城市风道量化模拟分析：数据来源和预处理

利用Erdas软件进行地表温度反演。其主要工作流程包括遥感影像选取、反演方法选取、数据预处理以及反演步骤和公式的确定等几个过程。

1.遥感影像选取

Landsat卫星的热红外系列数据一直都是地表温度反演的重要数据之一。从1984年发射成功的Landsat 5到2013年发射升空的Landsat 8，Landsat卫星系列长期为遥感研究者提供可靠、有效的热红外遥感影像数据。Landsat 8是由美国国家航空航天局（NASA）发射升空的，主要携带了OLI（陆地成像仪）和TIRS（热红外传感器）两个荷载，其所采集的多光谱数据包括11个波段，其中第10波段和第11波段记录了地表的热红外光，是地表温度反演的有效波段。Landsat 8影像的前9个波段的空间分辨率大部分都为30m，只有Band 9 Pan（微米全色）为15m，后2个热红外波段的空间分辨率为100m，各波段的空间分辨率都较高，有利于对城市地表各区域展开研究。

Landsat 8地表温度反演主要采用热红外波段第10波段和第11波段进行研究。但依据美国地质勘探局（USGS）的研究，目前Landsat 8的第11波段仍存在较大的不稳定性，建议采用第10波段作为单波段热红外数据使用^[1]。基于此，本研究采用Landsat 8第10波段进行地表温度反演。

2.反演方法选取

基于Landsat TM影像的地表温度反演方式通常有四种，包括辐射传输方程法、单窗算法、单通道算法以及基于影像的反演算法。其中，辐射传输方程法不仅需要的基础数据多，反演过程复杂，而且反演精度不高，在缺乏实时大气剖面数据的情况下通常不建议使用。基于影像的算法只考虑地表辐射率的影响，而单通道算法和单窗算法在考虑地表辐射率的基础上还考虑了大气辐射的影响，需要地表气温及大气含水量等多个参数。丁凤等通过实验对比研究发现，三种方式的地表温度反演结果总体上比较接近^[2]。而且在晴朗少云的天气条件下，可认为大气的影响程度在空间上近乎一致，对地表温度的空间分布影响较小。因此，本研究采用便捷且对外来参数依赖性较小的基于影像的反演方法。

3.数据预处理

运用遥感技术获取影像的过程，必然会受到太阳辐射、大气传输、卫星姿态、地球运动、传感器结构等的影响，从而产生辐射畸变和几何畸变。所以，在进行地表温度反演之前，要对影像数据进行校正。Landsat TM影像在遥感数据接收和分发中心就经过系统辐射校正、地面控制点几何粗校正以及数字高程模型（DEM）地形校正处理，所以需进行的数据预处理主要有几何精校正和大气校正。

几何精校正主要是利用畸变的遥感影像与标准图像之间的一些对应点求得几何畸变模型，并利用此模型进行几何畸变的校正。通常应用较多的校正模型为多项式纠正模型，其地面控制点数的确定至关重要，纠正精度随多项式阶数的增加而提高。最少控制点数的计算公式为

式中：t为多项式阶数；n为最少控制点数。

为了最大限度地保留光谱信息，建议采用最邻近像元法对经过变换后的像元进行重采样，从而获得几何精校正图像。大气校正是为了消除光照、大气散射、吸收与反射等因素的影响，常采用直方图匹配法进行校正，即将Landsat TM影像中受大气散射影响最小的波段（通常为热红外波段）的灰度值作为标准值，将遥感影像的每一波段灰度值减去各自波段的最小灰度值，从而达到大气校正的目的。

4.反演步骤和公式

基于影像反演算法的基本步骤如下。

（1）辐射定标(www.xing528.com)

辐射定标是利用辐射定标系数将传感器记录的像元灰度值转换为辐射亮度值。其辐射校正公式为

L10=ML×Qcal+AL　(2-2)

式中：L10为遥感影像第10波段的辐射亮度值（单位为W·m-2sr-1μm-1）；Qcal为像元灰度值；ML和AL为增益参数和偏移参数，可从影像原文件中直接读取。第10波段的ML参数字段为RADIANCE_MULT_BAND_10，AL参数字段为RADIANCE_ADD_BAND_10。

（2）地表亮温计算

地表亮温计算是依据普朗克定律将辐射亮度值转化为亮度温度。其计算公式为^[3]

式中：T10为地表亮温值（单位为K）；L10为第10波段的辐射亮度值；K1和K2为常量，可直接从影像原文件中读取。第10波段的K1参数字段为K1_CONSTANT_BAND_10，参数值为774.89；K2参数字段为K2_CONSTANT_BAND_10，参数值为1321.08。

（3）地表比辐射校正

地表比辐射校正是利用地物比辐射率对亮温温度作进一步校正，从而获得地表温度。其计算公式为^[4]

式中：Ts为地表温度；T10为地表亮温值；λ为热红外波段的中心波长，第10波段的中心波长λ=10.9μm；ρ=hc/k=1.438×10-2m·K，其中普朗克常量h=6.626×10-34J·s，光速c=2.998×108m/s，玻尔兹曼常数k=1.38×10-23J/K；ε为地表比辐射率。参照宋挺等的研究和判断^[5]，设定Landsat 8第10波段的地表比辐射率为

ε10水体=0.99683

ε10植被=0.98672

ε10裸土=0.96767

ε10建筑=0.964885