一种城市地表温度反演方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及环境科学领域，具体设及一种城市地表温度反演方法及系统。
【背景技术】
[000引 20世纪90年代W来，我国进入城市化加速发展阶段，由此引发了城市高层建筑、 机动车辆、人为热源的激增W及城市用地性质的巨大改变，该些因素共同导致了城市热岛、 大气污染和生态失衡等诸多环境问题。其中，W热岛效应为代表的城市热环境恶化已成 为影响城市生态环境的重要因素，并严重制约了城市人居环境质量。城市地表温度（Land SurfaceTemperature,LST)是一个重要的地球物理参数，在对影响城市生活舒适度的热岛 效应的监测中发挥着重要作用，是城市生态环境效应研究的热点之一。通过城市地表温度 场可W了解城市热环境及其热效应，揭示城市空间结构和城市规模的发展变化，其影响因 素研究为缓解城市热岛带来的负效应、引导城市可持续发展、进而提高人群居住环境质量 提供科学依据。因此，精确获取城市地表温度具有重要的实际意义。
[0003] 随着遥感基础理论及技术的发展，近年来使用具有热红外通道的卫星传感器反演 地表温度的技术得到广泛应用。目前用于获取地表温度的遥感数据主要有NOAAAVHRR、 MODIS、Landsat-5TM、AST邸等，受空间分辨率、获取难度及存档数据量限制，在进行城市热 环境中等尺度地表温度研究时，Landsat-5TM(热红外通道分辨率为120m)具有明显优势。 基于Landsat-5TM遥感数据热红外波段反演地表温度的算法目前主要有福射传输方程法、 单窗算法、普适性单通道算法及基于影像的算法，但受卫星过境大气参数获取困难限制，前 =种算法在地表温度提取精度上存在较大争议，而基于影像的算法因对大气参数依赖性较 小而得到广泛应用。但由于地表比福射率的确定方法不统一，导致基于影像的算法在提取 地表温度时精度也存在一些问题。
[0004] 因此，需要提供一种获取城市地表温度的方法，使得基于影像的算法在提取地表 温度时能够获得较高的精度，从而为城市热环境监测提供可靠的基础数据。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种城市地表温度反演方法及系统，能够广 泛用于城市热环境的监测，具有成本低、精度高、适用范围高的优点。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供W下技术方案：
[0007] 第一方面，本发明提供了一种城市地表温度反演方法，包括：
[000引 S1.获取待测区域的TM影像数据，所述TM影像数据为利用光学对地观测卫星 Landsat-5专题制图仪TM所获得的多波段扫描影像数据；所述多波段包括3个可见光波 段TM-1、TM-2、TM-3,1个近红外波段TM-4、2个中红外波段TM-5和TM-7,1个热红外波段 TM-6；
[0009] S2.对所述TM影像数据进行预处理，包括大气校正、几何纠正、图像增强和影像剪 裁；
[0010] S3.将预处理后的TM影像数据中的热红外波段TM-6的像元灰度值转化为相应的 福射亮度；
[0011] S4.根据福射亮度得到对应的福射亮温；
[0012] S5.利用不同地物的比福射率将福射亮温转换为地表温度。
[0013] 其中，按照下式将预处理后的TM影像数据中的热红外波段的像元灰度值转化为 相应的福射亮度：
[0014]L；^=gainXDP'J+offset
[00巧]其中，U为福射亮度，DN为TM影像热红外波段的灰度值，gain为传感器增益，offset为偏移重。
[0016] 其中，按照下式根据福射亮度得到对应的福射亮温：
[0017]
【主权项】
1. 一种城市地表温度反演方法，其特征在于，包括：
51. 获取待测区域的TM影像数据，所述TM影像数据为利用光学对地观测卫星 Landsat-5专题制图仪TM所获得的多波段扫描影像数据；所述多波段包括3个可见光波 段TM-1、TM-2、TM-3,1个近红外波段TM-4、2个中红外波段TM-5和TM-7,1个热红外波段 TM-6 ；
52. 对所述TM影像数据进行预处理，包括大气校正、几何纠正、图像增强和影像剪裁；
53. 将预处理后的TM影像数据中的热红外波段TM-6的像元灰度值转化为相应的辐射 亮度；
54. 根据辐射亮度得到对应的辐射亮温；
55. 利用不同地物的比辐射率将辐射亮温转换为地表温度。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照下式将预处理后的TM影像数据中的 热红外波段的像元灰度值转化为相应的辐射亮度： Lx = gainXDN+offset 其中，U为辐射亮度，DN为TM影像热红外波段的灰度值，gain为传感器增益，offset 为偏移量。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，按照下式根据辐射亮度得到对应的辐射 亮温：
其中，T为辐射亮温，kp 1^2为发射前预设的常量。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，利用不同地物的比辐射率通过下式将辐 射亮温转换为地表温度：
其中，LST是地表温度，ε为不同地物的比辐射率，λ为发射辐射的波长，p =hXc/ σ，σ为Boltzmann常数，h为Planck常数，c为光速。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述不同地物的比辐射率ε的取值为： 若归一化植被指数NDVI值大于0. 157且小于0. 727，则采用ε = L 0094+0. 0471η (NDVI)计算比辐射率 ε ; 若NDVI值小于或等于0. 157,则比辐射率ε为〇. 923 ; 若NDVI大于或等于0. 727,则比辐射率ε为0. 99 ; 若地物为水面，则其辐射率ε为0.9925。
6. -种城市地表温度反演系统，其特征在于，包括： TM影像数据获取单元，用于获取待测区域的TM影像数据，所述TM影像数据为利用光学 对地观测卫星Landsat-5专题制图仪TM所获得的多波段扫描影像数据；所述多波段包括3 个可见光波段TM-l、TM-2、TM-3,1个近红外波段TM-4、2个中红外波段TM-5和TM-7,1个热 红外波段TM-6 ; 预处理单元，用于对所述TM影像数据进行预处理，包括大气校正、几何纠正、图像增强 和影像剪裁； 辐射亮度获取单元，用于将预处理后的TM影像数据中的热红外波段TM-6的像元灰度 值转化为相应的辐射亮度； 辐射亮温获取单元，用于根据辐射亮度得到对应的辐射亮温； 地表温度获取单元，用于利用不同地物的比辐射率将辐射亮温转换为地表温度。
7. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述辐射亮度获取单元具体用于按照下 式将预处理后的TM影像数据中的热红外波段的像元灰度值转化为相应的辐射亮度： Lx = gainXDN+offset 其中，U为辐射亮度，DN为TM影像热红外波段的灰度值，gain为传感器增益，offset 为偏移量。
8. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述辐射亮温获取单元具体用于按照下 式根据辐射亮度得到对应的辐射亮温：
其中，T为辐射亮温，kp 1^2为发射前预设的常量。
9. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述地表温度获取单元具体用于利用不 同地物的比辐射率通过下式将辐射亮温转换为地表温度：
其中，LST是地表温度，ε为不同地物的比辐射率，λ为发射辐射的波长，p =hXc/ σ，σ为Boltzmann常数，h为Planck常数，c为光速。
10. 根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述不同地物的比辐射率ε的取值为： 若归一化植被指数NDVI值大于0. 157且小于0. 727，则采用ε = L 0094+0. 0471η (NDVI)计算比辐射率 ε ; 若NDVI值小于或等于0. 157,则比辐射率ε为〇. 923 ; 若NDVI大于或等于0. 727,则比辐射率ε为0. 99 ; 若地物为水面，则其辐射率ε为0.9925。
【专利摘要】本发明提供了一种城市地表温度反演方法和系统，所述方法包括：S1.获取待测区域的TM影像数据，所述TM影像数据为利用光学对地观测卫星Landsat-5专题制图仪TM所获得的多波段扫描影像数据；S2.对所述TM影像数据进行预处理，包括大气校正、几何纠正、图像增强和影像剪裁；S3.将预处理后的TM影像数据中的热红外波段的像元灰度值转化为相应的辐射亮度；S4.根据辐射亮度得到对应的辐射亮温；S5.利用不同地物的比辐射率将辐射亮温转换为地表温度。本发明能够广泛用于城市热环境的监测，具有成本低、精度高、适用范围高的优点。
【IPC分类】G01S17-89, G01J5-00
【公开号】CN104748857
【申请号】CN201510098584
【发明人】张力小, 田光进, 庞明月, 葛荣凤
【申请人】北京师范大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年3月5日