一种基于遥感技术的城区热岛效应评估方法与流程

本发明涉及一种基于遥感技术的城区热岛效应评估方法。

背景技术：

改革开放以来，我国城市建设快速发展，城市下垫面的类型和结构发生变化，原有的森林植被、水体等自然景观被众多低反射率、高吸热率和高储热性的建筑物、道路等不透水面逐渐取代，导致城市温度的普遍升高。再加上工业生产、居民生活、以及交通运输等燃烧消耗大量的石化燃料直接产生大量热量排放到环境中，通过风的输送以及湍流扩散形成温室效应使城市温度升高。下垫面改变和热排放等因素导致和加重了城市热岛效应。人类活动对环境的影响与日俱增，我们必须意识到，在利用和改造自然的同时，要走可持续发展道路。遥感技术的发展，极大提高了对城区热岛效应进行监测效率，对政府职能部门合理进行城市规划建设，提高城市人居环境，实现“城市让生活更美好”的目标和促进城市可持续发展具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于遥感技术的城区热岛效应评估方法，以克服现有技术中存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于遥感技术的城区热岛效应评估方法，按照如下步骤实现：

步骤S1：通过遥感设备以及气象数据收集设备获取遥感数据以及气象数据；

步骤S2：对遥感数据进行影像预处理，获取图像灰度值以及建模计算NDVI；

步骤S3：获取图像灰度值后，计算图像辐射值，并进一步获取图像亮度温度；

步骤S4：计算NDVI后，计算植被覆盖度，并进一步计算地表比辐射率；

步骤S5：根据所获取的气象数据计算大气平均作用温度、大气水汽含量，并建立水汽含量与大气透射率拟合方程；并通过大气水汽含量以及水汽含量与大气透射率拟合方程计算大气透射率；

步骤S6：进行地表温度反演处理；

步骤S7：进行LST结果比较以及精度分析，择优选取LST结果；

步骤S8：进行城市热岛分级。

在本发明一实施例中，在所述步骤S2中，所述影像预处理包括几何校正处理、遥感图像镶嵌处理、辐射校正处理、图像配准处理、图像裁剪处理以及辐射校正处理。

在本发明一实施例中，在所述步骤S3中，所述图像亮度温度按照如下步骤获取：通过如下方式，根据图像辐射值转换为对应的图像亮度温度值：

其中，表示传感器处的亮度温度（K），为图像辐射值，单位为；和均为常量。

在本发明一实施例中，在所述步骤S4中，所述地表比辐射率采用如下混合元分解法计算：

其中，为混合像元的地表比辐射率；为植被覆盖率；表示植被的温度比率，表示建筑表面的温度比率；表示植被的地表比辐射率，表示建筑表面的地表比辐射率；为热辐射校正项，表示植被和裸土之间的热辐射相互作用量。

在本发明一实施例中，在所述步骤S5中，根据大气剖面气温和水分分布，并采用如下近似估算方式估算大气平均作用温度：

式中，表示大气平均作用温度(K)；表示从地面到遥感器高度Z区域内的大气水分总含量；是高程为z处的大气温度(K)； 代表从高程z到遥感器高度Z区域之间的大气水分含量。

在本发明一实施例中，在所述步骤S5中，所述大气透射率通过如下方式获取估计值：采用MODTRAN 4模拟软件，利用标准大气模拟计算所述水汽含量与大气透射率拟合方程，再将通过气象资料估算得到的大气水汽含量代入所述水汽含量与大气透射率拟合方程中，得到大气透射率的估计值。

在本发明一实施例中，在所述MODTRAN 4模拟软件中，输入大气剖面、气溶胶、探测几何模式、波段及分辨率，再将计算结果导入到Excel中，得到所述水汽含量与大气透射率拟合方程。

在本发明一实施例中，在所述步骤S5中，在所述步骤S6中，所述地表温度反演处理还包括：通过获取大气校正法反演地温所需的大气上、下行辐射亮度参数，根据输入成像时间、中心经纬度得出模拟值：

大气上行辐射亮度Lup=1.34W/(m2.μm.sr)；

大气下行辐射亮度Ldown=2.24W/(m2.μm.sr)。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

（1）利用不断更新的遥感技术，应用最新的Landsat—8影像资料，根据单波段算法和劈窗算法对城区热岛效应进行计算评估。

（2）对城区的热岛效应计算评估精确度高，对改善城区环境具有重要意义。

（3）可以通过对城区的热岛效应进行计算评估，为解决办法提供严谨的理论依据。

（4）实现了对城区内部数据精确测量。

附图说明

图1为本发明中基于遥感技术的城区热岛效应评估方法的流程图。

图2为本发明中遥感数据处理的流程图。

图3为本发明中百叶箱的结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供一种基于遥感技术的城区热岛效应评估方法，如图1以及图2所示，按照如下步骤实现：

步骤S1：通过遥感设备以及气象数据收集设备获取遥感数据以及气象数据；

步骤S2：对遥感数据进行影像预处理，获取图像灰度值以及建模计算NDVI；影像预处理包括几何校正处理、遥感图像镶嵌处理、辐射校正处理、图像配准处理、图像裁剪处理以及辐射校正处理。

步骤S3：获取图像灰度值后，计算图像辐射值，并进一步获取图像亮度温度；

步骤S4：计算NDVI后，计算植被覆盖度，并进一步计算地表比辐射率；

步骤S5：根据所获取的气象数据计算大气平均作用温度、大气水汽含量，并建立水汽含量与大气透射率拟合方程；并通过大气水汽含量以及水汽含量与大气透射率拟合方程计算大气透射率；

步骤S6：进行地表温度反演处理；

步骤S7：进行LST结果比较以及精度分析，择优选取LST结果；

步骤S8：进行城市热岛分级。

进一步的，遥感技术在21世纪的到快速发展，影像数据获取较为方便，影像数据表现方式丰富及可视化效果良好等特点，对城市区域的热岛效应的研究提供了极大帮助。本设计发明所采用的影响数据具有两个热红外波段，采用单波段算法和劈窗算法来反演获取地表温度数据。

在本实施例中，劈窗算法（Split Window Algorithm,SWA算法）同单窗算法相似，源于对地表热辐射传导方程的求解，是一种根据AVHRR数据两个热红外波段来反演海面温度的方法，后来被广泛使用于NOAA/AVHRR和MODIS这类具有两个热通道的遥感数据，且在晴空大气条件下其反演精度更高。其中Landsat 8的两个热红外通道与MODIS数据的31、32波段非常接近，这为Landsat 8数据利用用劈窗算法反演地表温度提供了理论上的可行性支持。

在本实施例中，在步骤S6中，在地表反演过程中需要如下数据：

1)、辐射亮温的计算

亮温的计算通常利用Planck公式将图像像元对应传感器处的辐射强度值直接转换为对应的亮度温度值，公式如下：

式中， 表示传感器处的亮度温度（K）；为在影像预处理时已求得的光谱辐射值，单位为W/(m2·sr·μm)；和均为常量。

2)、地表比辐射率的计算

比辐射率是反映物体热辐射性质的一个重要参数，不同的地表覆盖类型对热辐射的传导影响不同，计算地表比辐射率采用：混合像元分解法。对于城市区域，我们可以简单地将地表视为由水体、植被以及建筑三种地物组成。因此混合像元分解法计算城镇地表的比辐射率的公式如下：

式中，为混合像元的地表比辐射率；为植被覆盖率；表示植被的温度比率，表示建筑表面的温度比率；表示植被的地表比辐射率，表示建筑表面的地表比辐射率；为热辐射校正项，表示植被和裸土之间的热辐射相互作用量，对于地表相对平坦的区域，这一项的值就很小。

3)、大气平均作用温度的估算

大气平均作用温度主要是大气剖面的气温分布和大气水分情况决定的，通常采用估算方法，利用大气剖面气温和水分分布来近似估算大气平均作用温度，近似估算公式为：

式中，表示大气平均作用温度(K)；表示从地面到遥感器高度Z区域内的大气水分总含量；是高程为z处的大气温度(K)； 代表从高程z到遥感器高度Z区域之间的大气水分含量。

4)、大气透射率的估算

在使用劈窗算法反演地表温度时，大气透射率作为计算公式中的基本参数，需要较精确的估算。本设计发明采用MODTRAN 4模拟软件，利用标准大气（中纬度夏季大气剖面）来模拟计算大气水汽含量与大气透射率的关系，再将通过气象资料估算得到的大气水汽含量代入模拟方程中，即可得到大气透射率的估计值。

在MODTRAN 4中，输入大气剖面、气溶胶、探测几何模式、波段及分辨率等参数，再将计算结果导入到Excel中，得到大气透射率与大气水分含量的拟合曲线及方程。

5)、大气上、下行辐射亮度

于实时的大气探空数据常常缺乏，大气上行辐射、下行辐射通常需要利用大气校正软件来模拟计算。本设计发明通过获取大气校正法反演地温所需的大气上、下行辐射亮度参数，根据输入成像时间、中心经纬度得出模拟值：大气上行辐射亮度Lup=1.34W/(m².μm.sr)；大气下行辐射亮度Ldown=2.24W/(m².μm.sr)。

进一步的，在本实施例中，地表温度是各种地表物质反射与发射辐射的能量表征。在分析城区环境时，采用Landsat—8影像资料分辨率为100m，像元所表征的地表温度为该像元内所包含各类地表物质的所有反射与发射辐射的贡献，在晴空条件下，反演得到城市地表温度的连续变化，从而计算出城市热岛强度。

进一步的，在本实施例中，城区中气象数据的测量使用如图3所示的木质百叶箱装置，其中百叶箱的作用：白天，空气对太阳辐射的吸收能力弱于任何一种温度感应元件；晚上，空气中的红外辐射能力又弱于任何一种温度感应元件的表面。任何直接暴露在空气中的测温和测湿元件，其测量值在白天将系统偏高于温度，夜间则系统偏低。为了避免这种辐射误差，必须对测温及测湿元件进行有效的辐射遮蔽措施。

在本实施例中，采用白色是因为白色可以最大限度的将投射在百叶箱上的辐射反射掉，减少误差。

进一步的，结合城市规划将气象数据采集的地点分成：广场、道路城区、公园绿地、湿地、道路郊区、水域城区、耕地、水域郊区、林地、未利用地等。按照面积分隔法定位，而是尽量覆盖到区域内主要类型的下垫面。布置在距水平面大概1.5m左右，以反映行人活动高度，因此要注意测量不影响公共场所的日常使用，同时考虑好仪器设备的保管问题。其中，公共场所放置设备应做好防护，设置专人看护，并设置标识，提醒行人及公众安全及避免误触造成的数据误差；湿地及水域应尽可能减少对环境的破坏，避免动物活动对数据检测的误差。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。