地表温度图请参阅图3a～3d，显示的为采用本申请城市热岛效应监测方法绘制的地表温度图。

本实施方式以深圳市为例，绘制的地表温度等级图见图4a～4d，显示的为采用本申请城市热岛效应监测方法绘制的地表温度等级图，其中其与下表3相对应。

表3地表温度等级

需要说明的是，本实施方式可以通过下述计算公式绘制热岛强度图，具体如图5a～5d所示，公式包括：

其中，uhiiij为热岛强度，tij为i,j像元的地表温度，ta为平均地表温度。

接着，本实施方式利用空间信息提取技术，提取城市剖面热岛强度图，具体如图6a～6f所示的热岛强度剖面图。

从上述实施方式不难看出，本申请以深圳市2015年的四个季节为验证时间段进行实验，实验结果证明本申请的实际效果具有较高的精度和较好的分析效果。本申请基于国产卫星数据产品，生成多种专题热岛分析图集，综合利用热岛重心转移模型模拟城市热岛重心的转移过程，实现城市热岛效应的定量化监测。本申请能够有效地评估不同时间段下大型城市热岛空间分布的差异性，为城市热岛研究提供了新的方法途径。

本申请还提供一种基于国产卫星的城市热岛效应监测系统20，所述监测系统20可以包括存储设备21和处理器22，所述处理器执行基于国产卫星的城市热岛效应监测的程序数据时，用于实现任一上述实施方式所提及的城市热岛效应监测方法的步骤。

需要说明的是，本实施方式的存储设备21和处理器22之间，可以采用有线或无线的连接，也可以采用本地硬件接口或者远程云端服务的连接方式进行连接。

综上所述，本申请以国产环境小卫星数据为基础数据源，以受城市化影响最为显著的深圳市为验证对象区，在利用基于影像的flaash模型完成影像大气校正以及利用ndvi阈值法完成验证对象区下垫面比辐射率测定的基础上，采用单窗算法反演研究区不同时期的地表温度，制作地表温度分布图；通过对验证对象区地表温度进行正规化处理，将处理后的地表温度按从低到高划分为7个等级，制成研究区地表温度等级分布图；并以此为基础，计算热岛强度，制作热岛强度分布图；采用影像信息提取技术，提取城市发展规划轴、带上的剖面热岛强度，实现重点区域重点分析；利用热岛重心转移模型模拟城市热岛重心的转移过程，实现城市热岛效应的定量化监测。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，划分仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本申请各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。