Estimation of Land Surface Temperature from Landsat-8 OLI Thermal Infrared Satellite Data. A Comparative Analysis of Two Cities in Ghana

This study employs Landsat-8 Operational Land Imager (OLI) thermal infrared satellite data to compare land surface temperature of two cities in Ghana: Accra and Kumasi. These cities have human populations above 2 million and the corresponding anthropogenic impact on their environments significantly. Images were acquired with minimum cloud cover (<10%) from both dry and rainy seasons between December to August. Image preprocessing and rectification using ArcGIS 10.8 software were used. The shapefiles of Accra and Kumasi were used to extract from the full scenes to subset the study area. Thermal band data numbers were converted to Top of Atmospheric Spectral Radiance using radiance rescaling factors. To determine the density of green on a patch of land, normalized difference vegetation index (NDVI) was calculated by using red and near-infrared bands i.e. Band 4 and Band 5. Land surface emissivity (LSE) was also calculated to determine the efficiency of transmitting thermal energy across the surface into the atmosphere. Results of the study show variation of temperatures between different locations in two urban areas. The study found Accra to have experienced higher and lower dry season and wet season temperatures, respectively. The temperature ranges corresponding to the dry and wet seasons were found to be 21.0985oC to 46.1314oC, and, 18.3437oC to 30.9693oC respectively. Results of Kumasi also show a higher range of temperatures from 32.6986oC to 19.1077oC during the dry season. In the wet season, temperatures ranged from 26.4142oC to -0.898728oC. Among the reasons for the cities of Accra and Kumasi recorded higher than corresponding rural areas’ values can be attributed to the urban heat islands’ phenomenon.

基于冠气温差的温室黄瓜蒸散量模拟

通过建立基于不同时刻冠气温差(T c-T a)的温室黄瓜日蒸散量(ET c)估算模型,分析了基于不同时刻T c-T a对估算ET c的准确性;同时,基于T c-T a构建了估算黄瓜不同生育期ET c的Jackson模型,并将模型估算结果与基于冠层阻力参数(r c)的Penman-Monteith模型及蒸渗仪实测数据进行比较,结果显示,基于14:00的T c-T a构建的Jackson模型,估算温室黄瓜ET c的精确度最高(R 2为0.937),误差最小(RMSE为0.722 mm/d);相比Penman-Monteith模型(R 2为0.964),基于T c-T a的Jackson经验模型对黄瓜ET c估算结果与实测值相关性更高(R 2为0.967),误差更小(RMSE为0.735 mm/d).研究结果可为温室ET c模拟以及节水灌溉智能决策提供科学依据.

大气压变化对采空区压力参数影响的研究

季节的更替会导致气温的骤变,影响地表气压的变化,地表气温昼夜温差大,气压变化明显,而井下气温、气压基本处于恒定状态,因此会造成两者之间压差急剧变化。矿井采空区密闭受地面大气压变化的影响,常常会出现呼吸性供氧,造成密闭内气体向外溢出,引起瓦斯超限事故;或者空气进入密闭后与密闭内的遗煤相互作用自燃后造成密闭内发生火灾,故采空区内的气压与地表大气压力息息相关。以大水头煤矿东107工作面密闭采空区为研究对象,通过1 d时间内的地表大气压、温度的变化与采空区密闭内的气压变化、采空区密闭内外的差压变化进行分析研究,得出采空区密闭内外差压变化的时间规律,可为采空区的抽采及防灭火方案的制定提供应用支撑。

严寒大温差地区大气降水对隧道洞口地表位移的影响

乌尉高速是G7北京~乌鲁木齐高速公路联络线G0711乌鲁木齐~尉犁~若羌高速公路主要组成部分,为连接天山南北的纵向大通道,全线具有严寒、大温差、四季常风、降水丰富等气候条件。通过对该线路前峡2#隧道在建隧道洞口地表位移方向、速度、累积量和天气情况进行中长期监测,探究降水与隧道洞口地表位移大小、方向之间的密切联系,并初步阐释其机理,以期为严寒大温差地区隧道的高精度监测及相关研究提供参考。

基于Landsat数据热岛效应与植被的关系研究——以开封市为例

随着城市经济的不断发展,城市热岛现象日益严重,不仅制约社会经济绿色健康发展,而且危害人体健康。基于Landsat5、Landsat8数据,利用大气校正法对河南省开封市地表温度进行反演,分析开封市热环境空间分布,并对该市植被覆盖度进行空间变化分析,以期为开封市城市绿色健康规划建设及缓解热岛效应提供借鉴。结果表明,开封市城市热岛效应明显,高温由开封市区向祥符区、尉氏县、通许县、杞县、兰考县扩散;从各区热环境分布看,开封市年平均气温和高温区面积均呈升高趋势,开封市中温区、次高温区面积显著增加,次低温区面积显著减少,城区气温增加速度大于郊区,为热岛的形成提供了热量基础。地表温度与植被覆盖呈负相关,因此在开封市经济建设过程中应对城镇土地使用合理规划、加强城镇绿地规划、增加城镇绿地覆盖度、选用透水地面铺装以缓解开封市热岛效应。

Adaptability of High-Yielding Rice Cultivars in Relation to Biomass Productivity under Moderately Water Stressed Upland Conditions

Recent studies have focused on the improvement of rice productivity under aerobic conditions for times when water resources and food production are limited. This study aimed to evaluate the adaptability of high-yielding rice cultivars to moderately water-stressed upland conditions in order to contribute breeding. A three-year field experiment in the temperate climate of Kyoto, Japan, indicated that the decrease in yield was mainly derived from a decrease in above-ground total dry matter (TDM) rather than a decrease in harvest index (HI). Although the decrease in TDM was mostly caused by a decrease in radiation use efficiency (RUE), we determined that the key to adapting high-yielding cultivars to upland conditions is intercepted radiation per day (IRPD), governed by leaf area index (LAI). Although the effect was not robust, LAI growth under upland conditions was associated with root length density. RUE was dependent on leaf water potential (LWP), indicating that a plant’s ability to maintain LWP under water-stressed conditions is important. The results also suggest the necessity of a canopy analyzer to evaluate LAI, as well as an infrared radiation thermometer to evaluate RUE. Performing such measurements during breeding efforts allows us to select for genotypes that are suitable for less stressed aerobic conditions.

光照与阴影对无人机热红外遥感监测土壤含水率的影响

为探究作物冠层受阳光直射或阴影遮挡对无人机热红外遥感诊断作物水分胁迫、监测土壤含水率的影响,该研究以不同灌溉处理的夏玉米为研究对象,将热红外图像划分为光照冠层、阴影冠层、光照土壤、阴影土壤4个部分,分别提取光照温度与阴影温度后计算了11:00、13:00、15:00的冠气温差(冠层温度与大气温度之差,ΔT)、作物水分胁迫指数(crop water stress index,CWSI)、蒸发比(潜热通量与有效能量的比值,evaporative fraction,EF),并对比了3种指数在不同时刻使用光照温度(ΔT_(L)、CWSI_(L)、EF_(L))与阴影温度(ΔT_(S)、CWSI_(S)、EF_(S))后对土壤含水率的监测效果变化情况。结果表明:1)3种指数的监测效果会随时间发生变化,11:00与15:00时EF监测效果较好,13:00时CWSI监测效果较好,ΔT的监测效果较差但随时间波动最小;2)拔节期在区分光照温度与阴影温度后监测效果在11:00时提升幅度最大,EF、EF_(S)、EF_(L)的R^(2)分别为0.54、0.65、0.78,CWSI、CWSI_(S)、CWSI_(L)的R^(2)分别为0.47、0.64、0.70,抽雄期与灌浆期使用光照温度对监测效果提升不大,但使用阴影温度的指数监测效果有明显降低,在13:00时CWSIS较CWSI有最大降幅,R^(2)降幅分别为0.11、0.06;3)在拔节期与抽雄期使用11:00的EFL,在灌浆期使用13:00的CWSI能取得最好的土壤含水率监测效果,验证期预测土壤含水率的R2分别为0.75、0.75、0.89。该研究可以为无人机热红外监测土壤含水率提供参考。

冬小麦遥感冠层温度监测土壤含水量的试验研究

在冬小麦主要生育期(2002年4月初到5月底),对不灌溉的冬小麦测定了冠层温度、地温、气温以及土壤含水量,计算了冠气温差且分析了冠层温度和冠气温差与不同土层厚度的土壤含水量相关关系。结果表明:14∶00的冠层温度能较好地反映20cm土层的土壤含水量变化,但与其它各土层相关性有较大的波动性;14∶00的冠气温差能较好地反映40cm以上土层的土壤含水量变化,二者的相关性很高,在20cm、40cm土层,两者相关系数R2分别为0 98866、0 99389,这为用区域遥感数据反演主要生育期冬小麦的冠气温差进而监测区域40cm土壤含水量提供了实验性的依据;拔节期和灌浆期,用14∶00冠气温差来拟合各土壤层的土壤含水量有较高的精度,从而为用区域遥感数据监测区域土壤含水量提供了经验性的模型。

北半球春季植被NDVI对温度变化响应的区域差异

利用1982年到2000年的探路者NDVI资料,采用奇异值分解分析方法,研究北半球春季NDVI对温度变化响应的空间差异。前7对模态对总的协方差平方和的解释率高达91％以上,反映出NDVI和气温的相关性非常高。第一对模态解释率达42.6％,显示北个球最显著的NDVI响应中心在西西伯利亚。其次是北美大陆,中心在其中东部。第三对及以后的模态反映的是次一级的空间特征。分析表明这些NDVI-温度的耦合模态受大尺度的大气环流系统的显著影响。9个重要的大气环流指标能解释整个北半球NDVI方差的55.6％,其中对欧洲、北美东南部、北美西北部、亚洲高纬以及东亚地区的影响最突出。因此,研究未来植被生态系统对全球变化响应的区域特征时,必须要考虑到这些环流系统的可能变化及其影响。

苹果树冠层-空气温差变化及其与环境因子的关系

于2002—2005年,采用红外测温仪观测得到苹果树主要生长季节冠层温度数据,结合同步观测得到冠层净辐射(Rn)、风速(V)、空气温度(Ta)和湿度(RH)等冠层微气象要素数据及0～80cm土壤含水量(SW),分析苹果树冠层-空气温差(△T)变化规律及其与环境因子的关系.结果表明:苹果树主要生长季节(萌芽期—果实迅速膨大期)晴天△T日变化呈多峰曲线分布,△T最高值都出现在12:00—13:00左右;阴天△T日变化呈多峰曲线分布,但△T绝对值明显低于晴天日.2003年和2004年晴天日14:00△T与Rn、V、RH及SW具有较好的复相关关系:ΔT=7.159-0.002Rn-0.061V-0.7RH-46.0SW(r=-0.825),与Rn、RH、V及SW的偏相关系数分别为0.125、-0.078、-0.036和-0.874,逐步回归方程式为ΔT=5.317-43.1SW,说明土壤水分对△T的影响程度相对最大.经2002年和2005年观测数据验证,△T观测值与计算值吻合关系较好,二者线性相关系数可达0.9083.这说明采用晴天日14:00时刻数据分析△T的影响机制,预测土壤水分含量具有很好的可行性.

冬小麦冠层温度及其影响因素探析

采用涡度相关法测定冬小麦农田潜热通量和显热通量 ,研究农田热量平衡各分量及风速对冠层温度和冠层 大气温差的影响结果表明 ,净辐射通量是影响冠层温度高低的主要能量因子 ,二者呈极显著线性相关关系 (α =0 .0 1) ,潜热通量、显热通量和土壤热通量对冠层温度的影响与天气状况有关 ,风速变化对冠层温度的影响作用不显著 ,而与冠层

喷灌条件下冬小麦冠层温度的试验研究

研究了喷灌条件下冬小麦冠层温度在不同土壤水分条件下的变化规律及其随作物生长发育期的变化状况。结果表明,在喷灌条件下,冠层温度的变化规律同普通灌溉的变化规律基本相同。当灌水量达一定程度后,冠层温度不再下降,反而呈现上升趋势;土壤水分对冠层温度的影响程度相对减小,不为主要决定因子;对于冬小麦,当灌溉量增加到一定程度时,反而不利于冬小麦的生长,水分利用效率也下降,在灌足底墒水和返青、拔节期均灌溉的情况下,小麦生长期间每次灌水量不宜过大,以每次灌水量不超过300m3/hm2为宜。

冬小麦冠层温度及其生物学性状对施氮量的反映

在大田试验下研究了0 kg/hm^2（N0）、120 kg/hm^2（N120）、240 kg/hm^2（N240）、360 kg/hm^2（N360）四个氮肥处理对冷型小麦陕229、暖型小麦NR9405、不稳定型小麦小偃22三个品种拔节至成熟期间的冠层温度、产量及其构成因素、灌浆结实期蒸腾速率的影响及关系。结果表明：各个生育期N0冠层温度皆高于氮肥处理,随着生育期后延差异有上升趋势,在灌浆结实后期达最大。拔节期各施氮量间差异不显著;孕穗-开花期总体表现为N240处理冠层温度最低,N120和N360差异不显著;灌浆结实前期为：N360〉N120〉N240,差异在0.1-0.6℃之间,中、后期总体为N120〉N240〉N360,差异在0.1-1.5℃之间。三品种间差异也在灌浆结实后期达最大,但小麦冷暖型不随着施氮肥的增加而发生根本变化。灌浆结实各个时期蒸腾速率与冠层温度呈极显著负相关;拔节至灌浆结实期的冠层温度同理论产量皆呈极显著负相关,在灌浆结实后期相关性达最大;产量构成因素中,穗粒数、成穗数与各个时期的冠层温度均呈显著负相关,分别在拔节期和灌浆结实后期相关性达最大,千粒重与拔节期冠层温度呈极显著正相关,与孕穗期和开花期冠层温度呈显著正相关。灌浆结实中后期的冠层温度在评价小麦产量上具有较高的可靠性,可作为指导田间施氮肥的一个指标应用。

太行山山前平原冬小麦和夏玉米灌溉指标研究

根据 1998～ 2 0 0 1年的田间试验 ,研究了太行山山前平原高产农区主要作物冬小麦和夏玉米耗水量与产量和水分利用效率的关系 ,确定了这两种作物不同生育期水分敏感指数和允许的土壤水分下限指标和有限供水条件下的优化供水制度。并通过对叶片水势和冠气温差的测定 ,建立了这两种指标与作物水分亏缺程度的关系 ,形成指导农田灌溉的土壤指标。

不同供水条件下冬小麦冠气温差、叶片水势和水分亏缺指数的变化及其相互关系

为了给以作物高效灌溉制度提供理论依据,对不同供水条件下冬小麦冠层温度进行了多年田间观测,模拟了以土壤水分条件为主导的冠气温差、叶水势、水分亏缺指数等的变化规律及其对影响因素的响应。结果表明,冬小麦各生育阶段不同供水处理冠层温度(T c)受土壤水分影响明显,处理间冠气温差(ΔT)差异极显著。叶水势(LW P)与ΔT、作物水分胁迫指数(CW S I)相关显著。LW P=-1.8M Pa,CW S I=0.40是指示冬小麦发生水分胁迫的关键性指标。综合各指标,为了达到节水目的,使ΔT维持在0^-4℃,可获得冬小麦产量最优值,此时冬小麦灌溉量下限应使土壤相对含水量达到58.7%。

叶温测量仪的研制及其在叶片参数测量中的应用

为探索植物自身水分状态,研究叶气温差与叶片厚度变化,自行研制了叶温测量仪,同时利用YI-201020植物叶片参数测量仪,对辣椒和花生不同生长阶段的叶片温度和叶片厚度进行监测,结合环境温度,并对各个生长阶段的叶气温差和叶片厚度作相关性分析,结果表明:传感器线性度为1%,回程误差0.02V,灵敏度为0.04V/℃,分辨力为0.3℃,仪器在测量范围0～90℃下最大示值误差为0.27℃,得到仪器的扩展不确定度为0.41℃;叶气温差和叶片厚度在各个时期都呈显著的正相关,其中成长期显著性最为明显。研究结果对植物物理学研究有参考价值。

基于无人机热红外图像的核桃园土壤水分预测模型建立与应用

为了解北方核桃园区的土壤水分状况,实现优化水资源配置的目的。该文于2016和2017年采用固定式热红外成像仪(A310 f)连续观测得到核桃主要生长季节午后(13:00和14:00)的冠层温度,并同步观测温度、湿度、辐射、风速、降雨量和0~80 cm不同土层深度的土壤体积含水量。并于2017年8月11日利用无人机热成像系统(TC640)对连续灌溉区域和干旱胁迫区域进行了图像采集。结果表明,40~60 cm土层深度可能是核桃树主要吸收水分的区域。冠层温度普遍高于空气温度,其变化范围在0~5℃之间,冠气温差与土壤含水量呈负相关,与太阳辐射呈正向关系,其中,土壤含水量的贡献值达到了75%。利用2017年13:00时的冠层与空气温差数据来建立的土壤水分预测模型,R2=0.64;同时,利用14:00时的实测数据对所建立模型进行验证,R2=0.61,表明该模型具有一定的拟合精度。最后,将模型用于诊断核桃区域水分状况,证明了其具有较好的实际应用效果。该研究首次将固定式热成像设备与无人机热成像系统相结合来研究树木的冠层温度,并成功实现了从理论模型到实际应用,从单株水平到区域尺度的转换。

夏玉米水分胁迫判别指标的研究

通过定点实验 ,研究了夏玉米不同水分胁迫条件下叶水势、冠层温度的变化特征 ,结果表明 ,土壤水分胁迫使夏玉米的叶水势降低 ,冠层温度升高 ,冠气温差增大。通过与良好供水的田块对照表明 ,叶水势和冠层温度可以作为作物水分胁迫的判别指标。

水分胁迫下水稻拔节孕穗期冠气温度差与产量及品质的关系

为明确不同土壤水分条件下冠气温度差与不同抗旱性水稻品种产量及品质的相互关系,本试验在大田环境下,以辽粳294、开粳1号为材料,在拔节孕穗期设置5个水分梯度处理。结果表明,水分胁迫显著影响水稻的冠气温度差,胁迫越重,冠气温度差绝对值越小;不同水分胁迫下,水稻冠气温度差日变化与气温、空气湿度密切相关;相同环境条件下,抗旱性弱的品种辽粳294的冠气温度差绝对值低于抗旱性强的品种开粳1号;水分胁迫下水稻冠气温度差绝对值与每穗实粒数、千粒重、结实率、产量、糙米率、精米率、整精米率、碎米率、食味值均呈显著正相关,与秕粒数呈显著负相关;辽粳294和开粳1号的土壤水势分别在-0.008^-0.015 MP和-0.02^-0.03 MP范围内达到水分临界水平,且此时平均冠气温度差分别维持在0.2℃和0.7℃,对产量影响不显著,说明这2个冠气温度差值可分别作为辽粳294和开粳1号在拔节孕穗期的节水灌溉指标。本研究为建立稻作节水灌溉指标,实现水稻灌溉精确定量奠定了一定的理论基础。

冬小麦冠气温差及其相关影响因素关系研究

在冬小麦主要生育期(2002年的4月初到5月底),对3个不同水分处理测定了冠层温度、气温以及土壤含水率和叶面积指数,并进一步计算了冠气温差并分析了冠气温差与土壤含水率和叶面积指数间的关系。结果表明:不同的灌溉措施对冠气温差的影响是有差异的;中午14:00左右在H2高度处(冠层之上)的冠气温差能反映作物的水分特征,可以用此时刻的实验结果来检验遥感数据反演冠气温差的精度;在60～80cm土层的土壤体积含水率能较好地反映中午14:00冠层之上冬小麦冠气温差的变化情况,不同水分处理二者的相关系数(R2)分别为0.60361(节水灌溉),0.95668(充分灌溉),0.84597(不灌溉);不同水分处理下的冬小麦主要生育期的叶面积指数与冠气温差也有一定的相关性,冠层之上二者的相关系数分别为:0.76082(节水灌溉),0.40548(充分灌溉),0.99499(不灌溉),这为区域上遥感反演作物冠气温差来监测土壤含水率及作物估产提供了依据。