城市边缘区地表组分温度反演模型的构建

Land surface temperature (LST) is one of the key parameters in the physics processes of land surface and atmosphere energy exchange as well as the global or local climate change. LST is also the key factor to represent the Urban Heat Island (UHI) phenomenon and the retrieval of the LST from remotely sensed Thermal Infrared Radiation (TIR) data has attracted much attention. However, the current LST derived from satellite images is only the mean temperature of a satellite pixel; it is not the real component temperature within a pixel, which would inevitable influence the accurate assessment of intensity and pattern of urban heat island. Based on the researches about reversing of land surface temperature and un-mixing of the mixed pixels, this proposal tend to construct a retrieval model of land surface component temperature in urban fringe region using single-band TIR data, and to explore the relationship between the component temperatures and other surface bio-physical factors. The relationships between component temperature and other biophysics parameters such as percentage of impervious surface, percentage of vegetation cover will be explored using correlation analysis and regression analysis to find out the interaction mechanism of these variables. The component temperature will be utilized as the indicator to probe the magnitude and distribution pattern of urban heat island, which is usually studied using land surface temperature. This study will help us solving the problem about obtaining component temperature under heterogeneous surface in the urban area. It would not only enhance the understanding of relationship between land uses change and LST, but increase the knowledge of intensity and spatial distribution pattern of urban heat island as well.

地表温度是研究全球和区域地表-大气能量交换、气候变化的关键指标，也是表征城市热岛现象的主要因素。但是，目前卫星估算的地表温度是一定尺度下混合像元上的平均温度，并不能代替像元内组分的真实温度。本项目拟在现有的多波段热红外数据地表温度反演模型和混合像元分解模型的基础上，以快速城市化地区的城市边缘区地表组分温度反演为切入点，以热红外波段数据为数据源，研究构建具有物理意义的地表组分温度反演模型；基于亚像元尺度上地物信息，研究地表组分温度与其它生物物理参数的关系模型，并以此分析地表组分温度与相关变量间的相互影响机理；以地表组分温度为基础，探索城市热岛强度及分布模式，为城市热岛研究提供数据和模型支撑。本项目的研究将有助于解决城市边缘区复杂地表的组分温度反演这一关键问题，研究结果不仅将增强我们对土地利用与地表温度变化相互影响关系的理解，还将进一步深化我们对城市热岛强度和分布模式的再认识。

研究背景：基于卫星遥感热红外波段数据反演得到的地表温度是混合像元上多种地表物体的平均温度，并不能表示像元内不同地表物体的真实温度，因此，城市扩展对热环境的影响局限于建立像元平均温度与亚像元尺度上的地表参数之间的统计关系，如果能够获取地表组分温度数据，就可以在亚像元尺度上对地表组分温度与地表参数的关系以及城市热岛现象进行研究。.主要研究内容：（1）城市边缘区地表组分温度反演模型研究：包括城市边缘区地表组分温度反演模型建立与优化研究、基于多端元混合像元分解的地表组分温度反演模型研究。（2）亚像元尺度下地表组分温度与不透水层覆盖率、植被覆盖率等生物物理参数的关系研究：包括城市边缘区亚像元尺度上的地表组分温度与其它生物物理参数的关系模型研究、城市区域的地表组分温度与其它生物物理参数的关系模型及其季节性变化研究。（3）基于地表组分温度的城市热岛强度及分布模式研究：包括基于地表组分温度的城市热岛强度及分布模式研究、季节性变化对基于地表组分温度的城市热岛的影响研究、城市热岛中的热点区域分布特征与地表组成之间的关系研究。.重要结果：在城市边缘区地表组分温度反演模型研究方面，构建了地表组分温度反演模型，以南京市城市边缘区为研究区域，分析了地表组分温度与不透水层覆盖率、植被指数之间的关系。在基于地表组分温度的城市热岛强度及分布模式研究方面，利用混合像元分解算法和约束最小二乘算法对研究区地表组分温度进行反演，分别得到不透水层、植被和水体三种物体的组分温度，对反演结果进行了对比分析和精度验证。基于地表组分温度中的不透水层温度对南京市中心城区进行统计分析，通过温度差值分级法研究城市热岛的分布格局与变化特征。.科学意义：通过对地表组分温度的反演和分析，使我们可以突破低空间分辨率热红外遥感数据的限制，获取像元内部不同地表组分的温度。以组分温度作为城市热岛研究的主要因子，加深了对城市扩展规律的认识。