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专利名称：一种基于遥感的城市工业热污染源调查方法
技术领域：
本发明涉及一种基于遥感的城市工业热污染源调查方法，具体即用冬季遥感卫星影像及辅助数据进行工业热污染区的提取和热污染源的识别，属于遥感应用和环境保护领域，可为环境保护、节能减排、工业管理等领域的管理决策提供信息支持。
背景技术：
热污染是由于人类的某些活动，使局部环境或全球环境发生增温，并可能形成对人类和生态系统直接或间接、即时或潜在的�：�(Harlan and RuddelI, 2011 ;黄宝华，2007 ；Nordell, 2003 ；Dolgikh et al. , 1997)。城市热污染与热岛效应有密切关系，造成城市热污染的原因主要有下垫面改变和人为热排放等方面(Oke, 1982; Owen et al.， 1998; Lu and Weng, 2006; Chen et al. , 2007; Yuan and Bauer, 2007)。随着快速的工业化和城市化，城市热污染问题日趋严重，开展热污染源调查，对于制定有效措施改善城市环境有重要意义。目前对于城市热污染/热岛效应的调查主要侧重于整体强度、范围等宏观指标的监测和评价(肖荣波等，2007)，而对具体热污染源的监测则仅限于个别单独的污染源，例如电厂温排水(石登荣等，1996;吴传庆等，2006;贺益英等，2007)和矿区热污染(陈云浩等，1999;黄宝华等，2007)。对于环保和节能管理部门而言，需要一种便捷的热污染源调查方法来实现对所辖区域内各类工业热污染源的清查和监测。

发明内容
本发明的目的在于运用卫星遥感进行提取和分析，以提供一种简单、便捷的工业热污染源调查方法。本发明提出一种应用热红外遥感卫星影像进行工业热污染源调查的方法，即以冬季卫星遥感影像热波段为数据源，通过遥感反演、归一化、分级分类、叠加识别等手段实现对工业热污染源的辨识和清查，其具体步骤如下
I)遥感影像选取选取监测区冬季中分辨率遥感影像，要求数据质量较好，监测区内晴朗无云，大气可见度高。2)亮度温度遥感反演使用中分辨率遥感影像热红外波段反演地表亮度温度。根据通用定标公式和参数，首先将DN值转化为辐射亮度，然后将辐射亮度转化为亮度温度。3)亮度温度归一化将反演得的亮度温度值进行归一化处理，计算得到相对亮度温度R，作为分级分类的基准数据。4)分级分类通过对相对亮度温度R的阈值分割，实现对热污染区的分级分类。如共分为无、弱、中、强、很强、极强6类热污染区，其中强、很强、极强三类被视为显著热污染源纳入识别和清查范畴。相对亮度温度R越大，热污染等级越高。5)污染源识别将4)获得的热污染区分类图与高分辨率影像、大比例尺数字地形图、工业区土地利用调查数据等辅助数据进行叠加，结合地面实地调查验证，进行工业热污染源辨识，获得各工业热污染源的名称、类型等基础信息，进而形成工业热污染源清单。本发明的工业热污染源调查方法可以有效获取城市工业热污染源的分布区域、强度等级、名称、类型等信息，其优势是简单、便捷、省时省力，传统的污染源调查方法受制于人力物力而时间、空间时效性有限，本发明应用卫星遥感技术则更加灵活、实用、全面。


图I为基于遥感的城市工业热污染源调查方法流程图 图2为本发明的一种实施方式的工业热污染源分布图
图3为本发明的实地验证图 图4为本发明的实地验证图
具体实施例方式以下结合附图1-4，对本发明提供的基于冬季卫星遥感的工业热污染源调查方法做进一步的详细描述
O遥感影像选取选取监测区冬季的Landsat TM/ETM+、CBERS, HJ等中分辨率卫星遥感影像，要求数据质量较好，监测区内晴朗无云，大气可见度高。选取冬季影像原因为，冬季提取的热污染区呈散布的点状，容易分辨出热污染严重的工业污染源，而夏季热污染区工业与居住、交通等其他热污染源连接成片，难以清晰分辨。例如收集厦门2007年冬季Landsat TM卫星影像。2)数据预处理影像均采用WGS-84椭球和基准面，精纠正到UTM投影坐标系，例如厦门影像为UTM投影坐标系N50带。然后使用研究区范围边界矢量数据将研究区影像部分从整幅影像中提取出来，并结合监督分类和非监督分类方法，对Landsat TM/ETM+、CBERS、HJ等中分辨率卫星遥感影像可见光-近红外波段进行土地利用/覆盖分类，提取城市建成区范围边界。3)亮度温度遥感反演使用TM/ETM+、CBERS, HJ等中分辨率影像的热红外波段反演地表亮度温度。例如对于TM热波段是6波段；对于有两个热波段的ETM+，在海湾等低反射率背景地区使用62波段，在沙漠等高反射率背景地区使用61波段。根据通用定标公式和定标参数,例如Landsat 7 Science Data User’s Handbook提供的Landsat卫星定标公式和定标参数，首先利用公式(I)将热红外波段DN值转化为辐射亮度，然后根据公式(2)将辐射亮度转化为亮度温度。Li = Ο ηλ ■ DNa +Biasx (I) τ _
為/ TJ- \
lnte + ll⑵
J
式中，7；是亮度温度(单位为K)，Z7是辐射亮度，是该转换函数的斜率Aia1S7是截距，两者均可在ETM+影像自带的元数据中获得。毛是定标常数2，对于TM取值为1260. 56，对于ETM+取值为1282.71尤是定标常数I，对于TM取值607. 76，对于ETM+取值666. 09。由于热污染源调查重点关注的是温度的相对差值，在研究区晴朗无云、大气状况稳定均一、图像质量良好的情况下，可以无需对亮度温度进行大气纠正和发射率纠正以使方法得到简化。4)亮度温度归一化根据下述公式(3)将反演得的亮度温度进行归一化处理，其中Tui为研究区第i个像元的亮度温度值，Ta为研究区平均亮度温度，R为相对亮度温度。
权利要求
1.一种基于遥感的城市工业热污染源调查方法，其特征是，所述方法包括以下步骤 a)选取监测区冬季中分辨率遥感影像，要求数据质量较好，监测区内晴朗无云，大气可见度高； b)使用中分辨率遥感影像热红外波段反演地表亮度温度，首先将DN值转化为辐射亮度，然后将辐射亮度转化为亮度温度，将反演得的亮度温度值进行归一化处理，计算得到相对亮度温度R ; c)通过对相对亮度温度R的阈值分割，实现对热污染区的分级分类； d)将热污染区分类图与辅助数据进行叠加，结合地面实地调查验证，进行工业热污染源辨识，进而形成工业热污染源清单。
2.根据权利要求I所述的基于卫星遥感的工业热污染源调查方法，其特征是，步骤(a)中采用冬季遥感影像热红外波段进行工业热污染源调查，而非常见的夏季或其他季节，原因是冬季提取的热污染区呈散布的点状，容易分辨出热污染最严重的工业企业，而夏季热污染区工业与居住、交通等其他热污染源连接成片，难以清晰分辨；同时冬季热红外遥感调查得到的除了工业热污染源，还包括该地区应用本方法同时获取的交通、能源等其他类别的热污染源信息，前者占据绝大多数，但后者亦有重要性。
3.根据权利要求I所述的基于卫星遥感的工业热污染源调查方法，其特征是，步骤(b)中采用相对亮度温度R进行亮度温度的归一化，从而实现不同时相间热环境遥感反演结果的可比性，R通常可以采用与区域平均亮度温度的相对差值进行计算最为便捷，即5 =,其中L为研究区第i个像元的亮度温度，Ta为研究区平均亮度温度，R为相对売度温度。
4.根据权利要求I所述的基于卫星遥感的工业热污染源调查方法，其特征是，步骤(c)中采用的相对亮度温度R的阈值具有经验性，根据实验结果，R小于O为非热岛区，R在0-0. 01之间被视为不显著，而在O. 01以上才被认为是显著的热污染而列为清查的对象，阈值的选取可能随研究区实际情况有所调整。
全文摘要
本发明涉及一种基于遥感的城市工业热污染源调查方法，具体即用冬季遥感卫星影像及辅助数据进行工业热污染源的提取和识别，具体步骤为a)选取监测区冬季中分辨率遥感影像，要求数据质量较好，监测区内晴朗无云，大气可见度高；b)使用中分辨率遥感影像热红外波段反演亮度温度，将反演得的亮度温度值进行归一化处理得到相对亮度温度；c)通过对相对亮度温度的阈值分割，实现对热污染区的分级分类；d)将热污染区分类图与辅助数据进行叠加，结合地面实地调查，进行工业热污染源的辨识，进而形成工业热污染源清单。本发明能够实现传统污染源调查手段难以实现的对高能耗、高热污染工业企业的调查，并且具有快速、便捷、全面、动态的特点。
文档编号G01S7/48GK102944880SQ20121045214
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月13日 优先权日2012年11月13日
发明者赵小锋, 王慧娜, 邓蕾 申请人:中国科学院城市环境研究所