基于MODIS资料研究广州市热环境

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２３卷第３期　２００７年ｏ６月　热带气象学报　Ｖｂ１．２３．Ｎｏ．３　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＴＲＯＰＩＣＡＬ　ＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＹ　Ｊｕｎ．．２ｏｏ７　文章编号：１００４．４９６５（２００７）０３－０２６１－０４　基于ＭＯＤＩＳ资料研究广０＇１ｔＩ市热环境　　一，　刘诚　，　林锦祥２　（１．中国科学院广州地球化学研究所。广东广州５１０６４０；２．广州气象卫星地面站．广东广州５１０６４０　３．国家卫星气象中心，北京１０００８１）　摘　要：利用ＭＯＤＩＳ资料，采用推广窗方法，对广州市热环境进行研究。通过实测数据与反演数据进　行比较分析，表明该方法的数据精度基本满足研究要求。研究结果表明，广州市的高温区主要发生在荔湾、越　秀、海珠、黄埔、天河等城区，这些区域建筑密集、人口集中、下垫面升温快；低温区域多发生在植被覆盖度　高、水系分布密集、人为活动较为稀少的郊区。保护现有的水体面积和增加城市绿地面积是改善区域热环境的　行之有效的办法。　关键词：ＭＯＤＩＳ；城市热环境；推广窗方法；广州市　文献标识码：Ａ　中图分类号：Ｐ４９　气辐射传输理论，对大气的影响作简化处理后提出　１引　言　了窗算法【６】，其后一些学者在此基础上作了进一　步研究，但由于地面的非均一性以及大气的影响，　反演ＬＳＴ精度很难达到１　ｏＣ。ＮＡＳＡ的ＬＳＴ小组针　１９８０年代以来，由于受到全球变暖、城市化进　程加剧、土地利用结构变化等多方面的影响，我国　大部份城市的热环境都发生了显著变化¨　】，尤其在　北京、上海、广州、武汉等大型城市中，都已呈现　出明显的热岛效应。城市热环境作为城市生态环境　对ＭＯＤＩＳ数据提出了推广的窗算法，通过对多　种大气温度湿度廓线、地表比辐射率、地表温度、　观测角度进行大气辐射模拟．建立一个查找表，根　据该表来反演ＬＳＴ，精度可以高于１　ｏＣ，该方法得　到了广泛的应用。　的重要方面，它与城市气候、城市生态、城市灾害　等都存在着时空上的相互作用、相互依存关系，它　对城市微气候、空气质量、能耗结构以及公共健康　本文以ＭＯＤＩＳ资料为数据源，以广州市为研究　区，利用“推广窗方法”反演ＬＳＴ，结合实测　数据对反演误差进行分析，进而对广州市热环境进　行研究。　等方面都产生着深远的影响【３】。传统的城市热环境研　究主要采用代表路线观测和选点观测相结合的方　法，这种方法不可能全面、同步地反映地面的热辐　射状况。卫星遥感以其宏观、快速、动态、经济的　特点，与图像处理技术、地理信息技术相结合，为　城市热环境研究提供了科学有效的技术平台。　２反演算法　窗方法是利用两个不同通道在同一大气窗　目前利用不同卫星的各种遥感资料来反演地面　温度（Ｌａｎｄ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，简称ＬＳＴ）的方法有　区上对水汽吸收的差异，并将地表比辐射率作为输　入量之一，进行大气和地表比辐射率订正，由两个　通道的亮温线性运算而得到地表温度。窗方法　的最早提出，是在１９８４年由Ｐｒｉｃｅ［６１提出，其计算公　式如下　多种【４　】。单窗算法使用单一的红外通道数据进行　ＬＳＴ反演，该方法需要同步测量卫星过境时的大气　参数，操作复杂，可行性差。１９８４年Ｐｒｉｃｅ利用大　收稿日期：２００６－０１．１８；修订日期：２００６－１１－０８　基金项目：广州市科技攻关引导项目（编号：２００３．Ｚ３．ＥＯＩ５１）资助　作者简介：ＸＩ￣（１９８０・），女．湖北荆州人．在读博士研究生．主要从事遥感及ＧＩＳ开发应用。ｅ－ｍａｉｌ：ｙｕｊｉａ０＿ｄ＠１６３．ｃｏｌｎ　维普资讯 http://www.cqvip.com 热＝带气象学报　２３卷　【７＂４＋３．３３（７＂４一　）】【（５．５＋　），４．５卜０．７５Ｔ５Ａｓ　（１）　本文采用的工作流程如下：　（１）对ＭＯＤＩＳ数据进行预处理、定标处理、投　影转换，此时，图像的亮度值被转换为反射率或亮　其中，　是地表温度，　、死分别是ＡＶＨＲＲ第４、　５通道亮温，￡　、￡５分别是第４、５通道地物比辐射　率，Ａｅ＝￡４一￡５。　温值，并具备了统一的地理坐标；　１９９０年，Ｂｅｃｋｅｒ　ａｎｄ　Ｌｉ　１７　考虑到ＡＶＨＲＲ第４、　５通道数据间的相关性，通过回归方程的模拟计算，　得到局部地区窗方法的反演系数，其计算公式　如下　＝１．２７４＋Ｍ（　＋Ｔ５）／２＋Ⅳ（７＂４—７＂５）／２　（２）　Ｍ＝、＋　．１５６　１６（１一ｃ）／ｅ一０．４８２　｜　Ｎ＝６．２６＋３．９８（１一ｃ）／￡一３８．３３Ａｅ／ｅ　￡＝（￡４＋ｅ５）／２，　Ａｅ＝Ｃ４—　５　其后，Ｃｏｉｌ等　在１９９４年也都分别提出了新的　窗算法的反演系数。这些方法都是对ＡＶＨＲＲ　数据模拟的结果，不能直接应用于ＭＯＤＩＳ数据，因　此，Ｗａｎ　ａｎｄ　Ｄｏｚｉｅｒ【９　在１９９６年提出了适用于　ＭＯＤＩＳ数据的推广窗方法，其计算公式如下　＝ｃ＋［Ａｌ＋Ａ２（卜ｅ）ｌｅ＋Ａ３Ａｅ／ｅ　］（Ｔ３１＋Ｔ３２）／２＋［ＢＩ＋Ｂ２（１一ｅ）ｌｅ＋Ｂ３Ａｅ，／ｅ　】（Ｔ３广Ｔ３２）／２　（３）　￡＝（￡３ｌ＋旬２）／２，ＡＣ－－Ｃ３１－Ｃ３２　式中￡，。、Ｃ３：通过地表类型的差异从查找表中获　得，　。、　２为ＭＯＤＩＳ第３ｌ、３２通道亮温，系数Ｃ、　Ａｌ、Ａ２、Ａ３、Ｂｌ、Ｂ２、Ｂ３均可从查找表中获得。　３工作流程及误差分析　３．１数据源　本文以广州市为研究区，选用的数据有Ａｑｕａ　和Ｔｅｒｒａ两颗卫星的轨道数据。应当指出，基于热红　外资料的地表温度产品只能在晴空下获得。因此，　在挑选轨道数据时，要尽量挑选晴空资料，如果为　了满足研究的需要而不可避免选用了被云覆盖的资　料，则必须进行滤云处理；另外，利用推广窗　法反演ＬＳＴ时，研究区不能太偏离星下点轨迹，否　则会因为图像的畸变而导致反演误差增大，因此，　挑选的轨道要尽量保证广州市在轨道的中间１１２处　以内。在这样的前提下。对２００３、２００４、２００５年的　ＭＯＤＩＳ轨道数据进行筛选，选用了２００３年ｌ１月２６　日、２００４年１月３日、２月９日、３月８日、４月４日、　５月９日、６月３Ｏ日、７月２５日、８月１日、９月２７　日、ｌＯ月６日、ｌ１月２８日、１２月７日、２００５年ｌ１　月２２日的数据，数据分辨率为ｌ　ｋｍｘ１　ｋｍ。这些数　据的反演结果既可以用于分析广州市热场分布，也　可用于与实测数据对比检验反演结果的精度。　３．２工作流程　（２）利用ｌ、２通道数据进行分类，获得无云、　陆地像素；　（３）采用窗方法３ｌ、３２通道数据反演晴空　陆地区域ＬＳＴ计算，将结果存为ＣＨ　ｌｓｔ；　（４）利用广州的行政边界对图像进行切割，保　留行政区内数据（包括广州市辖区、增城、花都、从　化、番禺），后面的研究都仅针对这部分数据进行；　（５）由ＣＨ　１ｓｔ制作热场分布图，对广州市热环　境进行分析；　（６）将反演数据与地面实测数据进行对比、分　析误差，对本文采用研究方法可行性进行论证。　４　结果分析　４．１误差分析　本文以广州市观象台的实测数据（地理位置：　２３。５　５６”Ｎ，ｌｌ３。ｌ４　５５”Ｅ）为参考，对２００４年的　ＭＯＤＩＳ数据反演结果进行误差分析，误差统计结果　如表ｌ所示，表中“偏差”等于反演数据减去实测　数据。反演结果与实测数据存在偏差，究其原因是　多方面的。　表１　ＬＳＴ反演数据与实测数据误差统计　数据类型　反演温度实测温度　偏差　，℃　，℃　，℃　ａｑｕａ　２００４　０１　０３　０５　３７　２１．５　２１．５　０　ａｑｕａ＿２００４０２　０９＿—０５＿５１　１６．３　１５　３　１．０　ｔｅｒｒａ２００４ｏ３０８０３１０　２２，３　１９　８　２　５　＿—．—．—．ｔｅｒｒａ２００４　０４Ａ＿—　Ｌｊ１　２８．８　２７　９　１．１　ｔｅｒｒａ２００　５　０９　０３２２　３０．２　２９．０　１　２　＿ｔｅｒｒａ２００４　０６３０＿—＿０２＿５７　３５，４　３６　２　—０　８　ｔｅｒｒａ＿２００４－０７—２５－０ｔ５１　３１，１　３２　４　—１．３　ｔｅｒｒａ　２００４—０８—０１—０２．＿５７　３２，６　３２，９　—０　３　ａｑｕａ＿２００４０９２７０５　５８　３２，５　３２，０　０．５　＿—．＿ｔｅｒｒａ２００４１００６０２４４　２８，９　２７　７　１．２　＿———．—．—．ｔｅｒｒａ２００４　１１２８＿＿—．０３＿０２　２３，４　２１，３　２　１　ｔｅｒｒａ＿２００　１２＿０７Ｊ０＿５６　１９，７　１　８，８　０，９　（１）决定数据精度最关键的因素在于推广　窗方法中系数的确定，它是系统误差最直接的来源。　（２）在选用的轨道中，部分存在云覆盖的区域，　云检测的阈值选取非常关键，滤云的不彻底会造成　反演结果比实际值偏低。　（３）地面观测是整点进行，卫星过境日寸间（成像　维普资讯 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２６４　热带气象学报　２３卷　（３）下垫面类型对城市热环境的影响十分明　通道数据进行地面温度反演，反演系数的选定、轨　显。地面材料的热容量、反射性能、蓄热性、蓄水　道数据的校正和云检测是反演误差的主要来源，但　性，都对环境温度产生直接的影响。林立的高楼、　其结果精度基本能满足热环境研究的需要，对城市　纵横的道路通过改变地表的辐射收支、水分循环而　热环境的研究具有重要的价值。依据反演结果对　改变局地气候，对于这因人类活动而改变的局地气　２００３、２００４、２００５年ｌ１月广州市热环境的分析结果　候，水体和植被充当了城市气候的最佳调节器。要　表明，高温区主要发生在广州市辖区中的荔湾、越　想在局部区域中改善气候状况，保护现有的水体面　秀、海珠、黄埔、天河等老城区及开发区，这些区　积和增加城市绿地面积是一个简单而行之有效的办　域建筑密集、人口集中、下垫面升温快；低温区域　法。　多发生在植被覆盖度高、水系分布密集、人为活动　较为稀少的郊区。保护现有的水体面积和增加城市　５结　论　绿地面积是改善区域气候的行之有效的办法。　本文利用推广窗方法对ＭＯＤＩＳ第３　ｌ、３２　参　考　文　献：　【１】刘莉利。郑祖光．我国１月和７月气温变化的分析【Ｊ】．热带气象学报，２００４。２０（１）：１５１．１６０．　【２】罗秋红。纪忠萍．广东省盛夏气温异常的成因初探【Ｊ】．热带气象学报，２００５，２１（４）：４２７．４３４．　【３】陈云浩。李京，李晓兵．城市热环境遥感分析——格局、过程、模拟与影响【Ｍ】．北京：科学出版社，２００４：１－５．　【４】刘玉洁。杨忠东．ＭＯＤＩＳ遥感信息处理原理与算法【Ｍ】．北京：科学出版社，２００１：１９８．２０１．　【５　覃志豪，高懋芳。秦晓敏．等．农业旱灾监测中的地表温度遥感反演方法【５】Ｊ】．自然灾害学报，２００５，１４（４）：６４－７１．　【６】ＰＲＩＣＥ　Ｊ　Ｃ．Ｌａｎｄ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　Ｓｐｒｉｔ　Ｗｉｎｄｏｗ　Ｃｈａｎｎｅｌｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＮＯＡＡ・７　ＡＶＨＲＲ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，１９８４。８９：７　２３１－７　２３７．　【７】ＢＥＣＫＥＲＦ。ＬＩｚＬ．ＴｏｗｅｄＡＬｏｃａｌ　ＳｐｌｉｔＷｉｎｄｏｗＭｅｔｈｏｄＯｖｅｒＬａｎｄ　Ｓｕｒｆａｃｅ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｅｍｏｔｅ　Ｓｅｎｓｉｎｇ．１９９０。３：３６９－３９３．　【８】ＣＯＬＬ　Ｃ，ＣＡＳＥＬＬＥＳ　Ｖ．ＳＯＢＲＩＮＯ　Ｊ　Ａ．ｅｔ　１ａ．Ｏｎ　ｔｈｅ　Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ　ｏｆ　ｈｔｅ　Ｓｐｌｉｔ－ｗｉｎｄｏｗ　Ｅｑｕａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｌａｎｄ　Ｓｕｒｆｃｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ［Ｊ］．　ｎＩｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｒｅｍｏｔｅ　Ｓｅｎｓｉｎｇ．１９９４。１５：１０５－１２２．　【９】ＷＡＮ　Ｚｈｅｎｇｍｉｎｇ，ＤＯＳＩＥＲ　Ｊ．Ａ　Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ　Ｓｐｌｉｔ－ｗｉｎｄｏｗ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　Ｒｅｔｒｉｅｖｉｎｇ　Ｌａｎｄ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｒｏｍ　Ｓｐａｃｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅ　ｎａｄ　Ｒｅｍｏｔｅ　Ｓｅｎｓｉｎｇ，１９９６。３４（４）：８９２・９０５．　ＲＥＳＥＡＲＣＨ　ＩＮＴｏ　ＴＨＥＲＭＡＬ　ＥＮＶＩＲｏＮＭＥＮＴ　ＩＮ　ＧＵＡＮＧＺＨｏＵ　ＢＡＳＥＤ　ｏＮ　ＭｏＤＩＳ　ＤＡＴＡ　ＤＥＮＧ　Ｙｕ－ｊｉａｏ　一．ＬＩＵ　Ｃｈｅｎｇ　，ＬＩＮ　Ｊｉｎ．ｘｉａｎｇ　（１．ＧｕａｎｇｚｈｏｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０６４０．Ｃｈｉｎａ；　２．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｓｍｆｉｏｎ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１０６４０，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｎａｉｔｏｎａｌ　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　Ｍｅｔｏｅｒｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　ｌ　０００８　ｌ，Ｃｈｉｎａ１　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｕｓｅｓ　ＭＯＤＩＳ　ｄａｔａ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｐｌｉｔ—ｗｉｎｄｏｗｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｃｉｔｙ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌａｎｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｒｅｔｒｉｅｖｅｄ　ｆｒｏｍ　ＭＯＤＩＳ　ｄａｔａ　ｗｉｔＩ１　ｈｔｅ　ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｄａｔａ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｓｐＨｔ—ｗｉｎｄｏｗｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｉｃａｌｌｙ　ｓａｔｉｓｆｉｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｍｏｓｔ　ｈｉｇｈ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｒｅｇｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｕｒｂａｎ　ｄｉｓｔｒｉＣｔｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　Ｌｉｗａｎ，Ｙｕｅｘｉｕ，Ｈａｉｚｈｕ，Ｈｕａｎｇｐｕ　ａｎｄ　Ｔｉａｎｈｅ，Ｗｈｉｃｈ　ｈａｖｅ　ｄｅｎｓｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ．ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ　ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ　ｌａｎｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｈａｔ　ｉｓ　ｒａｐｉｄｌｙ　ｈｅａｔｅｄ．Ｍｏｓｔ　ｌｏｗ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｒｅｇｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｓｕｂｕｒｂａｎ　ｒａｅａｓ　ｗｉｔｈ　ｇｏｏｄ　ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ，ｄｅｎｓｅ　ｉｒｖｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ　ｆｅＷ　ｈｕｍａｎ　ａｃｔｉｖｉｉｔｅｓ．Ａｎ　ｅｆｆｃｅｔｉｖｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｒｅｇｉｏｎａｌ　ｔｔｌｅｒｍａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｉｓ　ｔｏ　ｐｒｏｔｅｃｔ　ｔｈｅ　ａｒｅａ　ｏｆ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｗａｔｅｒ　ｎａｄ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｇｒｅｅｎｂｅｌｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＭｏＤＩＳ：　Ｕｒｂａｎ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；　Ｒｅｖｉｓｅｄ　Ｓｐｌｉｔ—ｗｉｎｄｏｗｓ　Ｍｅｔｈｏｄ；　Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｃｉｔｙ