昆明年平均气温
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2023年2月21日发(作者：)昆明市温度反演
昆明市温度反演
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昆明市温度反演
基于LandsatTM影像对昆明市地表温度反演
邓路军
指导老师：张中伟讲师
（四川农业大学资源环境学院地理信息系统2010四川·成都)
摘要：本文运用ENVI4。8和ArcGIS9。3软件，利用单窗算法对昆明市
LandsatTM热红外数据进行地表温度反演，得到地表温度分布图像,分析地表温度
分布规律，结合地表人文活动提出减轻热岛效应措施。结果表明:研究区地表温度
在189K~315K范围内，平均温度297K。从空间分布来看地表温度有市中心向四周渐
变降低。地面温度场分布与其下垫面环境分布有着密切的关系。建设用地由于其比
热小，升温快，温度明显偏高，高于其它区域,具有显著的热岛效应。水体具有高
比热容、易传热的特性，在相同温度条件下，水体增温速度远低于建筑材料和土壤。
自然表面温度分布受到地势条件和植被覆盖度的影响.研究结果可以为昆明市地区
的生态环境建设和城市规划建设提供参考依据.
关键字：TM；昆明市;热红外；地表温度;热岛效应
LandsatTMimagingforlandsurfacetemperature
retrievalbasedonKunmingCity
DengLujun
Teacher：ZhangZhongwei,lecturer
(geographicinformationsystemresourcesandEnvironmentCollegeof
SichuanAgriculturalUniersity，ChengduSichuan,2010)
Abstract:Inthispaper,usingENVI4。8andArcGIS9。3software,the
surfacetemperatureinversionoftheKunmingLandsatTMthermalinfrared
datausingmonowindowalgorithm,getthesurfacetemperature
distributionoftheimage，analysisofthesurfacetemperature
distribution,combinedwithsurfacehumanactivitiesproposedmitigation
ultsshowthat：thelandsurfacetemperaturefrom189K
to315Krange，theaveragetemperatureof297K。Fromthespatial
distributionoflandsurfacetemperatureisreducedtoarounddowntown
gradient。Thegroundtemperaturefielddistributionandtheunderlying
昆明市温度反演
uctionland
becauseofthespecificheatofsmall,fasttemperaturerise,the
temperatureissignificantlyhigher,higherthanotherregions,with
significantheatislandeffect。Characteristicsofwaterwithhigh
specificheatcapacity,heattransfer，atthesametemperature，water
temperatureincreaseratefarbelowthebuildingmaterialsandsoil。
Naturalsurfacetemperaturedistributionaffectedbytopographyand
vegetationcoverage。Theresultscanprovidereferencebasisforthe
KunmingCityareaecologicalenvironmentconstructionandcityplanning
andconstruction.
Keywords:TM；Kunmingcity;thermalinfrared；surfacetemperature;
urbanheatislandeffect
引言
随着社会的发展,如今昆明城市化的规模越来越大，其城市热岛效应也越来越
明显。城市热岛是指在气温上，城市区气温高、郊区气温低的现象,在温度空间分
布上，城市就像一个温度较高的岛屿［1］。随着城市化的进发展，对土地利用方式转
变所形成的生态效应研究显得日益重要.在所有的地表参数中，地表温度关乎地球
表面系统大多数物理、气候和生物过程的重要参数［2］。在城市内部，地表温度可以
作为是城市环境中重要的代表指标之一，受地表的物理性质和人类经济活动共同影
响,是城市生态环境状况的综合概括和体现。
地表温度是随着大气温度的年变化而做准周期性的变化的，但实际上真实的地
表温度并不是呈严格的周期性变化，当有寒流或者暖流通过的时候，地表温度就会
出现突变。地表温度也会受地势条件和人为因素的影响。长期以来，地表温度都是
依靠地面观测点来记录的,但这种记录代表的仅仅是每一个点的温度而不是一个区
域或者面的温度。利用传统的测量地温的方法,难以准确的获得一个地表区域全面
的温度数据。遥感技术的发展与进步很好的解决了此项问题。利用热红外遥感［5-6],
可以获得全球或者区域尺度的地表温度时空分布,提供二维陆面分布信息［7］，且具
有快速同时的特点.利用遥感卫星数据反演地表温度，探讨卫星热通道的理论及其
应用方法也成为了遥感科学的一个重要领域［8］。覃志豪根据地表热辐射传导方程，
昆明市温度反演
推导出一个简单易行并且精度较高的演算方法，把大气和地表的影响直接包括在
演算公式中[6]。该算法需要用地表辐射率、大气透射率和大气平均温度3个参数进
行地表温度的演算。验证表明，该方法的地表温度演算精度较高。当参数估计没
有误差时,该方法的地表温度演算精度达到0.4℃，在参数估计有适度误差时,
演算精度仍达1。1℃。本研究采用单窗算法完成地表温度反演，并分析研究区热
环境分布和影响因素，为昆明地区的植被修复、生态环境建设和城市建设提供一定
的参考。
1研究区域与研究方法
昆明市是云南省省会，位于中国西南云贵高原中部，介于东经102°10′～
103°40′,北纬24°23′～26°22′之间。面积21473平方公里。市中心位于北
纬25°02’11”,东经102°42\'31”.南濒滇池,三面环山,滇池平原。市中心海拔
约1891m。拱王山马鬃岭为昆明境内最高点，海拔4247.7m,金沙江与普渡河汇合处
为昆明境内最低点，海拔746m［14］。
昆明属北纬低纬度亚热带—高原山地季风气候,由于受印度洋西南暖湿气流的
影响，日照长、霜期短、近年来年平均气温15℃，年均日照2200小时左右,无霜期
240天以上［14]。气候温和,夏无酷暑，冬无严寒，四季如春,气候宜人，年降水量
1035mm，具有典型的温带气候特点,城区温度在0～29℃之间，年温差为全国最小，
这样的气候特征在全球少有，鲜花常年开放，草木四季常青，是著名的“春城”、
“花城”，是休闲、旅游、度假、居住的理想之地[14］。昆明全年温差较小，市区
年平均气温在15℃左右，最热时月平均气温19℃左右，最冷时月平均气温8℃左右,
历史上年极端气温最高31.2℃,最低—7.8℃［14］。由于温度、湿度适宜，日照长,霜
期短，所以鲜花常年不谢，草木四季长青，昆明“春城\"的美誉由此得来[14］。昆明
日温差较大，紫外线强度较高，一天之中有四季，有遇雨变成冬之说，在冬、春两
季，冬季日温差可达12～20℃,夏季日温差为可达4～10℃［14].
昆明市温度反演
图1研究区域示意图
1。2数据处理与来源
本次温度反演所使用的数据为LandsatTM数据,获取时间为2005年2月16
日和2006年3月31日,影像质量较好,清晰无云。遥感影像经过辐射定标、几何校
正、大气校正，并根据昆明地区的行政区划图进行裁剪，满足研究的要求。
1.3研究方法
1。3.1值计算
在植被遥感中，是地表植被覆盖的一种常用的植被指数的值越大，说
明地表植被度盖度越大［3—7].值越小，则地表覆盖度越小。
（1）
其中,分别TM3和TM4波段的地表反射率.
1。3.2亮度温度的计算
在地表温度反演前，需要把昆明市TM影像数据中的灰度值（DN)转化为热辐射
强度值,求出象元亮度值［3]。Landsat在发射前,已经考虑到把辐射强度转化为相应
的灰度值(DN），根据Markham等研究，传感器辐射强度和影像灰度值（DN）值间
NDVI
NDVI
NDVI
34
34
NDVI
43
昆明市温度反演
有如下关系[7］:
（2）
式中，为TM传感器第6波段接收的辐射强度，求出热辐射强度后，亮度温
度可用下面的公式近似计算行星亮度温度[7］：
（3）
其中，为未经过大气校正的行星亮度温度；,为预设量。对于本次研究
所采用的LandsatTM数据。
表1Landsat5TM/ETM+热红外波段相关参数值
项目Landsat5Landsat7
K1
60.776666.090
K2
1260。5601282.710
增益Gain0。0060.037
偏移值Bias0。1243。200
1。3.3大气等效温度和大气透射率的估算
在单窗算法中大气等效温度主要取决于大气表面的气温分布和大气水分状况，
而大气透射率则主要取决于大气含水量［8]。在标准大气状态下,大气平均作用温度
与地面附近(一般为2m处）气温存在以下线性关系[9-12]:
美国1976平均大气
(4）
热带平均大气（北纬15°，年平均）
(5)
中纬度夏季平均大气（北纬45°，7月)
（6）
中纬度冬季平均大气(北纬45°，1月)
（7）
660056332.01238.0TMDNL
6L
6T))1/(ln(61
2LK
K
6T1K2K
aTOT
ToTa88045.09396.25
ToTa91715.09769.17
ToTa92621.00110.16
ToTa91118.02704.19
昆明市温度反演
经过查阅文献资料，我们得知研究区位于热带与中纬度之间，研究区的遥感
影像为夏季的TM数据，因此取公式(5)、（6）计算后的均值作为大气平均作用温
度［13].
式中为地表气温，地表气温大约是22℃，所以根据上面公式求出大气等效
温度[14—15］。
当大气水分含量在0.4～3.0g/cm2变动区间时，大气透射率的估计方程如［7］
（8）
根据当地气象站气象观测数据，并取=1。25代入公式求出大气透:
表2大气透射率的估算方程
1。3.4地表反射率的估算
通过估算，将地表大致可分为自然表面、水、城市三类，并赋以水体的典
型比辐射率值0.995，自然表面的像元可以看作是由不同比例的植被树叶和裸土组
成的混合像元,这些混合像元的地表比反射率估算公式如下:
（9）
（10)
式(9)和（10)中,和分别代表自然表面像元和城镇像元的反射率。
对于植被覆盖度,则按公式进行估算:
（11)
其中,
为植被归一
化指数，取
=0。7
和=0,
且有当某个像元的大于0。70时，取值为1,当小于0,取值为0［16］。
OT
w09611.0982007.0
NDVI
2^0461.00614.09625.0PvPvS
2^0671.0086.0960798.0PvPvB
SB
Pv
NND
Pv
NDVI
NDVIv
NDVIs
NDVIPvNDVIPv
大气剖面水分含量大气透射率估计方程
高气温
0。4~1.6
1。6～
3。0
低气温
0.4～1.6
1。6～
3.0
0.08007-0.974290
0.11536-1.031412
0.09611-0.982007
0.14142-1.083710
昆明市温度反演
表3植被指数、植被覆盖度与地表比辐射率间的关系
1.3。5单窗算法原理和地表温度的反演
用LandsatTM第6波段数据反演地表温度的演算方法。由于该方法适用于仅
有一个热红外通道的遥感数据，故称为单窗算法［17—20］。计算公式如下：
/C（12)
其中,是地表实际温度（K），是大气的等效温度（K），是行星的亮度温
度（K),和是参考系数，（当地表温度为0～70℃时,=67.355351,=0。
458606），C和D是中间变量[20］：
（13）
（14）
2结果分析
2.1地表温度空间分布特征
根据上面公式(1)和提供的计算地表比辐射率方法可以计算得出研究区的归一
化植被指数和地标比辐射率等级分布情况（图2,图3).
aSTDTDCDCbDCaT*))1(()1(6
STaT6T
abab
C
)1(1)1(D
NDVIPv
水体
ε
生活建筑区ε自然表面ε
0。05
00.9950.95890。9625
0。
05~0
。7
0~0。
05
0.5
0.5～1
0.995
0。962696+0。082204P
v
—
0.0671P
v
2
0.960798+0。086P
v
-0。
0671P
v
2
0。962696+0。082204P
v
-0。
0671P
v
2
0.9625+0。065196P
v
—
0.0461P
v
2
0.964398+0。0614P
v
—
0.0461P
v
2
1。966296+0.057604P
v
-
0.0461P
v
2
0。7
10.9950.97780。9778
昆明市温度反演
图2植被覆盖率图3地表比辐射率
以单窗算法为基础，结合以上求得的相关参数，对研究区地表温度进行反演，
并对反演结果进行同一色标、密度分割得到昆明地区地表温度分布图（见图3)
根据地表温度反演结果（图5)可知，整个昆明市地区地表温度分布在189。
818~315。809K之间，平均地表温度为297K，多数地区温度在288～296K。根据温
度分布情况将温度划分为5个等级，低温区（189～214K)、次低温区（214~262K）、
中温区（262～288K)，次高温区（288~296K)、高温区（296—315K).对各温度等级
分布面积统计如表（表4),研究区的地表温度高温区和低温区所占比例较低分别为
42.3%和0。12%，中温区所占比例为5。7%，次高温和次低温区比例次之，分别为
51。6％和0.28%。
昆明市温度反演
图4昆明市市区地表温度反演值图5昆明市地表温度反演值
表4昆明市地区地表温度分级
研究区地面温度分级地面温度变化范围
面积占研究区比例
(％)
高温区296~315K42。3
次高温区288～296K51.6
中温区262~288K5。7
次低温区214～262K0。28
低温区189～214K0。12
从空间分布上看，整个研究地区地表温度分布呈现东高西低。高温地区主要出
现在东部地区和市区及周边范围.由于东部地区分布的地方县比较多，人为活动密
度大,建筑密度大等原因形成了东部地区温度高于西部地区的现象，而在昆明市市
区温度明显比周边环境的温度要高普遍温度在296～315K。形成了较为明显的热岛
效应.然而形成这些热岛效应的主要原因是市区人口密度大,建筑密度大，商业区较
集中，工厂多，植被覆盖率第等原因.
在反演中也存在有温度较低的点，可能是由于昆明地区雪山的存在。
昆明市温度反演
2.2地表温度与土地利用类型的关系
地表温度与土地利用类型的关系可以通过对比不同土地利用类型的地表温度,
分别统计研究区域地表温度在不同土地利用类型下的分布情况而获得.地表温度空
间分布总体上与土地利用覆盖类型相一致，即高温区主要分布在城市建筑用地及裸
地附近，而低温区主要位于水体、林地、耕地附近。在整个研究区内水域面积相当
小，对温度分布影响作用不明显。
地表热辐射主要和地物的性质有关，不同的地物覆盖类型其地表温度的差异明
显，下垫面性质的不同，对地面温度分布也有重要的影响.地面温度场分布与其下
垫面环境分布有着密切的关系[18］.
建设用地相较于其他两类土地类型地表温度明显偏高，这是因为在相同的太阳
辐射条件下，相对于自然地表，城市不透水层吸收的太阳辐射能量绝大
部分用于加热地表和近地面大气，地表潜热蒸发散失的能量较少；建设用地由于比
热小，易吸热，升温快，具有明显热岛效应，从而温度明显偏高.
水体的温度较低，这是因为水体具有高比热容,在相同温度条件下,水体的增
温速度远低于建筑材料和土壤，且水体表面热量也易通过热对流的方式将热量传递
至水体其他处。另外自然表面地表温度受植被指数影响较大,植被不仅能够阻止
阳光直接照射地表使地表升温过快，而且植物蒸腾作用也会带走很多热量，使得周
围温度较低。因而，不同的土地利用方式对地表温度也具有不同的影响。
2。3植被覆盖度与地表温度的关系
比较研究区地表温度分布（图4)和植被覆盖分布（图2）可以发现温度较高的
区域植被覆盖度较低,二者的空间分布特征相反。所以我们可以得到地表温度与归一
化植被指数(NDVI)呈显著的负相关关系。
植被覆盖度越高，说明植被数量越多，土壤湿度大，蒸发散失量大，带走周围
热量作用也越明显，显热存储和传输的能量降低；植被覆盖程度高,更易阻挡太阳
光直接照在地面上，同时加速地面与大气热量的交换，使地表温度降低。因此植被
覆盖度的微小变化可以引起地面温度的显著变化,植被覆盖度对温度影响具有重要
昆明市温度反演
作用。
3结论与讨论
基于单窗算法,利用昆明市地区的遥感影像定量反演出地表温度分布情况,并根
据反演结果研究了昆明市地区地表温度分布特点，地表温度与土地利用类型和植被
覆盖度之间的关系。结果表明:
(1）研究区地表温度在189～315K范围内，平均温度为297K,51.6%的地区地
表温度在288～296K。建设用地温度,自然表面地温温度相对较高,而水体的温度较
低。从空间分布格局上来看,地表温度的分布呈现东高西低，高温区分布在市区,主
要的县;低温区水体较多，植被覆盖较多，人文活动较少的地区。
（2）建设用地相较于其他两类土地类型地表温度明显偏高，这是因为在相同
的太阳辐射条件下，相对于自然地表，城市不透水层吸收的太阳辐射能量绝大部分
用于加热地表和近地面大气，地表潜热蒸发散失的能量较少，比热小，易吸热，具
有明显热岛效应，因而温度较高.水体的平均温度最低，因为水体具有高比热容，
在相同温度条件下，水体的增温速度远低于建筑材料和土壤，且水体表面热量也
容易以热对流的方式将热量传递至水体深处。另外自然表面地表温度受植被指数影
响较大,植被不仅能够阻止阳光直接照射地表使地表升温过快,而且植物蒸腾作用也
会带走很多热量，使得周围地面温度较低。因而，不同的土地利用方式对地表温度
也具有不同的影响.
(3）地表温度与植被覆盖度呈负相关关系。植被覆盖度越高，说明植被数量越
多，土壤湿度大，蒸发散失量大，带走周围热量作用也越明显,显热存储和传输的
能量降低；植被覆盖程度高，更易阻挡太阳光直接照在地面上，同时加速地面与大
气热量的交换，使地表温度降低,所以能够调节地表气温。
经过上面的分析可以知道:1.昆明市市区的热岛效应明显;2。地表温度的高低
与土地利用现状有关系;3.地表温度与归一化植被指数（NDVI）呈显著的负相关关系。
因此改善研究区地表热环境可以从以下几个方面：调整土地利用现状，合理规
划城市结构，增加植被覆盖面积，节约能源，提高人们的环保意识等方面。调整土
地利用现状主要表现在：合理开发和利用的土地资源，提高人们对土地的利用度；
昆明市温度反演
合理的城市结构主要表现在：合理的规划工业区和非工业去,在道路等地方的周边
多利用原生态物质；增加植被覆盖的主要表现在：在城市地区多种植树木，花草等；
在节约能源方面主要表现在：节约利用水资源，节约利用大气资源等；在人们意识
方面主要表现在;提高人们对我们生活环境的认识，提高人们对自然资源的保护等。
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致谢
本文是在导师张中伟讲师悉心指导下完成的。在论文完成之际,我衷心感谢给予我指导、
关心和帮助的张老师、李老师、在论文写作方法上的指导，还有大学四年中室友和其他同学
的关心和支持。