作品编号：D47（三等奖）
作品名称：Landsat8城市生态环境监测
作者单位：山东科技大学/广西大学
小组成员：宿鑫，马小雨
指导老师：江涛，陈正华
1 研究背景与意义
近年来，随着我国经济和城市化进程快速发展与不断加快，生物质燃烧、城市生活造成的污染物排放，空气中产生了大量的气溶胶，导致城市大气污染问题日益突出，研究表明，大气颗粒物已成为影响我国城市空气质量的首要污染物。不同粒径的气溶胶颗粒对人体造成的危害不同，一般来说粒径越小，对人体危害越大,PM10能够达到人体呼吸系统的支气管区，PM2.5能够直接进入人体肺泡，对人体造成严重危害。同时气溶胶的消光作用会导致大气能见度降低，从而影响城市交通与居民生活等。
城市热力环境是城市生态系统中很重要的一部分，热岛效应的强弱反应了城市气候特征。所谓城市热岛，即是指城市中城区的气温比周围地区气温要高，在城市热力场分布图上显示出城区好像是一个高温岛屿的现象，它的形成与许多因素有关。城市热岛效应对城市的生态环境十分不利：城市热岛效应会使城市中的相对湿度比郊区小，而暴雨等对流性天气却增多；热岛效应还会使城市空气质量下降。城市热岛效应的加剧不但影响局地气候、大气环境，而且对人们的生产和生活质量也造成了严重的影响，随着全球工业化和城市化的飞速发展，热岛效应成为城市发展过程中出现的重要环境问题之一。
城市地区生态环境与人们的生活息息相关，大气污染以及城市热岛效应已经严重影响人们的生活质量。
2 研究内容
城市生态环境监测包括城市热岛效应监测与城市大气污染监测，具体反演的参数包括大气水汽含量、陆地表温度、城市热岛效应、大气气溶胶、大气颗粒物、地表能见度共8个陆地、大气参量，用以城市生态环境监测研究，如图1所示。
图1 城市生态环境监测参数
3 关键技术
3.1 大气水汽反演
大气水汽含量是反演地表温度的关键参数，前人在进行Landsat8地表温度反演的时候，通常借助地面气象站与MOD05水汽产品来得到大气水汽含量，或者通过辐射传输模拟得到透过率。这些额外的输入降低了程序的自动化，增加了反演的繁琐度，不利于业务化运行，综合前人大气水汽反演研究，将分裂窗协方差-方差比大气水汽反演算法移植到Landsat8，利用其热红外两个波段反演水汽含量，提高了程序的自动化，具体反演流程如下图所示：
图2 大气水汽反演流程图
3.2 地表温度反演流程
地表温度反演主要包括大气水汽反演，植被覆盖度反演，地表辐射率反演等多个步骤，本研究直接将多个步骤融合为一个流程。本研究算法与其他算法想法主要有以下优势，（1）不需要外界参数输入，所有地表温度反演参数均取自影像本身，降低异源数据匹配的时间误差与分辨率误差，提高反演精度。（2）提供了两种非线性劈窗算法结果，提高了结果的可信度与鲁棒性。
图3 地表温度反演流程图
3.3 Landsat8逐像元成像角度计算
逐像元角度对于气溶胶反演及其重要，之前的研究中都是以影像中心角度进行反演，而Landsat8的视场角达到了15°，这不可避免的引入角度误差，所以本小节介绍如何插值出逐像元的成像角度。角度误差分析如下图所示：
图4 角度误差带来的气溶胶反演误差
（1）太阳角度角度计算
太阳角度使用ENVI函数Result = ENVI_COMPUTE_SUN_ANGLES(day, month, year, time_float, lat,lon)进行计算，Result返回两个数值，第一个是太阳高度角，第二个是太阳方位角。考虑到逐像元计算比较好费时间，并且每个像元的角度变化很小，所以为了加快处理速度，每100个像元间隔取一个点计算，从而得到一个粗分辨率的太阳角度，然后再插值到与30m分辨率，下图为计算得到太阳角度：
（a）天顶角
（b）方位角
图5 太阳角度计算结果
（2）卫星角度计算
卫星角度基于卫星角度查找表进行计算，查找表文件：l8SensorAngleLut，本文件存储着行卫星天顶角与方位角，经过读取插值后结果如下：
（a）卫星天顶角
（b）卫星方位角
图6 卫星角度计算结果
3.3.4 气溶胶光学厚度反演
气溶胶光学厚度主要分为以下几步：
图7 气溶胶反演总流程
气溶胶反演中地表反射率估算是关键问题，通过综合前人的研究，将MODIS V5.2算法完美移植到Landsat8，算法取得了极高的反演精度，V5.2算法是增强型暗目标法，判断暗目标的阈值更宽泛，大大增加了反演范围。本文算法与其他算法相比，具有以下几个优势：（1）分辨率高，MODIS取10*10窗口的值进行处理，大约为10KM分辨率，Landsat8取10*10窗口像元，反演分辨率大约为300m分辨率，分辨率更高，具有更多细节信息。（2）加入0.430um波段反演结果限制。前人对Landsat或者MODIS研究，均只考虑0.480um波段或者0.480um与0.650um波段，而0.430um波段专门设计用于气溶胶研究，并且相对于0.480um与0.65um，其波长更短，对气溶胶更加敏感，本文综合考虑0.430um与0.480um两个波段，最终取两个波段结果的加权平均值，增强反演鲁棒性。（3）基于逐像元角度反演，降低了角度误差，提高了反演精度。
4 反演结果与验证
4.1 反演结果
（a）真彩图
（b）大气水汽
（c）LST
（d）城市热岛
（e）大气气溶胶
（f）PM2.5
（g）地表能见度
图8 反演结果图
4.2 气溶胶光学厚度验证
气溶胶光学厚度使用剖面线对比方式，选取2017年7月1号UTC 2:25的MOD04-3K数据产品进行对比，注意，Landsat8数据成像时间大约在UTC 3:00，并将Landsat8反演结果重采样到3km。
图9 剖面线示意图
（a）散点图验证结果
（b）绝对误差结果
图10 气溶胶散点图验证结果
从剖面线示意图中可以看出，二者反演趋势一致，从散点图中可以看出，二者相关性较高达到了0.8813，说明反演结果真实可信。
4.3 地表温度对比
MODIS逐日地表温度产品共有两种，MOD11L2与MOD11A1，其中MOD11A1使用精度更高的昼夜算法，所以本小节使用此产品进行对比验证，由于是7月，地表温度时间
变化大，时间越靠近中午地表温度越大且随时间强烈变化。Landsat8 TIRS 100m分辨率经过USGS预处理后背重采样到30m分辨率，以下为验证结果图。
图11 地表温度散点图验证结果
从图11中可以看出，Landsat8-LST与MODIS-LST产品相关系数较高，截距与斜率上看，二者数值及其相近，但是从数据离散程度上，温度从高到低，越来越离散，说明Landsat8劈窗算法再高值区准确性更高。
5 研究结论
1 使用分裂窗协方差-方差比反演了大气水汽含量，使用非线性劈窗算法反演了地表温度，并基于地表温度推导出城市热岛效应。
2 使用增强型暗目标法反演了气溶胶光学厚度，并基于气溶胶光学厚度推导出PM2.5与地表能见度
3 经过与MODIS同类产品进行对比，发现气溶胶光学厚度相关系数为0.88，地表温度相关系数为0.87，相关性较高，证明反演结果真实可信。
4 在地表温度反演中，不需要外界任何参数输入，所有参数均来自影像本身，降低异源数据匹配的时间误差与空间误差，提高反演精度。
5 提供两种非线性劈窗算法结果，提高了反演结果的可信度与鲁棒性
6 可以导出大气水汽、城市热岛等其他参量
7 气溶胶反演研究中，推导出逐像元的成像角度与太阳角度，降低了角度误差。
8 将MODIS V5.2算法完美移植到Landsat8，但是分辨率远远优于MODIS产品。
9 与前人研究相比，考虑了气溶胶对0.430um波段的影响，使用0.430um与0.480um两个波段反演，最后取二者的加权平均结果，增强反演的鲁棒性。
10 使用本研究算法，对两个典型案例进行监测与分析，发现监测效果明显，结果真实可信，输入简单，可以用于城市生态环境业务化监测。