（生态学专业论文）城市地表温度热岛遥感定量反演及其时空格局.pdf

u n i v e r s i t yc o d e ：10 2 6 9 s t u d e n ti d ：510 8 0 8 0 2 0 0 1 l a n ds u r f a c et e m p e r a t u r ea n d s p a t i o t e m p o r a l p a t t e r n so fs u r f a c eu r b a nh e a ti s l a n dr e t r i e v i n gf r o m r e m o t e l y - s e n s e di m a g e r i e s at h e s i st ob es u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri ne c o l o g y b y c a ol u s u p e r v i s e db y l i j u n x i a n gp h d d e p a r t m e n to fe n v i r o n m e n t a ls c i e n c e e a s tc h i n an o r m a l u n i v e r s i t y s h a n g h a i ，c h i n a m a y2 0 1 1 56叭52 09“iiii叭y 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文城市地表温度热岛遥感定量反演及其时空格局， 是在华东师范大学攻读碗硅博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或 撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说 明并表示谢意。 作者签名： 营铋 日期：z d l l 年月r 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 城市地表温度热岛 期间在导师指导下完成的 演及其时空格局系本人在华东师范大学攻读学位 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师范 大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门 和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允许学 位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采 用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文幸， 于 年 月 日解密，解密后适用上述授权。 ( 2 不保密，适用上述授权。 导师签名 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位 论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上 述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用 上述授权) 。 名 州 雠 沙 人本 重壁硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 达良俊教授华东师范大学主席 李德志教授华东师范大学 张庆费高级工程师上海市园林科学研究所 本论文研究得到国家自然科学基金项目 “城市景观格局与热岛效应相互关系的多尺度研究 ( 3 0 7 7 0 3 8 4 ) 资助 华东师范大学2 0 1 1 届硕士学位论文 城市地表温度热岛遥感定量反演及其时空格局 摘要 本文利用遥感和地理信息技术，采用光谱分解分析( s p e c t r a lm i x t u r ea n a l y s i s s m a ) 、地表温度反演等方法，利用1 9 9 7 ，2 0 0 0 和2 0 0 2 年的l a n d s a t 刑e t m + 遥感影像提取了地表温度、植被、地表不透水面率、水体等信息，分析上海城市 热岛的时空格局变化及其成因，探索植被和不透水面率在不同的城市发展密度下 与地表温度特征的关系。主要结论如下： ( 1 ) 1 9 9 7 - - 2 0 0 2 年，上海城市热岛随着城市化程度增加而呈逐年增加的趋势。 城市化导致低温区面积从1 9 9 7 年到2 0 0 2 年比例持续下降，次低温区和次高温区 面积逐年递增，并检测到市区有多个高温分布区，表明城市化导致上海城市热岛 呈多中心分布格局。 ( 2 ) 人口和城市景观变化是导致地表温度变化的主要原因。城市热岛的空间 分布区域均为人口密集分布区，以及高不透水面率区。植被可以显著缓解城市热 岛效应。 ( 3 ) 城市发展密度对植被和城市热岛有显著影响。城市发展密度越高，地表 温度的变异性越大，城市热岛越强，n d v i 随城市发展密度的增大而降低。 关键字：城市热岛；地表温度；光谱分解分析( s m a ) ；城市发展密度；n d v i 华东师范大学2 0 11 届硕士学位论文 城市地表温度热岛遥感定量反演及其时空格局 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，l a n d s a tt m e t m + i m a g e r i e sa c q u i r e di n19 9 7 2 0 0 0a n d2 0 0 2 c o v e r i n gs h a n g h a im e t r o p o l i t a nr e g i o n sw e r eu s e d t or e t r i e v el a n ds u r f a c e t e m p e r a t u r e ，t od e r i v ei m p e r v i o u ss u r f a c ea r e a ( i s a ) ，a n dn o r m a l i z e dd i f f e r e n c e v e g e t a t i o ni n d e x ( n d v i ) b yu t i l i z i n gs p e c t r a lm i x t u r ea n a l y s i s ( s m a ) a p p r o a c ht o a n a l y z es p a t i o t e m p o r a lp a t t e r n so fu r b a ns u r f a c eh e a ti s l a n da n dt h er e l a t i o n s h i p s a m o n gl s t a n dn d v ia n di s au n d e rd i f f e r e n tu r b a nd e v e l o p m e n td e n s i t y m ym a i n f i n d i n g sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h eu r b a nh e a ti s l a n de x h i b i t e da l li n c r e a s i n gt r e n dw i t hu r b a n i z a t i o nd e g r e e i ns h a n g h a im e t r o p o l i t a nr e g i o n sf r o m19 9 7t o2 0 0 2 t h eu r b a n i z a t i o nh a sr e s u l t e d i nc o n t i n u o u sd e c r e a s eo fa r e aw i t hl o w e rl s ta n di n c r e a s eo fa r e aw i t hh i g h e rl s t m u l t i p l ea r e a si nh i g hl s tw e r em o n i t o r e dd e m o n s t r a t i n gt h a tr a p i du r b a n i z a t i o nh a s r e s u l t e di nm u l t i c o r eu r b a ns u r f a c eh e a ti s l a n d sp a t t e r n si ns h a n g h a im e t r o p o l i t a n r e g i o n s ( 2 ) p o p u l a t i o na n du r b a nl a n d s c a p ed y n a m i c sa r et h em a i nd r i v i n gf o r c e so f l s tc h a n g e si ns h a n g h a im e t r o p o l i t a nr e g i o n s t h ed i s t r i b u t i o no fs u r f a c eu h ii s s p a t i a l l yc o n s i s t sw i t ht h o s eo fd e n s ep o p u l a t i o na n dh i g hp e r c e n to fi m p e r v i o u s s u r f a c ea r e a u r b a nv e g e t a f i o nc a ne f f e c t i v e l ym i t i g a t eu h ii ns h a n g h a i ( 3 ) u r b a nd e v e l o p m e n td e n s i t yc a l li n f l u e n c en d v ia n du h i l a n ds u r f a c e t e m p e r a t u r ei n c r e a s e sa n dh a sl a r g ev a r i a t i o n sw i t hp e r c e n t i s a ，w h i l en d v i d e c r e a s e sw i t hp e r c e n ti s a k e yw o r d s ：u r b a nh e a ti s l a n d ；l a n ds u r f a c et e m p e r a t u r e ；s p e c t r a lm i x t u r ea n a l y s i s ； u r b a nd e v e l o p m e n td e n s i t y ；i m p e r v i o u ss u r f a c ea r e a ；n d v i i i 华东师范大学2 0 1l 届硕士学位论文 城市地表温度热岛遥感定量反演及其时空格局 目录 摘要1 a b s t r a c t i i 第一章前言1 1 1 研究背景与意义： 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 城市热岛效应的成因 1 2 2 城市热岛效应检测方法 1 2 3 遥感技术在城市热岛效应研究中的应用 。3 1 3 研究目的、研究内容、研究方法与技术路线 4 6 1 3 1 研究目的。6 1 3 2 研究内容 1 3 3 研究方法6 1 3 4 技术路线 第二章研究区概况 8 9 2 1 研究区自然地理概况9 2 2 城市发展概况。9 第三章数据来源及预处理 l l 3 1 数据源1 1 3 2 数据预处理1 2 3 2 1 目9 像书 接1 2 3 2 2 几何校正 3 2 3 提取研究区影像 3 2 4 辐射定标 第四章基于s m a 模型提取不透水面及地表温度 i 1 理论基础 4 2 线性光谱分解模型提取不透水面和植被盖度图 i i i n b b ：2 ：2 华东师范大学2 0 1 1 届硕士学位论文 城市地表温度热岛遥感定量反演及其时空格局 4 2 1 最小噪音变换 4 2 2 纯净像元指数计算 4 2 3n 维观察仪选取端元 4 2 4 线性波谱分离 4 2 4 计算不透水面率 4 3 反演地表温度 4 3 1 反演地表温度的原理与方法 4 3 2 地表温度反演 第五章城市地表温度热岛时空格局 5 1 城市热岛整体特征 5 1 1 城市热岛空间分布特征 5 1 2 城市热岛时间变化特征 5 2 分析与小结 第六章城市熟岛与城市发展密度、n d v i 的关系 6 1 不同城市发展密度下的地表温度特征 6 1 1 划分城市发展密度 6 1 2 不同城市发展密度下的地表温度特征 6 2 城市发展密度、n d v i 和地表温度 6 3 分析与小结 第七章结论及存在的问题 7 1 结论 1 8 1 9 2 0 2 2 2 3 7 1 1 光谱分解分析( s l i a ) 的应用使得v i - s 这个概念模型得到了有效的应用4 0 7 1 2 城市熟岛时空变化特征 7 1 2 城市发展密度与城市熟岛、n d v i 的关系 4 0 4 0 7 2 存在的问题。4 1 参考文献 4 2 附 录一4 6 后记 i v 4 7 m 弘 拍 撕 鲫 引 够 弱 弱 ” 鲳 帅 蚰 华东师范大学2 0 1 1 届硕士学位论文 城市地表温度热岛遥感定量反演及其时空格局 1 1 研究背景与意义： 第一章前言 2 0 0 8 年世界上一半以上的人口居住在城市，到2 0 3 0 年城市人口的比例将达 到8 1 ( m a r t i n ea n dm a r s h a l l ，2 0 0 7 ) 。城市热岛效应是城市化的一个显著后果，并 随城市化的增加而增强( o k e 1 9 7 3 ) 。城市热岛因对城市气候和城市生态系统产生 多种不利影响，一直是城市生态研究的焦点问题之一。由于城市化进程的加快、 城市空间的扩展引起的城市热岛效应己引起了广泛的关注( r o t he ta l ，1 9 8 9 ； o w e ne ta 1 ，1 9 9 8 ：v o o g ta n do k e ，2 0 0 3 ) 。城市化把自然景观转变成了人为城市土 了 地，改变了地表物理特征。在这些影响中，最重要的就是地表温度的变化。地表 温度对于研究城市气候至关重要( v o o g ta n do k e ，2 0 0 3 ) ，相对于空气温度而言， 地表温度上升和下降的更快，与复杂的地表类型和城市地形等地面条件有更紧密 的联系( r o t ha n do k ee la l ，1 9 8 9 ；n i c h o l ，1 9 9 6 ；s t r e u t k e r , 2 0 0 2 ) 。城市景观的特点 之一是高度的景观异质性，异质景观包含多种下垫面，这些下垫面的特性差异很 大( s a i l o r , 1 9 9 5 ：a m f i e l d ，2 0 0 3 ) ，这给城市热岛的研究带来挑战。传统的城市热岛 研究是利用气象观测数据，这种手段受到观测数据、时间、人力物力、下垫面差 异大等多种因素的影响，给研究城市热岛的时空差异带来困难。卫星遥感能够获 取大范围内连续而同步的数据，是城市表面气候研究的重要手段( w e n g ，2 0 0 9 ) ， 由不同遥感传感器获取的遥感数据可用于定量提取地表温度、植被指数和其他地 表特性，已被广泛应用于城市热岛研究( g a l l oa n dm c n a be ta l 19 9 3 ；g a l l oa n d o w e n ，1 9 9 9 ) 。 城市地表辐射的吸收与释放与土地利用和土地覆盖有密切关系。城市景观中 的每种组成都显示出独特的辐射，热能，湿度和空气动力学的特征，而且与其周 围的环境相关联( o k e ，1 9 8 2 ) 。植被是控制地表温度最具影响的因素之一，其丰度 影响太阳辐射在可感热和潜热通量间的分配( w e n ge ta 1 ，2 0 0 4 ) ，其斑块分布、大 小和表面特征差异会影响覆盖区和裸地之间地表温度的差异f w o l l e n w e b e r , 1 9 9 5 ) 。伴随着城市化建设的加快，城市中以植被为主的自然景观逐渐被各种人 华东师范大学2 0 11 届硕士学位论文 城市地表温度热岛遥感定量反演及其时空格局 工不透水建筑所代替，不透水面比例显著提高，导热率增加，导致城市热岛效应 不断加剧( 徐涵秋，2 0 0 9 ) 。v - i s ( 植被不透水面土壤) 模型认为城市土地覆盖主 要是植被，不透水面，土壤三种组分的组合( r i d d ，1 9 9 5 ) ，探讨这些组分在遥感 光谱特征方面的差异和联系，将有助于理解城市热岛格局及变化规律。 随着中国城市化进程的加快，城市建设区域面积迅速增长，城市规模和空间 结构均发生了巨大变化( 周红妹等，2 0 0 8 ) 。上海作为中国城市化程度最高的城市， 其城市化导致的热岛效应己非常明显( 葛伟强等，2 0 0 6 ) ，热岛效应造成的能源紧 张、空气污染加剧、对人体健康的危害等问题日益凸显，阻碍了上海的可持续发 展和生态城市的建设。因此，利用卫星遥感数据深入研究上海城市热岛格局的长 期变化趋势，有助于从城市空间格局变化中寻找导致城市热岛的根本原因，从而 为城市的环境改善，城市规划和建设提供科学依据。 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 城市热岛效应的成因 城市热岛效应即城市中心的温度比郊区高的现象，是首先由英国人l u k e h o w a r d 对此现象进行了描述，并在伦敦的气候中将其称作热岛效应。此后， 城市热岛效应受到了专家的广泛关注，纷纷开展了对热岛效应的研究( h o w a r d ， 1 8 3 3 ) 。城市热岛效应的产生及演变与城市地表覆被变化、人类社会经济活动密 切相关，是城市生态环境状况的综合概括与体现( 戴晓燕等，2 0 0 9 ) ，几乎存在于 每个城镇q b ( l a n d s b e r g ，1 9 8 1 ) 。在世界范围内，城市化进程不断加快，城市范围 进一步扩展，农村人口大量涌入城市，城市热岛现象愈发严重( 康文星等，2 0 1 1 ) 。 因为城市景观中有房屋，道路，停车场和其他一些铺设表面，所以通常吸 收更多的太阳辐射，具有更大的热导率和容量，在夜间释放白天储存的热量。这 个过程导致了气候的变化，城市的温度比周围郊区的温度高，被称为城市热岛效 应( v o o g ta n do k e ，2 0 0 3 ) 。另外各种人类生产、生活活动如居住、交通和工业等 释放出大量的热，也促进了城市热岛的产生( w e n g ，2 0 0 1 ) 。城市热岛受到城市中 土地覆盖类型的影响已形成了共识并在多个研究中得到验证，工业用地和裸露的 地面通常具有较高的地表温度，而农田等有植被覆盖的区域的地表温度则较低 ( r o t he ta l ，1 9 8 9 ) 。s o n g y o u n g b a e ( 2 0 0 5 ) 对b u n d a n g 城镇中的各类土地利用的研 2 华东师范大学2 0 1 1 届硕士学位论文 城市地表温度热岛遥感定量反演及其时空格局 究中发现，地表温度最低的是森林，居住和商业地区的地表温度最高，交通设施 用地其次；由于城市中的水分蒸发较郊区有所减少，也是热岛产生的重要因素 ( s t r e u t k e r , 2 0 0 2 ) 。c h e n 等( 2 0 0 6 ) 分析了珠江三角洲1 0 年来的土地利用土地覆盖变 化对城市热岛的影响，发现裸地，半裸地和开发区的温度要高于其他用地类型。 城市中地面温度热岛是受到其发展密度、大小和生态背景的影响的。i m h o 麟 ( 2 0 1 0 ) 发现在建于以温带阔叶林和混交林为主导的生境的城市，生态背景对夏季 白天热岛效应的强度影响很大。对于所有的城市，不透水面是温度升高的主要驱 动因素。陈峰等( 2 0 0 8 ) 提取城市植被覆盖度与不透水面表征城市下垫面，对比研 究了北京、上海、沈阳和武汉等4 个大城市的夏季城市热岛相对强度与城市下垫 面的空间分布关系。结果显示，植被覆盖对城市热岛的缓解效果与不透水面对城 市热岛的增强作用均呈分段线性特征，但区域差异较为明显。 ? 城市结构与人为热排放也是城市热岛的主要影响因素，城市结构吸收和再辐 射太阳辐射( r i z w a ne la 1 ，2 0 0 8 ) ，人类的生产和生活都要放出大量的热，其中包 括来自机动车辆、工业生产、居民烹调及建筑物向外散发的热量等，对城市热岛 的形成有重要的作用( 彭少麟等2 0 0 5 ) 。有人为热排放的同时，大量污染气体也 被排放到空气中，其中c 0 2 能强烈吸收地面长波辐射，并能增加大气对地面的长 波逆辐射，加剧城市热岛强度f 彭少麟等，2 0 0 5 ) 。 1 2 2 城市热岛效应检测方法 在早期对热岛效应的研究中，多采用气象资料法，指通过城市和郊区气象资 料来研究城市热岛的状况和动态，其中包括使用城市发展的长期气象资料进行分 析和对同一时期城市与郊区的气象资料进行对比( 康文星等，2 0 1 1 ) 。郭家林等 ( 2 0 0 5 ) 利用近4 0 年的地面观测资料，统计分析了哈尔滨各县市的年平均气温及 最高、最低气温的变化规律和差异，结果显示哈尔滨各县市增温幅度明显，主要 发生在2 0 世纪8 0 年代以后。 定点观测也是早期采用的方法，指通过短期布点观测资料进行分析，可以 从垂直和水平两个方向进行。一是可以通过探空气球，获得城市热岛的垂直结 构状况及其动态变化；二是利用小气候观测仪布设若干固定点进行观测。h u a n g 等( 2 0 0 8 ) 通过四个固定观测点观测获得的气温数据分析了南京四种用地类型( 裸 3 华东师范大学2 0 11 届硕士学位论文 城市地表温度热岛遥感定量反演及其时空格局 地、城市森林、水域、草地) 昼夜、不同月份及不同天气条件下对气温的影响。 流动观测法首先由奥地利的w s c h m i d t 等人采用，通常是在车辆上安装气 温测定传感器，并利用便携式的数据采集器采集数据，来分析城市和郊区的温度 差异。该方法能够利用有限的仪器获取多点的温度，利于城市温度断面的分析。 郭勇等( 2 0 0 6 ) 禾u 用流动观测法分析了北京城区内不同地表覆盖物对城市局地小 气候的影响和气象要素分布，结果显示此方法是常规气象观测资料的有益补充， 也是城市气候观测研究中的有效方法。 r a o ( 1 9 7 2 ) 首先证实了利用卫星热红外遥感数据能够区分出城市，并制作了 美国大西洋中部沿海城市的地面热场分布图。这在很大程度上推动了利用各种遥 感数据进行城市热岛研究的开展。各种传感器平台( 卫星、航空和地基) 都用来 进行地表城市热岛的遥感监测( 胡嘉骢和朱启疆，2 0 1 0 ) 。利用卫星遥感对地观测 技术的宏观、快速、周期性强等优点来获取土地覆盖信息，是一种成本效益比很 高的方法，也是近年来生态系统研究的一个应用热点( 徐涵秋。2 0 0 9 ) 。遥感监测 方法克服了传统方法的缺陷，具有多时相、范围广、能长期连续观测，不受气候 影响的特点，并且能够进行大范围地表温度测定，获取的观测资料时间同步性好 ( 李志乾等，2 0 0 9 ) 。 模拟分析法是指运用统计模型、能量平衡模型、数值模型、解析模型和物 理模型来进行对城市热岛效应研究的方法，能够通过模型寻找规律，揭示城市热 岛的发生机制，已成为研究城市热岛的有效手段。其中有代表性的是以热力学和 动力学为理论基础的边界层数值模式，能够进行对地表能量平衡和温度场时空变 化分析( 胡嘉骢和朱启疆j2 0 1 0 ) 。杨玉华等( 2 0 0 3 ) 利用三重嵌套网格的中尺度模式 m m 5 模拟了北京冬季的热岛，结果显示m m5 模式对北京的热岛及热岛环流具有 较好的模拟能力。 1 2 3 遥感技术在城市热岛效应研究中的应用 城市热岛效应从其研究范畴来说包括城市边界层热岛( b o u n d a r yl a y e rh e a t i s l a n d ，b l h i ) 、城市冠层热岛( c a n o p yl a y e r h e a ti s l a n d ，c l h i ) 和地表温度热岛 ( s u r f a c eu r b a nh e a ti s l a n d ，s u h i ) ( v o o g ta n do k e ，2 0 0 3 ) 。地表温度热岛比气温热 岛具有更高的时空分异性，对地表特征和人类活动更加敏感，并且可以利用热红 4 华东师范大学2 0 1 l 届硕士学位论文 城市地表温度热岛遥感定量反演及其时空格局 外遥感探测( 谢苗苗等，2 0 11 ) 。利用卫星遥感对地观测技术的宏观、快速、周期 性强等优点来获取土地覆盖信息，是一种成本效益比很高的方法，也是近年来生 态系统研究的一个应用热点( 徐涵秋，2 0 0 9 ) 。r a o ( 1 9 7 2 ) 最早提出利用卫星遥感观 测城市热岛现象，对于利用各种遥感数据进行城市热岛研究有非常重要的意义。 n o a a a v h r r 数据主要用于城市热岛效应的大尺度研究( b a l l i n g j ra n db r a z e l 。 19 8 8 b ；g a l l oe ta l ，1 9 9 3 ；k i d d e ra n dw u ，19 8 7 ；r o t he ta l ，l9 8 9 ；s t r e u t k e r , 2 0 0 2 ) 。 b a l l i n g 等( 1 9 8 8 ) 禾u 用a vh r r 图像分析了阿塞拜疆地区辐射温度的分布，证明地 表辐射温度的分布跟土地利用类型特征具有相关性。a s t e r 传感器可以接收白 天、夜晚的热红外遥感影像，通常被用来分析夜间的热岛空间格局( n i c h o l ，2 0 0 5 ) 。 l ua n dw e n g ( 2 0 0 5 ) 通过分析多时相a s t e r 影像探究城市环境中热特性及其与生 物物理因子的关系。然而地面分辨率为l k m 的a v h r r 对于精度要求较高的城市 热岛研究显得有些不足，1 2 0 m 分辨率的l a n d s a tt m ( l a n d s a te t m + 6 0 m ) 数据则被 许多学者采用来进行热岛效应研究。l a n d s a t5t m 数据的热红外波段分辨率为 1 2 0 m ，l a n d s a t7e t m + 数据的热红外波段分辨率为6 0 m ，更适宜分析研究城市热 环境的细部特征，有利于研究热岛的空间分布( 许兆军，2 0 1 0 ) ，是目前相关研究 应用最广的数据来源。x i a n 等( 2 0 0 8 ) 利用正射影像和中分辨率的l a n d s a t 影像及 其他地理信息，得到美国佛罗里达州的坦帕湾和内华达州的拉斯维加斯的三个城 市地区的地表参数。 但是想要研究城市小尺度上的地物热特征，就存在混合像元的问题，一个 像元内可能包含不止一个地物组分，不同组分具有不同的反射率，提取混合像元 内每个地物组分的反射率受到辐射分辨率的限制，从而也不能够提取混合像元内 的各组分地物的真实温度。r i d d ( 1 9 9 5 ) 概述了一个利用多种数据源，在不同的空 间尺度中对城市的进行比较的方法。这就是v - i s ( 植被一不透水面土壤) 模型， 这个模型是基于三种土地利用：植被、不透水面、土壤和水的光谱分化提出的。 这三种覆盖类型的物理特征也是各不相同的。每种类型在城市生态系统中都有独 特的能量和水分反应( g l u c he ta l ，2 0 0 6 ) 。w a r d 等( 2 0 0 0 ) 基于v - i s 模型对澳大利亚 昆士兰东南部的遥感影像进行非监督分类，准确率达到8 3 。m a d h a v a n 等( 2 0 0 1 ) 对泰国曼谷的t m 影像进行分类，发现v ，i s 模型对于改进分类非常有用。p h i n n 等( 2 0 0 2 ) 利用约束线性s m a 模型比较了传统的影像分类和航空影像解译，证明从 华东师范大学2 0 11 届硕士学位论文 城市地表温度热岛遥感定量反演及其时空格局 t m 影像中用s m a 提取的v - i s 比例影像比基于象元的分类方法和综合航片解译 的分类效果好。 1 3 研究目的、研究内容、研究方法与技术路线 1 3 1 研究目的 通过不同时期的上海市l a u d s a tt m e t m 遥感数据，反演城市地表温度和植 被指数、植被覆盖度、不透水面等生物物理参数，探索它们之间的相关关系，以 及地表温度的空间分布特征。 1 3 2 研究内容 本文利用l a n d s a tt m e t m 数据，借助遥感和地理信息系统技术，提取地表 温度，不透水面等城市地表信息，分析城市热岛的时空格局变化，以及城市热岛 与土地覆盖的关系。具体研究内容如下： 1 利用遥感影像提取三个时相的地表温度，对数据进行标准化并划分温度 等级，分析城市热岛在1 9 9 7 年到2 0 0 2 年间的时空变化格局。 2 叠加不同时相的地表温度图像，分析温度等级发生变化区域的特征。 3 选取适合研究区域的i s a 阈值划分城市发展密度区，分析在不同城市发展 密度区地表温度和n d v i 的特征。 1 3 3 研究方法 1 利用遥感方法，基于v _ i s 概念模型，通过光谱分解的方法( s m a ) 在软 件e n v i 中提取不透水面盖度和植被盖度图；利用热红外波段及植被盖度图反演 研究区地表温度；提取归一化植被指数( n d v i ) 、修正的归一化水体指数 m f n d w i ) 。 2 利用地理信息系统方法，在软件a r c g i s9 2 中，对地表温度和不透水面 率进行划分等级，并对图像进行叠加计算处理，分析城市热岛的时空变化特征。 6 华东师范大学2 0 11 届硕士学位论文 城市地表温度热岛遥感定量反演及其时空格局 3 利用统计方法计算不同城市发展密度区的平均地表温度和n d v i 值，分 析土地覆盖与城市热岛的关系。 7 华东师范大学2 0 11 届硕士学位论文 城市地表温度热岛遥感定量反演及其时空格局 1 3 4 技术路线 图1 - 1 本研究的技术路线图 f i g 1 - 1f r a m e w o r k o ft h er e s e a r c h 8 华东师范大学2 0 1 1 届硕士学位论文 城市地表温度热岛遥感定量反演及其时空格局 第二章研究区概况 2 1 研究区自然地理概况 本研究重点研究城市热岛效应的长期变化以及空间分布格局，探讨城市发 展、土地利用变化对热岛效应的影响，寻求缓解热岛效应的措施，故选取上海市 ( 崇明、长兴、横沙除外) 为研究区域。 上海位于北纬3 1 度1 4 分，东经1 2 1 度2 9 分，地处太平洋西岸，亚洲大陆 东沿，长江三角洲前缘，东濒东海，南临杭州湾，西接江苏、浙江两省，北界长 江入海口，长江与东海在此连接。交通便利，腹地广阔，地理位置优越，是一个 良好的江海港口。 上海属北亚热带季风性气候，四季分明，日照充分，雨量充沛。全年6 0 以 上的雨量集中在5 月至9 月的汛期。境内除西南部有少数丘陵山脉外，整体地势 为坦荡低平的平原，是长江三角洲冲积平原的一部分，平均海拔高度4 米左右。 陆地地势总体呈现由东向西低微倾斜( 上海统计年鉴，2 0 1 0 ) 。 2 2 城市发展概况 由于大量人口迁入和外来流动人口增长迅速，上海人口总量呈集聚和不断扩 大趋势。开埠时人口不足1 0 万；至2 0 0 9 年末，全市户籍人口已增加到1 4 0 0 7 万人，是解放初期的2 7 倍，占全国总人口的1 。2 0 0 9 年末，全市常住人口1 9 2 1 3 2 万人，其中外来常住人口5 4 1 9 3 万人。全市按常住人口计算的人口密度为每平 方公里3 0 3 0 人。 正在向现代化国际大都市目标迈进的上海，肩负着面向世界、服务全国、联 动“长三角”的重任，在全国经济建设和社会发展中具有十分重要的地位和作用。 土地面积仅占全国0 0 6 、人口占全国1 的城市，完成的财政收入占全国的八 分之一，港口货物吞吐量占全国的十一分之一，进出口商品总额占全国的四分之 一。2 0 0 9 年，全市人均生产总值达到1 1 4 5 1 美元，相当于世界上中等发达国家 或地区的水平。枢纽型、功能性、网络化重大城市基础设施体系加快建设。2 0 0 3 年至2 0 0 9 年，上海用于城市基础设施建设的投资占同期全社会固定资产投资的 比重为3 1 2 。城市基础设施网络不断完善，为进一步改善上海投资环境、扩大 对外开放、增强城市综合功能创造了有利条件( 上海统计年鉴，2 0 1 0 ) 。 9 华东师范大学2 0 1 1 届硕士学位论文 城市地表温度热岛遥感定量反演及其时空格局 根据0 7 年国家统计局发布的数据显示，2 0 0 6 年全国城市化水平比 提高4 8 个百分点。其中城市化水平最高的是上海，为8 8 7 。1 9 7 9 一 上海城市化面积增长幅度达1 0 6 4 ，城市用地占市域面积由3 9 5 增至 2 0 0 0 年后城市化进程加速增长( 尹占娥等，2 0 11 ) 。 1 0 华东师范大学2 0 11 届硕士学位论文 城市地表温度热岛遥感定量反演及其时空格局 第三章数据来源及预处理 3 1 数据源 本文采用了三个时相的t m e t m + 影像数据，获取时间分别是1 9 9 7 年0 4 月 1 1 日、2 0 0 0 年0 9 月18 日和2 0 0 2 年0 8 月2 3 日。其中1 9 9 7 年影像为l a n d s a tt m 数据，2 0 0 0 年和2 0 0 2 年影像为l a n d s a te t m + 数据：1 9 9 7 年和2 0 0 0 年影像为包 含整个研究区域的移动景影像，2 0 0 2 年影像为拼接影像。 l a n d s a t 主题成像仪( t m ) 是l a n d s a t 4 和l a n d s a t 5 携带的传感器，19 8 2 年发 射。l a n d s a t 5 每1 6 天扫瞄同一地区，即其1 6 天覆盖全球一次。影像包含7 个 波段，波段1 5 和波段7 的空间分辨率为3 0 米，波段6 ( 热红外波段) 的空间分 辨率为1 2 0 米。l a n d s a t 7 是1 9 9 9 年4 月1 5 日由美国航空航天局( 发射升空， 其携带的主要传感器为增强型主题成像仪( e t m + ) ，影像数据包括8 个波段， b a n d l b a n d 5 和b a n d 7 的空间分辨率为3 0 米，b a n d 6 的空间分辨率为6 0 米，b a n d 8 的空间分辨率为1 5 米。 表3 - 1t m 影像的波段特征 t a b l e 3 - 1b a n df e a t u r e so f t mi m a g e s 华东师范大学2 0 11 届硕士学位论文 城市地表温度热岛遥感定量反演及其时空格局 1 ( 蓝绿) 0 4 5 - 0 5 2 3 0 2 ( 绿色) 0 5 2 - 0 6 03 0 3 ( 红色) 0 6 3 0 6 93 0 4 ( 近红外) 0 7 6 - 0 9 0 3 0 5 ( 中红外) 1 5 5 1 7 5 3 0 6 ( 热红外) 1 0 4 0 1 2 5 06 0 7 ( 中红外) 2 0 9 2 3 5 3 0 8 ( 全色) 0 5 2 - 0 9 0 15 用于水体穿透，分辨土壤植被 分辨植被 处于叶绿素吸收区域，用于观测道路裸露土壤植被种 类效果很好 用于估算生物数量，尽管这个波段可以从植被中区分出 水体，分辨潮湿土壤 用于分辨道路裸土水，有较好的穿透大气、云雾的能力 感应发出热辐射的目标 对于岩石矿物的分辨很有用，也可用于辨识植被覆盖 和湿润土壤 得到的是黑白图象，分辨率为1 5 m ，用于增强分辨率， 提供分辨能力 3 2 数据预处理 3 2 1 图像拼接 图像拼接处理是要将有地理参考的若干相邻图像合并成一幅图像或一组图 像。在e r d a s 中，利用m o s a i ct o o l 工具，加载需要拼接的2 0 0 2 年1 1 8 3 8 和1 1 8 3 9 两幅影像。选择匹配方法为o v e r l a pa r e a s ，将两张影像拼接为包含研究区域上海 的一张影像。 3 2 2 几何校正 几何校正就是讲图像数据投影到平面上，使其符合地图投影系统的过程；将 地图坐标系统赋予图像数据的过程，成为地理参考。由于所有地图投影系统都遵 从于一定的地图坐标系统，所以几何校正过程包含了地理参考过程( 党安荣， 2 0 0 3 ) 。分别将三个时相的影像数据进行几何校正到w g s 8 4 n u t m 5 1 的投影坐标 1 2 华东师范大学2 0 1 1 届硕士学位论文 城市地表温度热岛遥感定量反演及其时空格局 系。 3 2 3 提取研究区影像 在e r d a s 中利用a o i 工具划出整个研究区域的边界，通过s u b s e ti m a g e 把 每个时相影像数据中的研究区域提取出来。 3 2 4 辐射定标 要对不同地点、不同时间和不同类型传感器获取的遥感数据进行定量比较 与应用，必须将图像d n 值转换成对应像元的辐射亮度值，才能够满足全球资源 和环境变化研究的需要，这个过程称为辐射定标。对影像数据的每个波段进行辐 射定标分为两个部分，首先将d n 转化成辐射亮度，公式如下 ( i)：andsat7handbook 厶= g 一如瓯，+ 召懈把 ( 3 ) 其中，厶为传感器高度的光谱辐射强度 w ( m 2 s r 岬) ，线，是影像的 像元值，g 础是增益因子( g a i nf a c t o r ) ( w ( m 2 s r 岫) ) d n ，召一础是偏益 因子( b i a sf a c t o r ) 【w ( m 2 盯岫) 。 在t m 数据头文件中，不同时间的增益和偏置参数的含义不同、量纲不同， 在使用的时候需要进行转换( 韦玉春和黄家柱，2 0 0 6 ) 。本文中用到的t m 数据头 文件中的参数如下表： 表3 3t m 影像原始参数 t a b l e 3 - 3i n i t i a lp a r a m e t e r so f t mi m a g e s 此表格中的参数在参与运算之前要进行以下转换：增益= 头文件中增益1 0 波段的宽度，偏置= 头文件中的偏置1 0 波段的宽度。得到以下t m 数据实际的 增益和偏置数值： 华东师范大学2 0 1 1 届硕士学位论文 城市地表温度热岛遥感定量反演及其时空格局 对e t m 数据进行定标时可以使用上式的另一种表述为： k 躐裟( q c 从- q c 一+ l ( 3 2 ) 其中：q c a l 为d n 值，l m a x 。为最大灰度值所相应的辐射亮度；l m i n x 为最小 灰度值所相应的辐射亮度；q c a a ) ( 为传感器接收到的最大灰度值，取值为2 5 5 ； q c a 为传感器接收到的最小灰度值，取值为1 。 再将辐射强度转换为大气层项反射率，公式如下( c h a n d e re ta 1 ，2 0 0 9 ) ： 7 l j d 2 办= e s u l n t c o s o , ( 3 3 ) 公式中，p z 为大气层顶反射率，厶为辐射强度值，d 为日地天文单位距离，醪洲五 为大气层项部的太阳平均辐照度，b 为成像时的太阳天顶角。 1 4 华东师范大学2 0 11 届硕士学位论文 城市地表温度热岛遥感定量反演及其时空格局 第四章基于s m a 模型提取不透水面及地表温度 4 1 理论基础 在城市发展的过程中，入射太阳辐射对显热通量和潜热的分配被改变了， 由于蒸散表面的减少使显热通量增加。植被多的地区潜热交换更多，而显热在植 被稀少的地区如城市不透水面更多( o k e 19 8 2 ) 。对地表温度的研究显示热通量的 分配和地表能量交换是由变化的地表土壤含水量和植被覆盖决定的( o w e nc ta 1 ， 1 9 9 8 ) 。城市景观中的各个组分都具有独特的辐射，热能，湿度和空气动力学的 特征，而且与其周围的环境相关联( o k e ，1 9 8 2 ) 。这些表面组份和空间复杂性镶嵌 在一起的时候，产生了无数的表面能量平衡和气候系统的组合( o k e ，19 8 2 ) 。这些 表面组份要比广泛应用的如t m 或e t m 传感器的分辨率小。空间分辨率与城市景 观结构相互作用，就产生了一个象元里有多种l u l c 类型的混合象元的问题。混 合象元被认为是影响利用遥感数据进行城市u 几c 分类和变化检测的一个主