CN109141684A - 一种基于遥感的人为热排放时间尺度上推方法 - Google Patents

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CN109141684A CN201710454443.1A CN201710454443A CN109141684A CN 109141684 A CN109141684 A CN 109141684A CN 201710454443 A CN201710454443 A CN 201710454443A CN 109141684 A CN109141684 A CN 109141684A
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林剑艺
刘嘉慧
赵小锋
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

本发明提供了一种基于遥感的人为热排放时间尺度上推方法，包括如下步骤：获取特定区域的多时相Landsat影像；利用地表能量平衡法估算各地表通量；对净辐射通量和显热通量采用积分法上推至日值，采用蒸发比法将潜热通量上推至日值；利用作物系数法将日潜热通量上推至月值，基于作物系数法假设其他通量占净辐射通量的比值在月内保持不变，实现各地表通量从日值到月值的扩展；最后利用余项法求得每月的人为热排放，再进行累加即可得到年人为热排放。本发明解决了人为热排放时间尺度上推问题，长时间尺度的人为热排放对能源资源管理、气候数值模拟、城市环境变化等领域具有十分重要的研究意义。

Description

一种基于遥感的人为热排放时间尺度上推方法
技术领域
本发明属于遥感技术应用领域，具体涉及一种基于遥感的人为热排放时间尺度上推方法。
背景技术
人为热排放是指对能源的不充分利用而排放到周边环境中的废热，它不仅是城市热岛形成的重要原因之一，而且是与能源消耗密切相关的指标。研究城市人为热排放有助于从生态环境的角度识别城市热污染源，从能源利用的角度促进能源效率的提高，为减少城市热岛效应和节能减排提供决策支持。
相对于常用的利用能源消耗清单法来估算人为热排放，近年来兴起的基于遥感的地表能量平衡法，具有数据获取容易、能够发现城市尺度的人为热排放变化特征等优点，已经成为人为热排放研究的重要方向。尽管基于遥感的地表能量平衡法具有上述优点，然而，由于只有在卫星过境时刻才能通过遥感数据反演瞬时人为热排放，这就导致了时间上的不连续性。相比较瞬时人为热排放来说，月值或年值等更长时间尺度的人为热排放具有更为广泛的应用，对能源资源管理、气候数值模拟、城市环境变化等领域具有十分重要的研究意义。目前只能通过涡度相关技术来长期连续观测人为热排放，但是实验仪器价格昂贵和应用范围有限，难以推广和普及。目前尚无针对人为热排放的时间尺度上推方法，这就限制了人为热排放的研究用途和应用领域。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是针对目前基于遥感方法估算得到的人为热排放只是瞬时值，提出一种对人为热排放进行时间尺度扩展的方法。
（二）技术方案
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
S1：获取某一年特定区域的多时相Landsat影像和气象数据；
S2：对Landsat影像进行预处理并提取地表特征参数，利用地表能量平衡法估算各地表通量的瞬时值；
S3：对净辐射和显热通量采用积分法上推至日值，采用蒸发比法将潜热通量上推至日值；
S4：利用作物系数法将日潜热通量上推至月值，基于作物系数法假设其他通量占净辐射的比值在月内保持不变，实现各地表通量从日值到月值的扩展；
S5：最后利用地表能量平衡余项法求得每月的人为热排放，再进行累加即可得到年人为热排放。
其中，所述步骤S1中的气象数据包括气温、大气压、风速、水汽压、日最低温度、日最高温度和辐射数据。
所述步骤S2具体包括：
S21：遥感影像预处理包括条带修复、几何精纠正、投影转换以及重采样等；
S22：地表特征参数包括地表反照率、地表温度和土地覆盖类型；
S23：地表能量平衡方程的计算公式为：
式中Rn是地表净辐射，A是人为热排放，H是显热通量，LE为潜热通量，G为土壤热通量。
所述步骤S3具体包括：
S31：利用积分法将瞬时净辐射和显热通量上推至日值，具体公式为：
其中，Rnd是日净辐射，Rn_inst是瞬时净辐射，Hd是日显热通量，Hinst是瞬时显热通量，t为卫星过境时刻，trise-tset代表日出至日落的时间间隔，根据以下公式进行计算：
式中，D为儒略日，系数a和b的由以下公式计算：
式中，L为研究区所在的纬度；
S32：利用蒸发比法将潜热通量上推至日值，其计算公式为：
式中，LEd为日潜热通量，LEinst 是瞬时潜热通量，Rnd是日净辐射，(Rn-G)inst为瞬时有效能量。
所述步骤S4具体包括：
S41：利用作物系数法将日潜热通量上推至月值，其计算公式如下：
式中，LEm是月潜热通量；KC是作物系数，是月参考潜热通量与卫星过境当天参考潜热通量的比值；LEd是日潜热通量；
S42：参照作物系数法，本发明对于月地表净辐射以及月显热通量估算的基本假设是，地表能量平衡中潜热通量和显热通量所占地表净辐射的比例相对稳定。假设LEd与Rnd 的比值是一个常数，根据这个比值和月潜热通量LEm，就可估算出整月的地表净辐射Rnm：
再根据已得到的月地表净辐射Rnm和假设Hd与Rnd 的比值是一个常数，估算出月显热通量Hm，具体计算公式如下：
月土壤热通量Gm的估算
式中，Cg是依赖于土地利用类型和季节的系数。
所述步骤S5在获得了月净辐射、月显热通量、月潜热通量和月土壤热通量后，利用余项法求得月人为热排放，再对每月的人为热排放进行累加计算，即可得到全年的人为热排放。
（三）有益效果
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明利用Landsat遥感影像和气象数据实现了人为热排放的时间尺度上推，既解决了涡度相关技术难以推广的问题，又能与能源消耗清单法估算得到的人为热排放进行对比分析。本发明可以促进基于遥感估算的人为热排放在资源管理、气候数值模拟及陆面能量平衡等相关领域的推广应用。
附图说明
图1是本发明所提供的一种基于遥感的人为热排放时间尺度上推方法的流程图；
图2是本发明研究区年人为热排放空间分布图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本实施例所采用数据为以2009为基准年的厦门市Landsat影像，如图1所示，包括以下步骤：
S1：收集厦门市以2009年为基准年的各月份Landsat影像，如果某月因云雨天气因素有空缺，采用邻近月份或相邻年份同月质量较好的影像替代；同时收集的
气象数据包括气温、大气压、风速、水汽压、日最低温度、日最高温度和辐射数据。在本发明中，推荐使用Landsat作为卫星遥感影像数据源，这主要是因为Landsat影像获取容易、相对高的空间分辨率和时间连贯性好。
S2：对Landsat影像进行预处理并提取地表特征参数，利用地表能量平衡法估算各地表通量的瞬时值。
步骤S2具体包括以下步骤：
S21：Landsat影像预处理包括条带修复、几何精纠正、投影转换以及重采样等；
S22：地表特征参数包括地表反照率、地表温度和土地覆盖类型，下面分别对这些参数的反演过程展开说明。
（1）地表反照率：
其中，α是地表反照率，ρ1、ρ3、ρ4、ρ5和ρ7分别是Landsat TM/ETM+影像第1、3、4、5和7波段的反射率。
（2）地表温度
本发明使用辐射传输方程反演地表温度，具体计算公式如下：
其中，Ts为地表温度，LTOA是传感器入孔处的辐射量，K1和K2是定标参数。
其中，ε是地表发射率，τ是大气透过率，Lλ是经过定标后的热红外波段的辐射亮度值，Lu是大气上行辐射，Ld是大气下行辐射。
（3）土地覆盖类型
本发明选择最大似然法将研究区分类为6种土地利用类型，即水体、耕地、建设用地、裸地、林地和滩涂。
S23：利用地表能量平衡法反演各地表通量，下面将对各地表通量的反演过程展开详细说明。
（1）净辐射Rn
其中，α是地表反照率；RS是太阳总辐射，ɛ是地表发射率；是大气发射率；是向下的黑体辐射；是向上的黑体辐射。
（2）土壤热通量G
式中，cg是通过地面观测获得的依赖于土地利用类型和季节的系数。在表1列出了本发明中所采用的cg值。
表1不同土地覆盖类型和不同季节的cg值
（3）显热通量H
式中，ρ为空气密度，Cp为定压比热，Ts为地表温度，Ta为空气温度，ra为空气动力学阻力，通过以下公式计算：
式中，Zm是风速测量仪的测量高度，Zh是温度传感器的测量高度，d为零平面位移高度，Z0m为动量传输粗糙度，Z0h为热量传输粗糙度，k是von Karman常数，取值为0.41，uz是风速测量仪所在高度z处的风速。表2中列出了本发明对研究区内6种不同土地利用类型的Z0m、Z0h和d赋予的特征值。
表2不同土地利用类型的Z0m、Z0h和d的值
（4）潜热通量LE
式中，es为地表温度Ts时的饱和水汽压，ea是水汽压，γ为干湿球常数，rs是表面水汽扩散阻抗，通过以下公式计算：
式中，Rcuticle 取值为100000m/s ，rsmin的取值与土地覆盖类型相关（如表3所示）。表3不同土地利用类型的rsmin取值
f1和f2分别是关于气温和光合有效辐射的函数，其表达式为：
式中，Tn、T0、Tx分别为气孔活动的最低温度、最优温度和最高温度，分别取值为2.7℃、31.1℃、45.3℃，A是在低光强度时光子吸收效率参数，取值为152μmol m-2 s-1。
（5）人为热排放
城市地表能量平衡方程为：
根据城市地表能量平衡方程，在得到了地表净辐射Rn、土壤热通量G、显热通量H及潜热通量LE后，将人为热排放A作为剩余项来进行估算：
S3：对净辐射通量和显热通量采用积分法上推至日值，采用蒸发比法将潜热通量上推至日值。
所述步骤S3具体包括：
S31：假设一天中的白天净辐射遵循正弦分布，只要知道卫星过境时刻的净辐射，就能模拟出整个正弦函数，从而计算出日地表净辐射。显热通量是受净辐射的驱动，两者有着一致的日变化趋势，因此显热通量也遵循正弦分布。利用积分法将瞬时净辐射和显热通量上推至日值，具体公式为：
其中，Rnd是日净辐射，Rn_inst是瞬时净辐射，Hd是日显热通量，Hinst是瞬时显热通量，t为卫星过境时刻，trise-tset代表日出至日落的时间间隔，根据以下公式进行计算：
式中，D为儒略日，系数a和b的由以下公式计算：
式中，L为研究区所在的纬度。
S32：蒸发比是瞬时潜热通量与瞬时净辐射减瞬时土壤热通量之差的比值，蒸发比法估算的日潜热通量相对误差较小，且对于不同时刻的瞬时值均具有较好的适应性。本发明利用蒸发比法将潜热通量上推至日值，其计算公式为：
式中，LEd为日潜热通量，LEinst 是瞬时潜热通量，Rnd是日净辐射，(Rn-G)inst为瞬时有效能量。
S4：利用作物系数法将日潜热通量上推至月值，基于作物系数法假设其他通量占净辐射通量的比值在月内保持不变，实现各地表通量从日值到月值的扩展；
所述步骤S4具体包括：
S41：作物系数是指一段时间内总的参考潜热通量与Landsat卫星过境当天的参考潜热通量的比值，本发明将这个比值记作KC。以推算1 月份的潜热通量为例，大致过程是：1月份有1景Landsat影像反演的潜热通量结果，利用Penman-Monteith公式计算与卫星过境当天的参考潜热通量；而后对1月份每天的参考潜热通量求和，得到了这一整月总的参考潜热通量；再利用总的参考潜热通量与卫星过境当天的参考潜热通量得到了作物系数KC；假设作物系数KC在一个月内保持不变，然后把KC值乘以用遥感影像反演的实际潜热通量即为1月份的实际潜热通量，对于其它月可用相同的方法得到。
计算日参考潜热通量的Penman-Monteith公式可表示为：
式中，LE0是日参考潜热通量，Rnd为日净辐射通量，Gd是日土壤热通量，esd是卫星过境当天日平均饱和水汽压，ead是卫星过境当天日平均水汽压，γ是干湿表常数；T是卫星过境当天日平均气温，ud是卫星过境当天日平均风速，Δ是饱和水汽压对温度的导数，β是单位转换系数，取值为28.4。
饱和水汽压对温度的导数Δ可用以下公式计算：
式中，T是卫星过境当天日平均气温。
作物系数KC的计算公式如下：
其中，LE0m是月参考潜热通量，LE0是日参考潜热通量。
利用作物系数法将实际日潜热通量上推至月值，其计算公式如下：
式中，LEm是实际月潜热通量，KC是作物系数，LEd是日潜热通量。
S42：参照作物系数法的原理，本发明对于月地表净辐射以及月显热通量估算的基本假设是，地表能量平衡中潜热通量和显热通量所占地表净辐射的比例相对稳定。假设LEd与Rnd的比值是一个常数，根据这个比值和月潜热通量LEm，就可估算出整月的地表净辐射Rnm：
再根据已得到的月地表净辐射Rnm和假设Hd与Rnd 的比值是一个常数，估算出月显热通量Hm，具体计算公式如下：
月土壤热通量Gm的计算公式如下：
S5：根据城市地表能量平衡方程，在得到了月时间尺度的地表净辐射Rnm、土壤热通量Gm、显热通量Hm及潜热通量LEm后，将月人为热排放Am作为剩余项来进行估算，即可得到每月的人为热排放，最后将每个月的人为热排放进行时间累计得到年人为热排放（如图2所示）。
综上所述，本发明可以取得的有益效果包括：补充了人为热排放时间尺度扩展领域的空白，估算方法简单、易于操作，使得人为热排放的应用更加广泛，更符合实际的应用需求。
以上实施方式仅用于说明本发明，并非对本发明的限制，相关领域的技术人员在不脱离本发明的原理和范围的情况下，可以做出多种变化和变形，本发明的专利保护范围由原理要求限定。

Claims (8)

1.一种基于遥感的人为热排放时间尺度上推方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
S1、获取某一年特定区域的多时相Landsat影像和气象数据；
S2、对Landsat影像进行预处理并提取地表特征参数，利用地表能量平衡法估算各地表通量的瞬时值；
S3、对净辐射通量和显热通量采用积分法上推至日值，采用蒸发比法将潜热通量上推至日值；
S4、利用作物系数法将日潜热通量上推至月值，基于作物系数法假设其他通量占净辐射通量的比值在月内保持不变，实现各地表通量从日值到月值的扩展；
S5、最后利用地表能量平衡余项法求得每月的人为热排放，再进行累加即可得到年人为热排放。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1的气象数据包括气温、大气压、风速和水汽压。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中预处理包括条带修复、几何精纠正、投影转换以及重采样等；地表特征参数包括地表反照率、地表温度和土地覆盖类型；地表能量平衡方程中的各地表通量包括净辐射、显热通量、潜热通量、土壤热通量及人为热排放。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中利用积分法将瞬时净辐射通量和显热通量上推至日值，具体公式为：
其中，Rnd是日净辐射，Rn_inst是瞬时净辐射，Hd是日显热通量，Hinst是瞬时显热通量，t为卫星过境时刻，trise-tset代表日出至日落的时间间隔，根据以下公式进行计算：
式中，D为儒略日，系数a和b的由以下公式计算：
式中，L为研究区所在的纬度。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中利用蒸发比法将潜热通量上推至日值，其计算公式为：
式中，LEd为日潜热通量，LEinst 是瞬时潜热通量，Rnd是日净辐射，(Rn-G)inst为瞬时有效能量。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中利用作物系数法将日潜热通量上推至月值，其计算公式如下：
式中，LEm是月潜热通量；KC是作物系数，是月参考潜热通量与卫星过境当天参考潜热通量的比值；LEd是日潜热通量。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中基于作物系数法假设其他通量占净辐射的比值在月内保持不变，实现净辐射和显热通量从日值到月值的扩展，具体计算公式为：
式中，Rnm是月地表净辐射，LEm为月潜热通量，LEd是日潜热通量 Rnd 为日净辐射，Hm是月显热通量，Hd是日显热通量。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5在获得了月净辐射、月显热通量、月潜热通量和月土壤热通量后，利用余项法求得月人为热排放，再对每月的人为热排放进行累加计算，即可得到全年的人为热排放。
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