基于遥感的沿海土地利用变化及地表温度响应

第25卷第9期农业工程学报Vol.25No.92009年9月TransactionsoftheCSAESep.2009274基于遥感的沿海土地利用变化及地表温度响应高志强1,2，宁吉才1，高炜2※（1．中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101；2．华东师范大学资源与环境科学学院，上海200062）摘要：该文基于两期时相接近的高分辨率遥感影像数据，利用遥感分类和定量反演技术，提取两期土地利用/土地覆盖（LUCC）信息和对应的地表温度信息，结合山东省莱州湾沿岸近20a来海水入侵研究成果，分析LUCC对地表温度影响的空间格局和变化规律。经研究发现：在海水入侵影响下，研究区域土地覆盖以旱地、盐碱地、建设用地和盐田为主，未利用土地覆盖类型（盐碱地、滩涂）占很高的比例，随着距海的远近，土地利用程度变化显著。在沿海经济发展和LUCC影响下，整个研究区域水面覆盖和植被覆盖面积增加，使研究区域的地表温度降低：研究区域1987年平均地表温度为30.8℃，2000年平均地表温度为29.2℃；2000年相对1987年，研究区域的地表温度降低了1.62℃。海水入侵显著地影响了土地覆盖空间格局和变化，土地覆盖的显著变化进而明显地影响了沿海区域地表温度的空间分布和变化，沿海区域的地表温度变化与地表覆盖变化密切相关。该研究可为沿海湿地生态环境保护和滩涂开发提供科学参考。关键词：遥感，地表温度，沿海地带，响应，土地利用doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2009.09.049中图分类号：TP79:S161.2文献标识码：A文章编号：1002-6819(2009)-9-0274-08高志强，宁吉才，高炜.基于遥感的沿海土地利用变化及地表温度响应[J].农业工程学报，2009，25(9)：274－281.GaoZhiqiang,NingJicai,GaoWei.Responseoflandsurfacetemperaturetocoastallanduse/coverchangebyremotesensing[J].TransactionsoftheCSAE,2009,25(9)：274－281.(inChinesewithEnglishabstract)0引言国家土地局组织完成了全国县级土地详查工作；1996年又利用30m的TM数据和10m的SPOT数据，对120由于中国沿海经济的高速发展，导致耕地大量减少、滩涂和未利用土地被开垦利用，是沿海地区面临着土地资源过度开发、海水入侵导致的耕地生产力下降和生态环境退化等诸多问题[1-2]。海岸带地区作为海陆相互作用最为强烈的地带，海水入侵导致的许多环境问题，已经引起国际社会的共同关注，有关国家积极开展海水入侵问题的研究和治理[3-5]，以海水入侵作为土地利用/土地覆盖变化（LUCC）的驱动力研究不断地深入，海水入侵是沿海地区最重要的生态环境问题之一，它对工农业生产、城镇建设及人民生活带来多方面的不良影响[6-7]。山东省莱州湾南岸地区是典型的海水入侵区，引起莱州湾南岸沿海平原地区发生海水入侵的成因除人为过量抽取地下水外，入海河流上游修建蓄水截潜工程、陆地海水养殖、扩建盐田的影响也是很显著的[8-9]。中国对于LUCC研究起步较早，早在20世纪80年代初就利用Landsat数据对全国进行了1︰25万的土地利用详查；90年代初，基于航空遥感或与卫星遥感相结合，收稿日期：2009-06-18修订日期：2009-08-30基金项目：国家重点实验室创新团队项目（1088RA400SA）；国家重点基础研究发展规划项目（2006CB403404）作者简介：高志强（1966－），男，山东滨州人，副研究员，博士，硕士生导师，主要从事遥感应用和生态过程模拟研究。北京中国科学院地理科学与资源研究所，100101。Email:[e-mail]※通信作者：高炜（1962－），男，安徽明光人，教授，博士生导师，主要从事区域气候和遥感应用研究。上海华东师范大学环境遥感与数据同化实验室，200062。Email:[e-mail]个城市扩展与耕地变化进行了动态监测，并将土地利用遥感监测纳入了土地管理业务化系统。“八五”期间，中国科学院采用了TM图像为主要信息源，完成了“国家资源环境遥感宏观调查与动态分析”，建立了全国资源环境遥感数据库[1,10]。地面温度反演主要是利用热红外遥感影像数据进行地面温度的演算，目前国际国内的遥感科学家已经针对不同类型的数据及不同的应用领域提出了多种遥感反演算法，如：覃志豪等[11]根据地表热辐射传导方程，通过一系列合理假设，推导出一种从LandsatTM6中演算地表温度的单窗算法，并提出了一些简单易行的方法来估算单窗算法中所需的两个基本参数，即大气平均温度和大气透射率；QihaoWeng等[12]通过对热红外波段进行大气订正及地表发射率订正来计算地表温度；Jimenez-Munoz等[13-14]在辐射传输方程的基础上通过对普朗克方程在地表温度附近的线性展开等手段，得出的普适性单窗地表温度反演公式；傅碧宏等[15]通过进行大气订正及地表发射率订正来计算地表温度等。近年来，人类活动对地表覆盖的干扰强度增大，国内外许多专家学者以LUCC类型及变化为出发点，探讨LUCC对地表温度影响的时空变化趋势和规律。钱乐祥等人通过陆地卫星热红外单波段反演了地表温度，研究了土地覆盖变化特别是城市增长对地表温度的影响[16]；刘强等分析了LUCC变化对流域内蒸散量变化的时空动态规律及其变化特点[17]。查阅了国际和国内的相关文献，结合海水入侵进行-----------------------------------------------------Page1-----------------------------------------------------第9期高志强等：基于遥感的沿海土地利用变化及地表温度响应275地表覆盖变化对地表温度影响的研究还不多见。本文将利用遥感技术提取沿海地区地表覆盖信息及地表温度参岸过渡为狭窄带状冲积-海积平原，北部为中国典型的粉砂淤泥质海岸，自陆向海，海拔由30m缓降至2m[18-20]。量，结合山东省莱州湾南岸多年海水入侵的研究成果，1.2土地覆盖信息提取尝试分析海水入侵影响下的土地覆盖变化及其对地表温度影响的空间格局和变化规律，为沿海湿地生态环境保护和土地资源开发利用提供科学参考和决策依据。本文利用TM（1987-5-7）和ETM+（2000-5-2）数据，通过野外调查建立判读标志，基于以RGB-432为主的多波段组合生成假彩色影像（图1），参考国家1方法“九·五”重中之重科技攻关项目“国家基本资源与环境遥感信息系统动态服务系统”执行时建立的《山东地1.1研究区域区TM卫星影像解译标志》、土地利用分类体系（6大类本研究区域位于山东莱州湾地区（经纬度范围：36°48′43″～37°32′49″N，118°37′37″～119°44′31″E），东西长约97km，南北宽79km，海岸线长约400km，包括山东省寿光市、潍坊市的寒亭区、昌邑市的大部分地区。自然气候属暖温带季风型大陆性气候区，因濒临海洋，具有海洋性气候特征。地貌类型由南部山前洪积-冲积平25亚类）和1985年与1995年两个时期的山东省土地利用分类数据[10]，采用机辅目视解译得到两期影像对应的土地利用分类图（如图2a与图2b）。为便于分析把提取的17亚类土地利用类型合并成旱地、草地、林地、水域、滩涂、城镇用地、乡村居民点、其他建设用地、盐田、虾池、盐碱地11类。原向北过渡为冲积平原，地势缓慢倾斜，直至莱州湾沿图1研究中用的两期遥感影像Fig.1Twoimagesusedinthisstudy图2两期土地覆盖分布图Fig.2Twospatialdistributionmapsoflandcover1.3地表温度反演本文地表温度的反演采用覃志豪等的算法[11]。覃志豪等以地表热辐射传导方程为基础，通过应用Taloy公式对Planck函数线性展开，对贡献相近的两个大气平均作-----------------------------------------------------Page2-----------------------------------------------------276农业工程学报2009年用温度参数合并，以及对辐亮度L6和亮度温度T6进行线表1两个不同时期地表温度验证比较性回归等方式，在保证精度的前提下，得出了一个适用Table1Validationoflandsurfacetemperatureintwodifference于TM/ETM+热红外波段的简单可行的地表温度演算公periods℃式土地覆盖1987年5月7日的TM数据2000年5月2日的ETM数据（1）类型旱地探空数据计算单窗算法反演探空数据计算单窗算法反演29.62630.01828.82028.410式中：Ts——地表温度，K；a6和b6——L6与T6间的回归系数，当温度变化范围在0～70℃时，取值为a6=-67.35535，b6=0.458608。C6和D6是中间变量，分别林地草地水域滩涂32.00132.75522.72828.68432.82533.00122.13428.91735.31435.29322.62726.60835.18735.15921.88426.141用式（2）、（3）表示（2）（3）城镇用地乡村居民点其他建设用地盐田32.24732.16834.17626.64032.85632.74134.64426.49932.51432.08834.69827.18932.23731.79734.50426.689因此，如果知道参数Ta（大气平均作用温度，单位K）、τ6（大气透射率）和ε6（地表比辐射率），T6（热红虾池盐碱地26.59335.00026.62035.58327.60934.19927.09333.935外波段的亮度温度，单位是K），即可用此单窗算法表达式（1）、（2）、（3）推算任一像元的地表温度。Ta、τ63结果与分析和ε6计算请参见文献[6]。计算完后，将K为单位的地表温度转化为℃为单位的地表温度，方便同观测温度比较。本文基于1987年5月7日和2000年5月2日两期LandsatTM/ETM+遥感数据，通过机辅人工解译，提取2结果验证两个时期的LUCC数据；结合遥感定量反演技术，提取本文利用的TM（1987-5-7）和ETM+（2000-5-2）两期遥感影像时相接近，在本研究区域有羊角沟国家气象标准站，1987-5-7的观测记录为晴天，无降水，平均气温为20.7℃，相对湿度为42%，日照时数为11.6h，风速为3m/s；2000-5-2也是晴天，无降水，平均气温为17.3℃，相对湿度为49%，日照时数为11.9h，风速为2.8m/s。可见这两个时相的天气状况基本相似，为反演的地表温度对比研究提供了可比的基本条件。由于大范围的实测地表温度无法获取，无法利用实测的地表温度对反演地表温度进行验证[21]，但可以利用MODTRAN4.1输入当天的探空数据，探空数据可以从网站输入查询区域的气象站点查询得到，之后利用MODTRAN4.1计算1987年5月7日和2000年5月2日两天的不同地表覆盖的地表温度，不同地表覆盖上地表温度的计算是通过计算不同地表覆盖上的比辐射率实现的[6]。根据实测探空资料计算地表温度，进行RTE校正，这种地表温度的反演精度可达0.6℃，以此为标准，验证遥感反演地表温度的精度。如表1可见，覃志豪的单窗算法[11]与当天的探空数据计算得出的地表温度十分接近，两者的差值1987年平均为0.449℃和2000年平均为-0.308℃。两个时期（1987年5月7日和2000年5月2日）的天气状况接近，对于11种地类反演的地表温度同