遥感地表温度年内变化增强模型及其城市热岛监测应用

作     者：邹照旭 

作者单位：南京大学 

学位级别：硕士

导师姓名：占文凤

授予年度：2018年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 07[理学] 08[工学] 070602[理学-大气物理学与大气环境] 0706[理学-大气科学] 0713[理学-生态学] 

主      题：热红外遥感 地表温度 地表温度年变化 地表温度动态变化 时间升尺度 城市地表热岛强度 长三角地区 MODIS 

摘      要：卫星热红外遥感所提供的大范围地表温度数据在各类地学应用中扮演着至关重要的角色。然而,由于卫星重访周期与云遮挡等因素的影响,遥感地表温度产品存在较多数据缺失。基于大量热红外遥感观测数据,地表温度年内变化(Annual Temperature Cycle,ATC)模型估测了一年内连续每日地表温度的动态变化,并在一定程度上填补了此类数据空缺。ATC模型不仅可用于生产时空连续的地表温度数据,而且基于ATC模型进行地表温度时间升尺度的方法,有利于进一步提高城市热岛遥感监测的精度。但是,标准ATC模型(Standard ATC,ATCS)仍然难以表征由气象条件引起的短期地表温度变化趋势,进而导致城市热岛监测研究的结果存在不确定性。围绕上述问题,本文设计一种能够表征短时地表温度变化的ATC模型,并进一步探究不同时间升尺度方法对城市热岛遥感监测研究的影响。本文的贡献体现在以下两个方面:(1)构建了增强型ATC模型(Enhanced ATC,ATCE)。基于ATCS模型,并结合气象要素和植被指数数据,本研究提出的ATCE模型刻画出了每日地表温度在一年内受天气变化影响的短期波动状况。以 Aqua/MODIS.(Moderate-resolution Imaging Spectrometer)逐日地表温度产品为验证数据,以中国长江三角洲地区为研究区展开实验并测试了 ATCE模型的性能。结果表明,相比于ATCS模型,ATCE模型的总体均方根误差在白天和夜晚均有所降低。模型精度的提升幅度在不同地表覆盖类型上呈现较大差异:森林、草地和建成区的精度改进程度较农田和湿地更大。对各个模型在不同时间尺度上的验证和评估进一步证实,ATCE模型刻画的地表温度波动的效果更佳。(2)基于ATC模型,探究了不同时间升尺度方法对城市地表热岛强度计算造成的差异,以及该差异在多时间尺度上的变化。对简单移动窗口(Simple Moving Window,SMW)平均法、ATCS和ATCE模型法三种时间升尺度方法进行系统的比较后发现:模型法(ATCS和ATCE)与SMW平均法的时间合成数据存在较大差异。晴空像元比例对基于三种方法生成的热岛强度影响显著,但随比例增加,热岛强度值愈加接近。随时间合成尺度的增大,SMW平均法的热岛强度变化较大,而模型法的热岛强度变化较稳定。结果表明,当卫星观测数据较多时,SMW平均法能够有效监测城市热环境;若卫星观测数据较少,相比于SMW平均法和ATCS模型法,ATCE模型法表现更佳。总体而言,本文提出的ATC增强模型能够更为准确地模拟地表温度的年内逐日变化,从而为城市热环境等应用研究提供更好的遥感地表温度数据,有望在更多的实际应用中发挥巨大潜力。