[发明专利]山区地表温度基线构建的一种方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于地理温度特征值测量，特别是地表温度基线的测量和应用。

背景技术

地表温度是众多生态环境过程的关键因子，其变化规律是气象学、水文学、生态学、林学等领域理论建立和实践应用的基础内容。传统方法是以气象站观测数据为样点数据，用内插法、气温直减率订正法、多元回归方法等开展温度栅格化研究的地理信息系统手段，本质上是应用统计方法做出的模型，缺少物理上温度模拟的现实含义。即使有基于海拔、纬度等环境梯度因子的订正模型，也是基于纯数学上的线性回归系数，最多只能是地形综合作用下的订正系数，亦不能解释各个环境梯度因子对温度的机理作用。随着3S技术的普及应用，应用地理信息系统的内插模拟和基于遥感影像热红外波段反演地表温度方法成为山地气候研究的最新手段，它能够在同一时刻获取大区域、连续地表上的温度分布数据，更准确反映温度的现实分布特征。与传统方法比较，它不依赖于气象站观测数据，不会受到数据代表性的影响，且无需付出大量的人力和时间。目前，多数研究者的重点在于数学反演算法以及地表温度的粗尺度空间分布规律的摸索。

与全球和区域尺度上的地表温度研究相比，山地温度的空间分布理论及变化规律的精细化研究相对薄弱，滞碍了空间连续化的山地温度基线以及地表温度的微格局空间分布特征的建立，影响了山地农业、林业、自然灾害、生态等方面的研究和预报。以山地地貌类型为主的云南，呈阶梯状的地势地貌层次结构，不仅全省，而且每一地区均有较高山地、低坝、深切河谷存在，形成了复杂、多层的自然条件。在地势和山脉河流走向等的综合效应下，热量的地域差异和垂直变化规律十分明显，然而复杂多变的山地地貌和立体气候显著的特点，使全省一百多个常规的气象站点代表性较差，传统的温度基线往往在云南全境范围上仅有少数几条等值线，对探索山区温度规律造成了巨大的困难。目前，尚未见空间上连续化，可广泛被各行业应用的云南地表温度基线数据。

以下术语中，DEM是Digital Elevation Model（数字高程模型)的简称，它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。

发明内容

本发明旨在基于遥感影像热红外波段反演的地表瞬时温度场获取山地地貌类型为主地区的地表温度基线数据，并进一步以该方法获取诸如云南省山地地貌类型为主地区的地表温度基线数据，充实该地区山地气候资源研究方面的基础性工作，为精细化山区气候资源开发和保护提供数据支撑和方法借鉴。

上述目的涉及以下步骤：

（1）MODIS热红外影像预处理，包括条纹噪声消除、数据重叠现象去除、反射率定标、太阳天顶角订正、几何纠正；

（2）环境梯度因子处理，包括构建或者获取DEM数据，并进行平滑去噪、特异凸凹点填充，基于DEM提取纬度、经度数据；

（3）选用覃志豪等人的劈窗算法得到基于MODIS热红外波段反演的瞬时地表温度场T；

其特征是：

①该算法中，因为大气透射率的计算使用的是MODIS影像第2波段，其空间分辨率为250m，因此反演得到的瞬时地表温度场T的空间分辨率为250m；②进一步将反演得到的250 m像元大小的瞬时地表温度场用最近邻域方法重采样，以使其与环境梯度因子的像元大小相对应；

（4）构建温度基线B-T的数学模型

将测量地域内常规气象站点矢量、地表瞬时温度场及DEM、经度、纬度环境梯度因子投影为一致的坐标系统，提取出常规气象站点处的地表瞬时温度反演值、经纬度值，与年平均气温观测数据建立样本集，令地表瞬时反演温度为                                                ，经度为，纬度，年均温为，使用统计分析软件中的线性回归工具求出年均温的回归估计方程，进行方程和系数的F检验和T检验确定上述方程的显著性后，建立获取温度基线B-T的数学模型；

（5）获取像元尺度的温度基线B-T

将瞬时地表温度场T、测量地域上的经度、纬度数据代入步骤（4）所构建的数学模型，基于GIS图像处理软件的栅格计算功能，计算得到以栅格大小为单元的地表温度基线B-T。

     所述的方法步骤（2）选用高斯-克吕格投影方法时需确定好测量地域的中央经线再进行地图投影，以保证山地地貌变形最小。

 所述的方法步骤（4）以区域内常规气象站点历史30年年平均气温观测值作为线性回归的因变量样本。