长春市城区热岛效应遥感分析

针对城市热岛效应对城市生态环境产生的诸多问题,该文以长春市为研究区,利用Landsat TM/TIRS遥感影像,采用普适单通道算法反演地表温度,分析各种驱动因子对地表温度的影响。结果表明:普适单通道算法反演得到的地表温度与卫星过境时测得的气温差值在2℃内。高程(DEM)、优化土壤调节植被指数(OSAVI)、改进归一化差异水体指数(MNDWI)均与地表温度呈负相关,归一化差异不透水面指数(NDISI)与地表温度呈正相关,城市中心区地表温度相对高。长春市1995-2017年间各土地覆盖类型中水体变化最为稳定,裸地变化最为活跃;各土地覆盖类型的平均温度均呈现:建设用地>裸地>林地>水体。因此,通过增加植被与水域的覆盖范围、减少人为不透水面面积可缓解城市热岛效应。     

杭州湾南岸城市群热岛效应研究

以杭州湾南岸城市群为研究区,选取1990、2000和2011年3期Landsat-5 TM遥感影像进行地表温度反演,并采用密度分割法对反演的地表温度影像进行等级划分,对比分析各个时期地表温度分布的空间规律。再提取研究区山地以外的平坦区域,对前后不同时期的地表温度做差值运算,分析地表温度随时间的升降变化。最后提取研究区内的城市建成区,通过计算各时期的热岛比例指数来分析各城市热岛强度的变化情况。     

基于FY-2F数据的中国区域地表温度日变化模型评价及特征研究

地表温度日变化模型作为非常重要的输入参数在气象、水文、生态等领域研究中具有重要意义。风云二号(FY-2F)静止气象卫星的地表温度产品的时间分辨率为1小时,这为拟合精确的地表温度日变化(DSTC)模型提供了可能。本文首先利用194个气象站点对应的2014年的FY-2F地表温度产品评价了GOT01、VAN06、JNG06、INA08、GOT09和GEM_V这6种地表温度日变化模型在中国区的模拟精度,对不同时间窗口和不同地表覆盖类型拟合精度的差异进行了分析;其次,选用JNG06模型探究了中国区域地表温度随经纬度、季节和地表覆盖类型的日变化规律。研究结果表明:在不同时间窗口内,GOT09模型获得了全局最优的拟合精度,均方根误差为0.89 K;JNG06和GEM_V模型精度次之,均方根误差分别为0.92 K和0.94 K;GOT01、INA08和VAN06模型精度最差;各模型在城市和建筑区、农用地和自然植被以及常绿阔叶林这3类地表覆盖类型的拟合精度最好,其均方根误差在0.89—0.92 K,在其余地表覆盖类型的拟合精度在1.0 K以上。JNG06模型模拟的地表温度在4种典型的地表类型随纬度的变化规律较为明显,地表温度在1月份随纬度变化较为剧烈,在7月份整体波动较为平缓。综上所述,使用FY-2F地表温度产品建立的DSTC模型在中国区域具有较高的精度,模拟的地表温度随着纬度变化的规律较为明显。使用本文模型既可以纠正现有模型又可获取归一化地表温度产品,同时可以检验和标定陆面模式地表温度模拟结果。     

基于大气温度和水汽含量改进HJ-1B地表温度反演

为了提高地面气象站稀少地区地表温度遥感反演的精度,本文基于多源遥感数据的优势,首先利用MODIS影像获取研究区像元尺度上平均大气水汽含量;然后利用同时相的HJ-1B影像估算区域地表比辐射率,再采用温度-植被指数法获取近地表大气温度;最后将以上3个参数输入单窗体算法,改进其地表温度反演的精度。研究结果表明,改进单窗体算法反演地表温度与地面实测温度的偏差小于1 K,为地面气象站点稀少的植被覆盖区域提供了一种可行的精确遥感反演地表温度方法。     

基于遥感的长沙市城市热岛与土地利用/覆盖变化研究

基于多时相Landsat TM/ETM+影像,首先计算长沙市地表亮度温度,然后利用NDVI(归一化植被指数)、MNDWI(改进 的归一化水体指数)、NDBI(归一化建筑指数)和NDBaI(归一化裸土指数)4个指数,采用决策树分类方法对长沙市影像进行 土地利用/覆盖分类。在此基础上,对长沙市城市热岛的空间分布特征、时空演变特征以及城市热岛与土地利用/覆盖变化和各种影 响因子之间的关系进行研究。结果表明,随着长沙市城区范围的不断扩张,城市热岛范围也不断增大; 土地利用/覆盖类型的变化 会改变地表温度的空间分布,城市用地和裸地是城市热岛强度的主要贡献因素,水体和林地具有较好的降温作用。地表温度与4种 归一化指数的回归分析表明,它们之间存在明显的相关性,不同土地利用/覆盖类型的地表温度存在较大差异。     

城市地表典型遥感参数与热岛效应时空分析研究——以桂林市为例

利用桂林市1991年和2013年的卫星遥感影像数据,分别提取两个时期的归一化建筑指数(NDBI)、归一化植被指数(NDVI)和改进的归一化差异水体指数(MNDWI)3个地表典型参数,并利用回归分析方法,分析了3个地表典型参数与利用Landsat卫星(热红外波段)反演的地表温度(LST)的相关关系。研究结果表明:桂林市中、高、极高温区3个温度类别的变化趋势与桂林市城市扩张趋势基本一致;NDBI与LST成显著的正相关关系,而NDVI、MNDWI则与LST成负相关关系,且各参数对地表温度响应的程度各有差异。该研究成果对于揭示桂林市热岛效应现状、缓解热岛效应及推进桂林市生态城市建设具有一定的参考意义。     

基于热惯量的土壤湿度估算研究

冻土受冻土层上水和地表水等因素的影响,出现不均匀、不对称变形。因此,开展冻土区土壤水分的监测研究具有重要意义。本文提出了归一化相对湿度的概念,首先利用晴天风速较小的上午时刻的地表温差估算地表的简化热惯量,再利用日最高地表温度和最低地表温度得到归一化相对湿度。实验证明,本方法提供了一种估算土壤湿度的方法,但是为了得到更深层(大于40 cm)的土壤湿度,需要开展进一步的研究。     

城市地表温度影像时空融合方法研究

地表温度（land surface temperature,LST）是反映地表能量和水平衡物理过程的一个重要参数,受限于载荷量的限制以及传感器的技术瓶颈,当前的卫星平台均难以获取同时具有较高空间和时间分辨率的遥感地表温度影像,客观上影响了遥感地表温度影像的应用。针对地表异质性较高的城市区域,选取覆盖武汉城区的中分辨率成像光谱仪（Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS）和增强型专题绘图仪（Enhanced Thematic Mapper Plus,ETM+）数据,结合时空反射率融合模型（enhanced spatial and temporal adaptive reflectance fusion model,ESTARFM）和非线性辐射温度分解算法（non-linear disaggregation procedure for radiometric surface temperature,NL-DisTrad）对地表温度影像进行时空融合研究,最终生成60 m空间分辨率的逐日地表温度融合影像。将融合影像与2002-07-09和2002-10-13的ETM+实际地表温度影像进行融合精度验证分析,其决定系数R2分别为0.80和0.86,均方根误差（root mean square error,RMSE）分别为2.65 K和1.78 K。实验结果表明,所提出的地表温度时空融合模型在城市区域的地表温度时空融合应用中具有潜在的应用前景。     

应用遥感图像提取煤层自燃信息时必须考虑的几个影响因素

煤层自燃是中国北方煤田中普遍存在的灾害现象,它不但烧掉了大量的煤炭资源,而且还污染了环境。实践证明,利用遥感影像判别火区位置、圈定火区范围和对火区进行动态监测,及时为灭火工程提供信息,是一项经济和社会意义很大的工作。由于受多种因素的制约,不同地区、不同波段、不同时相、不同空间分辨率的遥感图像,其影像特征（含与煤层自燃有关的热异常影像特征）都有较大的差异,因而从图像上分析和提取地物的热红外辐射特征时,需要考虑遥感图像类型、成像时间、地形条件、气象条件和岩性特征等因素的影响。本文着重讨论了地表辐射温度与上述各项因素之间的关系。     

应用遥感图像提取煤层自燃信息时必须考虑的几个影响因素

煤层自燃是中国北方煤田中普遍存在的灾害现象,它不但烧掉了大量的煤炭资源,而且还污染了环境。实践证明,利用遥感影像判别火区位置、圈定火区范围和对火区进行动态监测,及时为灭火工程提供信息,是一项经济和社会意义很大的工作。由于受多种因素的制约,不同地区、不同波段、不同时相、不同空间分辨率的遥感图像,其影像特征（含与煤层自燃有关的热异常影像特征）都有较大的差异,因而从图像上分析和提取地物的热红外辐射特征时,需要考虑遥感图像类型、成像时间、地形条件、气象条件和岩性特征等因素的影响。本文着重讨论了地表辐射温度与上述各项因素之间的关系。     

青岛气温与全球海表温度的相关分析

利用奇异谱算法对国家160站气象资料中的青岛气温数据和ERSST海表温度资料进行了分析,研究了青岛气温的发展趋势和周期性变化规律,并对未来青岛市气温进行了预测,预测结果与原观测数据接近(相关度接近0.95)。同时也研究了青岛气温异常和全球海表温度的相关性,研究表明:青岛气温异常与全球海表温度异常部分地区存在超过0.79的相关性,其中最大正滑动相关系数位于9月份8N、49W点,并且青岛气温异常存在4个单位的滞后时间。     

Parameterization of air temperature in high temporal and spatial resolution from a combination of the SEVIRI and MODIS instruments

Some applications, e.g. from traffic or energy management, require air temperature data in high spatial and temporal resolution at two metres height above the ground (T_2m), sometimes in near-real-time. Thus, a parameterization based on boundary layer physical principles was developed that determines the air temperature from remote sensing data (SEVIRI data aboard the MSG and MODIS data aboard Terra and Aqua satellites). The method consists of two parts. First, a downscaling procedure from the SEVIRI pixel resolution of several kilometres to a one kilometre spatial resolution is performed using a regression analysis between the land surface temperature (LST) and the normalized differential vegetation index (NDVI) acquired by the MODIS instrument. Second, the lapse rate between the LST and T_2m is removed using an empirical parameterization that requires albedo, down-welling surface short-wave flux, relief characteristics and NDVI data. The method was successfully tested for Slovenia, the French region Franche-Comté and southern Germany for the period from May to December 2005, indicating that the parameterization is valid for Central Europe. This parameterization results in a root mean square deviation RMSD of 2.0 K during the daytime with a bias of −0.01 K and a correlation coefficient of 0.95. This is promising, especially considering the high temporal (30 min) and spatial resolution (1000 m) of the results.     

从Landsat8影像反演地表温度的劈窗算法研究

以厦门市为研究区域,以2013年的Landsat8为研究数据,研究亮度温度反演以及地表温度反演的劈窗算法,推导出该算法的演算过程,根据Landsat8的特性,确定该算法的参数取值。通过ENVI/IDL软件编程实现该算法,采用厦门市遥感数据反演地表温度,并且利用厦门市气象局实测温度验证地表温度反演结果的有效性。     

基于亮温和SVM模型的干球温度推算方法

干球温度(气温)是地面气象观测中所要测定的常规要素之一。目前基于遥感数据获取该量的方法多采用线性拟合或直接应用遥感反演的温度近似代替干球温度,但是由于下垫面复杂,导致误差较大。本文提出用支持向量机(SVM)模型进行干球温度推算。选择广西省南宁市为研究区域,首先通过遥感反演温度与气象实测温度的对比,证明了利用遥感数据推算干球温度的可能性。然后,构建了针对干球温度的SVM推算模型。最后,尝试了分别使用表观亮温和遥感反演地温作为SVM模型的输入进行干球温度的推算。结果表明,SVM模型推算的干球温度与实测值更为接近,和传统方法相比,精度得到明显提高;且用表观亮温进行推算更为简单,更适合业务化的应用。     

The influence of wind speed on infrared temperature in impervious surface areas based on in situ measurement data

Wind perturbations can cause a relatively rapid decay in infrared temperature, thus resulting in abnormal spatial patterns of infrared temperature in urban areas and the subsequent reduction in the reliability of infrared temperature measurements. To increase the reliability of such measurements, the effects of wind speed must be evaluated and removed. However, studies on the quantitative estimation of wind speed effects on infrared temperature are limited. In this study, in situ infrared temperature measurements and synchronous meteorological data were used to evaluate the influence of wind speed on in situ infrared temperature measurements of impervious surfaces. Five different impervious surfaces were selected in this study. The technical schemes are proposed for quantitative estimation of wind speed effects: (1) the residual-based method from the diurnal temperature cycle model was proposed to estimate the infrared temperature decay (ITD) due to wind fluctuations; (2) quantile regression method was introduced to define the relationship between wind speed fluctuations and the ITD; and (3) An improved probabilistic prediction interval as well as a ratio method were developed to estimate the magnitude and duration of the ITD. The results indicated that relative extreme wind speed (EWS) was significantly correlated with the range of ITD over 5-min intervals; the hourly decay rate and impact duration of ITD varied with changes in relative wind speed and impervious surface type; and the impact duration of ITD increased with an increase in the relative EWS and lasted more than 1.3 h for the studied impervious surfaces. The above findlings provide us a guidance for in situ measurement of infrared temperature and could be utilized for correcting thermal infrared images.     

利用MODIS遥感影像获取近地层气温的方法研究

由于冠层叶片群体效应,在1km的空间尺度上遥感获取浓密植被陆面温度与气温近似相等。根据这个原理对利用遥感手段获取气温进行了尝试,提出利用NDVI-Ts空间获取气温的方法,计算气温空间分布模式,同时对Prihodko和Goward提出的气温遥感获取模型(简称P-G模型)进行试验并与NDVI-Ts空间法进行了对比。根据Parton和Logan提出的气温尺度转换模型,利用气象站观测最高气温和最低气温获取Terra卫星过境时刻气温作为“测定值”,对遥感获取的气温进行检验,得到以下结论:P-G模型计算气温与观测结果相比偏高,而NDVI-Ts法计算结果偏低,但是其总体误差范围相当,大约为 4℃;与P-G模型相比,尽管NDVI-Ts空间法获得的气温在精度上对P-G模型没有多大的改善,但这种方法能够更加充分利用遥感获取的信息,而且在计算机运算效率上也有很大的改进,NDVI-Ts空间法相对于P-G模型具有一定优势。     

Estimation of soil moisture using optical/thermal infrared remote sensing in the Canadian Prairies

A new approach to estimate soil moisture (SM) based on evaporative fraction (EF) retrieved from optical/thermal infrared MODIS data is presented for Canadian Prairies in parts of Saskatchewan and Alberta. An EF model using the remotely sensed land surface temperature (Ts)/vegetation index concept was modified by incorporating North American Regional Reanalysis (NAAR) Ta data and used for SM estimation. Two different combinations of temperature and vegetation fraction using the difference between Ts from MODIS Aqua and Terra images and Ta from NARR data (Ts−Ta Aqua-day and Ts−Ta Terra-day, respectively) were proposed and the results were compared with those obtained from a previously improved model (ΔTs Aqua-DayNight) as a reference. For the estimation of SM from EF, two empirical models were tested and discussed to find the most appropriate model for converting MODIS-derived EF data to SM values. Estimated SM values were then correlated with in situ SM measurements and their relationships were statistically analyzed. Results indicated statistically significant correlations between SM estimated from all three EF estimation approaches and field measured SM values (R² = 0.42–0.77, p values < 0.04) exhibiting the possibility to estimate SM from remotely sensed EF models. The proposed Ts−Ta MODIS Aqua-day and Terra-day approaches resulted in better estimations of SM (on average higher R² values and similar RMSEs) as compared with the ΔTs reference approach indicating that the concept of incorporating NARR Ta data into Ts/Vegetation index model improved soil moisture estimation accuracy based on evaporative fraction. The accuracies of the predictions were found to be considerably better for intermediate SM values (from 12 to 22 vol/vol%) with square errors averaging below 11 (vol/vol%)². This indicates that the model needs further improvements to account for extreme soil moisture conditions. The findings of this research can be potentially used to downscale SM estimations obtained from passive microwave remote sensing techniques.     

张掖绿洲城市热效应的遥感研究

以张掖及周边绿洲为研究区,采用Gilabert大气校正模型对TM图像1～5,7等6个波段进行大气校正。在此基础上,采用基于TM6波段的单窗算法,反演出行星亮度温度和地表真实温度,进一步分析了区域热量分布差异并探讨这一差异形成原因。结果表明:张掖及周边绿洲区存在明显的热量分布差异,热岛现象非常显著,卫星图像反演的地表温度接近实测值,亮度温度和实际温度都与归一化植被指数(NDVI)存在着密切的反相关关系,表明植被在区域热量分布差异中起重要作用,显示出热红外图像与其它波段数据结合,在城市热岛效应及区域生态环境遥感研究方面有很大潜力。     

资料误差对大尺度NDVI-气温关系的影响

大量研究利用PathfinderAVHRR NDVI资料分析植被状况与气温、降水等气候要素之间的关系。许多分析指出Pathfinder资料包含误差 ,并分析这些资料误差对大尺度NDVI 气温耦合关系检测结果的影响。利用奇异值分解方法 (SVD) ,通过比较不同NDVI资料误差情况下北半球春季NDVI对气温变化响应的时空特征的差异 ,对资料误差造成的分析结果的可靠性进行判断。考虑了 4种误差形式 ,分别是不同强度的连续误差、不连续误差、强火山喷发造成的误差及趋势误差。分析结果表明 ,利用SVD分析大尺度的NDVI 气温耦合特征时 ,允许的NDVI资料误差的最大上限阈值大致在 0 5σ左右。PathfinderAVHRR NDVI原始资料包含的误差很可能低于此阈值 ,得到的分析结果有较高的可信度。此外 ,在不知道NDVI原始资料误差的情况下进行植被对气候变化响应的检测时 ,可以借鉴此方法对结果的可靠性进行检查和验证。     

太阳对SMOS卫星海表亮温偏差年际变化的影响

利用欧洲空间局发布的土壤湿度和盐度卫星最新版本V5.04及V5.05的2010年5月至2012年4月的L1C级亮温数据,分析了其2维视场中存在的亮温偏差和年际变化。亮温偏差在视场中的分布不均匀并随季节变化。其年际变化超过1 K。太阳及其尾迹在视场中的位置随季节变化并对该卫星测量的亮温产生影响,是亮温偏差年际变化的主要来源。另外,太阳高度角的季节性变化会使该卫星天线的物理温度产生季节性变化,并通过天线模型使其测量亮温产生季节性偏差。