（土壤学专业论文）杭州市热岛效应与植被覆盖关系的研究.pdf

图表目录 图1 1 城市热岛示意图( o k e ，19 8 7 ) f i g 1 - 1t h es k e t c hm a p o f u r b a nh e a ti s l a n d ， 图1 2 技术路线 f i g 1 2f l o wc h a r to f t h es t u d yp r o c e s s 一 图1 3 杭卅1 市地理位置图 f i g1 - 3t h eg e o g r a p h i c a ll o c a t i o no f h a n g z h o uc i t y - 图2 1 研究区示意图 f i g2 一lt h es k e t c hm a po f t h er e s e a r c ha r e a - 一 图3 - 11 9 9 4 年6 月2 9 目亮温分布图 f i g 3 - 1t h ed i s t r i b u t i o nm a po r b 下( j u n e2 9 ，1 9 9 4 ) ” 图3 22 0 0 4 年7 月2 6 日亮温分布图 f i g 3 - 2t h ed i s t r i b u t i o nm a po f b t ( j u l y2 6 ，2 0 0 4 ) 图3 - 31 9 9 4 、2 0 0 4 年杭州市热岛分布变化图 f i g 3 - 3t h ec h a n g eo f u h id u r i n g1 9 9 4 2 0 0 4 图4 11 9 9 4 年6 月2 9 日n d v l 分布图 f i g4 - 1t h ed i s t r i b u t i o nm a po f n d v l ( j u n e2 9 ，l9 9 4 ) 一 图4 - 22 0 0 4 年7 月2 6e l n d v l 分布图 f i g 4 - 2t h ed i s t r i b u t i o nm a po f n d v if j u l y2 6 ，2 0 0 4 ) 图4 - 3n d v l 放大示意图 f i g4 - 3e n l a r g e dn d v im a p i n1 9 9 4a n d2 0 0 4 ， 图4 41 9 9 4 年杭州市绿地分布图 f i g4 - 4t h ed i s t r i b u t i o nm a po f g r e e ns p a c ei nh a n g z h o uc i t y , 1 9 9 4 一 图4 - 52 0 0 4 年杭州市绿地分布图一 f i g 4 - 5t h ed i s t r i b u t i o nm a po f g r e e ns p a c ei nh a n g z h o uc i t y , 2 0 0 4 - 图4 - 61 9 9 4 年和2 0 0 4 年植被变化图 f i g4 - 6t h ec h a n g eo f v e g e t a t i o nd u r i n g1 9 9 4 2 0 0 4 t 图5 1 监督分类流程图 f i g 5 - 1t h ef l o wc h a ao fs u p e r v i s e dc l a s s i f i c a t i o n n i 三=竺篡篡=竺篇篡篡篡三篡 ；| ；| | | ；| | | 图5 - 22 0 0 4 年杭州市土地利用覆盖分类图 f i g 5 - 2c l a s s i f i c a t i o nm a po fl a n du s e ，c o v e ri nh a n g z h o u ，2 0 0 4 图5 3n d v i 与亮温回归曲线图 f i g 5 - 3t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nn d v ia n dbt 图5 4 平均n d v i ； 1 平均亮温折线图 f i g5 - 4t h ep o l y g o n a ll i n e so f a v e r a g en d v ia n dbt ， 图5 - 5 放大比较图一 图5 - 6 研究区n d v i 与亮温散点图 f i g 5 - 6t h es c a t t e rd i a g r a mo f n d v ia n db ti nr e s e a r c ha r e a 图5 7n d v i 一 i s 三角形空间( p r i c e ，1 9 9 0 ) ， f i g 5 - 7t h en d v i t st r i n g l es p a c e 表2 一l 各年份不同时相遥感原始资料基本参数1 0 t a b l e2 - 1t h eb a s i cp a r a m e t e r so f l a n d s a tt ma n ds p o tb a n d s 1 0 表2 - 2 t m 图像波段特征( 杨邦杰等，2 0 0 5 ) 1 1 t a b l e2 2c h a r a c t e r i s t i c so f t h el a n d s a tt mb a n d s ，11 表3 11 9 9 4 和2 0 0 4 年亮温各温区面积及其变化2 0 t a b l e3 - la r e a sa n dt h e i rc h a n g e so fd i f f e r e n tbtb e t w e e n19 9 4a n d2 0 0 4 2 0 表4 - 1 植被变化的类型、面积及所占比例3 1 t a b l e4 - lp r o p o r t i o n sa n da r e a so f d i f f e r e n t t y p e so f v e g e t a t i o nc h a n g e 3 1 表5 - 1 分类系统及样区特征，3 6 t a b l e5 一lc l a s s i f i c a t i o ns y s t e ma n ds a m p l ec h a r a c t e r i s t i c s 3 6 表5 - 2 各类型面积及所占比例和样点数3 9 t a b l e5 - 2p r o p o r t i o na n da r e a so f d i f f e r e n tl a n dr i s e c o v e rt y p e sa n ds a m p l es i z e 3 9 表5 3 各类型中样点的统计特征值3 9 t a b l e5 - 3t h es t a t i s t i cv a l u e so f s a m p l e s 3 9 表5 ，4n d v i 与亮温的拟台方程和决定系数r 2 4 0 t a b l e5 - 4f i t t e dr e g r e s s i o ne q u a t i o n sb e t w e e nn d v ia n db t 4 0 弛 弛 如 虮 甜 舵 舵 驼 钙 们 致谢 白驹过隙，转眼间就要告别我的硕士生涯了，当在硕士学位论文添上最后一 个句号时，心中久久难以平静。回首近三年的时光，往事历历在目，令人永生难 忘。值此机会，我谨向在硕士学习和论文撰写阶段关心过、帮助过和鼓励过的老 师、同学、朋友和家人表示最诚挚的谢意! 首先我要衷心感谢我的导师，浙江大学环境与资源学院徐建明教授，三年来， 从学位课程的安排、科研能力的培养到硕士论文的选题、资料的收集、研究方法 到论文写作、最后定稿，每一个环节都倾注了导师的心血与汗水。几年来，我不 仅从徐老师的教诲中进步了不少，还从老师的身体力行悟出了不少治学与做人道 理，这些都将是我人生中最宝贵的财富，永远激励着我不断前进。值此论文完成 之际，衷心感谢恩师的悉心指导、培养以及无微不至的关怀和帮助。 论文完成之际，我还要特别地感谢吴建军教授在整个研究生学习过程中给予 我的帮助。吴老师的耐心指导、孜孜不倦的教学态度让我着实感觉到了教书育人 的真正内涵；对论文的整体构建，研究细节的深入创新方面吴老师给予我的思考 和启发，拓宽了我的科研思路，使我的论文有了很大的进展；生活中吴老师对学 生无微不至的关怀更加令人难忘。 感谢黄昌勇教授、王人潮教授、章明奎教授、王珂教授、吴嘉平教授、周斌 副教授、沈掌泉副教授、许红卫副教授在研究生学习期间给予我的教导和帮助。 各位老师渊博的知识、豁达的胸怀、平易近人的高尚品格成为我学习的榜样。 感谢师母张蔚文老师、实验室所有师兄、师姐、师弟和师妹们，在课题研究 过程中给予我热心帮助。 还要特别感谢深爱我的父母和家人，感谢他们多年来对我的养育之恩，感谢 他们给予我的重大支持! 最后，向在我成长过程中所有关心和支持过我的老师、同学和朋友表示最真 挚的感谢! 同时向参加本论文评阅、评议和答辩委员会的全体专家、教授以及为论文答 辩辛勤工作的人员致以崇高的敬意! 本论文得到了浙江省科技计划项目( 2 0 0 5 c 3 3 0 4 5 ) 的资助。 黄金海 二0 0 五年五月于华家池 摘要 近几十年来，城市化进程迅猛，导致了一系列严重的城市环境恶化问题，城 市热岛效应正是其中之一。由于热岛效应的热动力作用，给城市带来了很多不利 影响，高温酷暑成为一种灾害性天气，严重扰乱了人们的正常生活和工作，成为 人民生活质量进一步提高和城市进一步发展的制约因素。深入研究城市热岛效应 的分布及变化规律，对缓解城市热岛效应，改善人们的生活环境，提高生活质量 具有重要的意义。本文在广泛综述国内外研究城市热岛效应方法的基础上，采用 1 9 9 4 年乖i2 0 0 4 年杭州市的两期遥感影像为主要数据来源，应用遥感和地理信息 系统技术，并结合自然、社会、经济统计数据及实地考察，研究了杭州市热岛效 应、杭州市绿地和植被与热岛效应的关系，并提出了缓解杭卅i 市热岛效应的措施 和建议。 一、杭卅i 市热岛效应的动态变化：利用1 9 9 4 年和2 0 0 4 年杭州市区域l a n d s a t t m 热红外波段信息详细分析了杭州城市下垫面夏季热场亮温分布规律，结果表 明：1 9 9 4 年市区热中心主要是市中心商业居住区、以杭州热电厂为中心的拱墅 区南部及以杭外锅炉厂为中心下城区的运河北岸等3 片i 到2 0 0 4 年市区热中心 位置发生了改变，并增加为4 片，原来市中心商业居住区的一片向南移到城站火 车站附近：其它两片位置基本不变，但与1 9 9 4 年相比热岛强度和范围有明显增 加；新增热中心是以乔司镇、下沙镇为中心，由绕城高速相连的研究区东部一。大 片新兴开发区，这里包括了乔司南部的物流中心和下沙经济开发区。分析热岛的 变化规律发现：城市热岛的范围随城市扩张而增大，2 0 0 4 年高温区、较高温区 的面积比1 9 9 4 年分别增加了2 96 和3 1 3 ：热中心并不在市中心，而位于能 耗大的工业区或车站。热岛的主要扩展是沿着交通线从城区向外扩展和在一些新 开发区呈片状扩展。由此认为，城市扩展、工业区建设是城市热岛效应的主要驱 动力，城市下垫面性质，“人为热”、废气排放共同影响热岛强度，而绿地对热岛 效应有减缓作用。 二、杭州市绿地分布及变化：利用t m 影像数据生成杭州市1 9 9 4 年和2 0 0 4 年的n d v i 图，分析杭州市绿地分布情况。通过波段组合的方法提取杭州市绿地 信息，运用差值分析方法研究绿地变化情况，结果表明，1 9 9 4 年研究区域绿地 面积4 5 9 9 24 3 万平方米，2 0 0 4 年绿地血积为4 0 1 6 38 5 万平方米。整个矸宄区域 从1 9 9 42 0 0 4 年十年删绿地真正减少的面积达1 2 78 2 k m2 ，其中9 39 的减少集 中在滨江医、江干区和萧山等新开发的城区，说明城市扩展是杭卅市柏被减少的 主要原因。在城市绿化方面，杭州市在1 9 9 4 2 0 0 4 年问，新增了6 9 5 42 i 万平方 米，城市绿化有了较大的改善，新建绿地主要集中在沿? 口j 、沿路和沿凸湖一带， 对城市的生态环境和景观美化起到了积极的作用。 三、杭州市植被覆盖与热岛效应的天系：通过比较亮温和植被的分布图，能 明显地发现热岛分布的变化与植被分布变化有极大的相似性，植被减少区域的媪 度相对会升高。在定_ 晕：研究中我们采用了类犁采样法探讨n d v i 与亮温的关系， 这是一种引八先验知识的采样方法。结果表明：从建设用地草地乔灌复台林 乔木林平均亮韫从高到低，平均n d v i 从低到高，两者问存在显著的负相关关系。 从变化趋势看由建设用地到乔灌复合林随着n d v i 增加，即随着植被增多。亮 温下降明显，而从乔灌复台林到乔术林这一趋势明显减缓。说明由n d v i 表示的 植被覆盖达到一定程度后，其缓解热岛效应的作用减弱。线性拟合结果表明n d v i 和亮温旱极显著负相关，回归分析得到n d v i ( x ) 和亮温( y ) 拟舍方程为y = 8 9 6 0 5 x + 2 4 4 8 1 ( r z = 0 4 0 9 4 ) 。研究区n d v i 与亮温的散点图很好地验证了地 表温度- 植被指数的三角形模型，说明1 r 植被、湿度共唰对地面温度产生影响。 关键蒯：城市热岛效应，l a n d s m t m ，亮温，n d v i ，类型采样法 第一章引言 城市是人类社会发展到一定阶段的产物，是人类改造自然环境，创造新的生 存环境的具体体现。随着经济和社会的发展，城市人口不断增加，城市规模也迅 速扩展，这些过程影响甚至改变了城市的环境。其中“城市热岛效应”就是一个 比较突出的环境改变问题。 1 1 城市热岛效应 1 1 1 城市热岛效应的概念 城市热岛最早见之于1 8 1 8 年英国l a k eh o w a r d 出版的伦敦气候一书( 陈 云浩，2 0 0 2 ) 。所谓城市热岛( u r b a n h e a t i s l a n d ) 是指城市中的气温明显高于外 围郊区的现象。在近地面温度图上，城区气温高，郊区农村气温低，城市宛如“岛 屿”矗立在郊区清凉的“海洋”上，因此就被形象地称为城市热岛。图i 1 清楚 地显示出从农村到城市的气温空间分布情况，由农村至城市边缘的近郊时，气温 陡然升高，形成“陡崖”，到了城市，温度梯度比较平缓，形成“高原”，到了市 中心，人口和建筑密度增加，温度更高，形成“山峰”。 气 温 图1 - 1 城市热岛示意图( o k e ，1 9 8 7 ) f i g 1 - 1t h es k e t c hm a po fu r b a nh e a ti s l a n d 城市发展到一定规模的时候，由于城市下垫面热容量大而使城市温度明显高 于周围非城区的温度，形成一个“高温孤岛”。城市热岛效应的强度与城市规模 的关系较为密切，随着城市的人口、面积、性质不同，热岛强度最大值一般在 2 - 7 。c ( 王桥，2 0 0 5 ) 。城市热岛反映的是城市化发展的个结果，也是一个温差 的概念，只要城市与郊区有明显的温差，就可以说存在了城市热岛。因此，一年 四季都可能出现城市热岛，城市化进程越快的地方，热岛效应越明显。而对于居 民生活的影响来说，主要是夏季高温天气的热岛效应( 周淑贞，1 9 8 5 ) 。 1 1 2 热岛效应对人类生产生活的影响 城市热岛效应会直接或间接地对城市其它气候要素产生多种影响，并对城市 居民生活和健康带来负面冲击。 在夏季，热岛效应对市民最直接的影响是气温过高使生活质量下降。医学研 究表明，环境温度与人体的生理活动密切相关，环境温度高于2 8 时，人们就 会有不舒适感；温度再高就易导致烦躁、中暑、精神紊乱；气温高于3 4 ，加 上频繁的热浪冲击，还可引发一系列疾病，特别是使心脏、脑血管和呼吸系统疾 病的发病率上升，死亡率明显增加( 谈建国，2 0 0 2 ) 。 另外，热岛效应还使城市耗电量和用水量大增，据有关统计：夏天降温要比 冬天升温用电量大得多。并且，热岛效应还会促使污浊空气回流、停滞在城市上 空，使市区空气质量下降并多云雾，给人们的生活、工作带来诸多不便。由于热 岛效应加重了城市高温出现的频率和高温灾害，并因此带来了巨大的经济损失。 盛夏高温会降低工作效率，而为了防暑降温，应用电风扇和空调致凉所消耗的能 量是十分可观的。美国的研究表明，气温每增高1 0 f ，空调致凉电能要多增加 2 0 。仅在洛杉矶市，约5 - 1 0 的耗电量被用于抵消热岛效应所带来的市区升温， 而全美国为此每年耗费达百亿美元之多( a k b a r i ，2 0 0 1 ) 。此外城市热岛效应还 对旅游业产生重大影响，对城市经济建设产生不良后果。 即使在冬季城市热岛效应也会给人们的生活带来诸多影响。城市热岛效应使 城市的相对湿度减小，使城市气候更加干燥。热岛效应能降低城市积雪频率和积 雪时间，易融化的积雪将给交通带来严重的影响。同时无霜期城市比郊区长，物 候的差别大约早1 0 天( 周淑贞，1 9 9 4 ) 。 1 2 城市热岛效应研究方法 到目前为止，研究城市热岛效应的方法主要有常规技术方法( 周淑贞，1 9 8 5 ) 和遥感技术方法( 李成尊，1 9 9 2 ) 。常规的研究城市热岛效应方法主要有地面观 测和空间模拟等。常规方法一般是指以散布在城区和郊区有限的地方气象台、站 和地面站点、地面流动( 迂回) 站观测资料为基础，应用统计学方法或数学模拟 方法来研究城市热岛的分布和变化特征。18 1 8 年l a k eh o w a r d 正是在地面观测 数据中最早发现城市热岛这一现象的( 陈云浩，2 0 0 2 ) 。周淑贞( 1 9 9 0 ) 利用历 年的气象资料研究了上海市近数十年来的气温变化，结果表明，上海市热岛效应 明显，上海城市发展使得热岛强度增大。焦敦基( 1 9 9 1 ) 利用上海市1 0 个城市 气象站和城市边缘气象站1 9 8 3 1 9 8 7 年的气温资料，研究了上海市区的热岛效应。 笈现市区温度梯度较城市边缘的梯度小，而在冬季时市区中心的温度梯度加大， 说明冬季的热岛强度比夏季大。李子华( 1 9 9 3 ) 利用1 9 8 9 年1 2 月到1 9 9 0 年1 月的1 3 个地面气象观测点，3 个系留气艇探测点数据，研究重庆城市热岛与湿 岛效应，发现重庆城市热岛与湿岛相伴随，其垂直结构表现为城市上空为一弯状 暖湿空气所笼罩，所及高度约离江面2 0 0 3 0 0 m ，日变化规律是，日落形成，午 夜最强，日出减弱，午后消散。热岛强度一般以晴天大，阴天次之，雨日最小， 低空最大，平均最大值2 2 ，地面小，最强时平均1 左右。 遥感技术方法主要指在航空、航天遥感中利用热红外传感器对城市地表温度 进行大面积观测( 李成尊，1 9 9 2 ) 。r a o ( 1 9 7 2 ) 首先提出应用卫星热红外波段 研究城市热岛，最初是利用t i r o s - l ( i m p r o v e dt i r o so p e r a t i o n a ls a t e l l i t e ) 卫星 提取的热红外( 1 0 2 1 2 5 岬) 数据观测地表温度。b a i l i n g ( 1 9 8 8 ) 利用美国气象 卫星n o a a a v h r r 的热红外波段( c h 4 和c h 5 ) 研究了美国p h o e n i x 城市的地 表辐射温度，发现高度工业化区域比开矿区域地表温度高。许多学者进一步探索 利用遥感技术研究城市热岛的方法，l ij i a h o n g ( 1 9 9 8 ) 和覃志豪( 2 0 0 1 ) 研究 了利用l a n d s a t t m 6 数据演算地表温度的方法，得到更简单、有效的演算方程： n i c h o l ( 1 9 9 8 ) 利用t m 6 波段数据结合v i s c 软件和g i s 对新加坡的住宅区进行 了三维空间的亮温反演，获得了亮温的三维分布情况；k e i n e r ( 1 9 9 8 ) 利用神经 网络等技术提取热红外图像中相关信息，估算了海洋表面温度。 常规技术和遥感技术两种方法有各自的特点、优势与不足。相比较而言，常 规方法往往受观测站点限制，在研究时投入大、耗时、空间精度低( 赵俊华，1 9 9 4 ) ； 而遥感技术可阻大面积同步观测，具有快速、实时、经济和空间分辨率高等技术 优势。在城市热岛效应研究中，早期较多采用常规方法通过地而站收集温度信息， 而近年来，随着遥感技术的不断发展，越来越多的研究关注于利用遥感方法获取 城市的温度信息。总的来说，热红外遥感技术可以直观定量地研究城市热环境变 化，揭示城市热环境变化规律，同时可以较大程度地排除人为干扰。因此，利用 遥感技术研究城市热岛效应是种主流发展的趋势。本研究正是采用热红外遥感 技术来研究杭州市热岛效应。 1 3 城市热岛效应遥感研究进展 城市热岛的遥感研究，早期主要是利用美国气象卫星n o a a a v h r r ( 空间 分辨率为1 1k m ) 的热红外波段( c h 4 和c h 5 ) ( b a i l i n g ，1 9 8 8 ：r o t h ，1 9 8 9 ) 。 范心圻( 1 9 9 1 ) 利用n o a a 气象卫星资料，研究了北京城市热岛的季节变化及 城市热岛的内部结构及其与下垫面的关系。目前n o a a a v h r r 数据主要应用于 城市热岛的季节变化、昼夜变化等的动态璐测( 范心圻等，1 9 9 1 ；刘继韩等，1 9 9 1 ； 蔡孟裔等，1 9 9 1 ；c a l s o ne ta 1 ，1 9 8 1 ) 。 由于n o a a a v h r r 数据的地面空间分辨率较低，因此利用n o a a a v h r r 数据只能从宏观水平观测城市热岛现象和进行制图( l o ，1 9 9 7 ) ，无法对城市内 部微观的热环境进行有效的观测。而陆地资源卫星l a n d s m 的热红外波段 ( 1 0 4 1 2 5 p m ) 则弥补了n o a a 数据的空间分辨率低的缺陷( l a n d s a t 的t m 6 波段的分辨率达到1 2 0 m ) ，可以在更小的尺度内研究城市热环境的空间变化，更 准确地反映城市中的热场信息。 近年来在利用l a n d s a t 的热红外资料反演地表温度、研究城市热环境方面也 做了大量的工作。c a r n a h a n ( 1 9 9 0 ) 应用l a n d s a tt m 热波段数据研究了印地安 那州i n d i a n a p o l i s 城市区域地表温度特征，发现某一日期城市地域比乡村更低的 地表辐射温度；k i m ( 1 9 9 2 ) 应用t m 数据研究了华盛顿特区的城市热岛现象； 李旭文( 1 9 9 3 ) 利用陆地卫星遥感分析了苏南大运河沿线城市热岛现象，认为 t m 热红外图像能较好地揭示城市下垫面的微细热现象的景观结构，反映温度场 的分布，可为城市热环境质量评价提供信息；n i c h o l ( 1 9 9 4 ) 利用t m 数据的t m 6 波段对新加坡的一些住宅区进行了地表亮温反演；l ij i a h o n g ( 1 9 9 8 ) 利用t m 6 热红外资料研究了城市温度场分布与土地覆盖类型相关关系：陈云浩等( 2 0 0 2 ) 利用t m 热红外资料计算上海市亮温分布场，刑其热力景观、细部结构及其成因 进行了分析，认为辐射亮温能够代替地表温度进行城市热场分析。 1 4 选题依据 素以其优美的环境、怡人的气候享有“人间天堂”之美誉的杭州，曾多次出 现异常高温天气，成为夏季全国最高气温的城市之一，进入“火炉”城市行列。 扑面而来的股股热浪令“人间天堂”大打折扣。而且夏季经常有极端气温超过 3 9 。c ，高温酷暑成为一种灾害性天气，严重干扰了人们的正常生活和工作，成为 人民生活质量进一步提高和城市进一步发展的制约因素。近年来已有专家学者对 杭州市城市热岛效应进行了初步探讨，赵可新( 1 9 9 9 ) 、鲍淳松( 2 0 0 1 ) 和陈剑 峰( 2 0 0 4 ) 利用常规方法研究了杭州市热岛分布特征及变化趋势，结果表明杭州 市热岛效应十分明显，人工下垫面增加是气温增高的重要因素。鲍淳松( 2 0 0 2 ) 总结了两年多的地面观测结果对杭州市的热岛效应与绿地或绿化覆盖率的关系 进行了研究，研究结果表明，较高的森林覆盖率，有助于减轻热岛效应。目前的 研究大多采用常规技术方法，其温度的精度远低于遥感技术方法。 因此，很有必要利用遥感、g i s 等高科技手段对杭州市热岛效应进行深入的 研究并在此基础上提出积极有效的对策，缓解杭州城市热岛效应，从而改善人 们的生活环境，提高生活质量，同时也会间接地影响杭州市旅游业的发展，对维 持城市可持续发展具有重要的意义。 1 5 研究目的和技术路线 1 5 1 研究目的 本文主要研究了杭州市热岛效应及其与植被之间的关系，以期为杭州城市规 划、绿地建设提出合理化建议。研究目的如下： 1 ) 通过研究，完成杭州市城区热岛效应分布图，了解杭州市热岛的分布和 变化规律： 2 ) 通过提取杭州市绿地信息，分析杭州市绿地分布和变化规律； 3 ) 基于杭州市热岛效应与植被覆盖关系的研究，分析杭州市城区热岛形成 的原因及变化规律等，并针对性地提出相应措施，缓解热岛效应。 1 5 2 技术路线 根据多年陆地卫星t m 数据的热红外波段信息，可以提取城市热岛效应分布 图及其多年的变化图；通过对t m 数据绿、红和近红外波段信息提取及与s p o t 影像图融合，得到既有多光谱信息，又有较高精度的融合影像，结合g 1 s 技术 可获得杭卅l 市绿地分布及其质量等信息：在此基础上，开展热岛效应与植被关系 的研究，以确定不同植被及密度对城市热岛的影响，进一步提出缓解热岛效应的 有效措施( 图1 2 ) 。 多年t m 数据预处理 热红外波段信 息提取、拟合 s p o t 全色影像预处理 曩嚣嚣叫一影像融合波段信息提取l 髟1 豕袱百 城市热岛分布图 多年城市热岛时空变异图 土地 利用 现状 图等 资料 粤圈 城市热岛与城市植被关系研究 匿垂堕堕圜 图1 - 2 技术路线 f i g 1 - 2f l o wc h a r to f t h es t u d yp r o c e s s 1 6 研究区概况 1 6 1 自然环境状况 ( 1 ) 地理地貌 杭州是浙江省省会城市，位于中国东南部沿海地区，浙江省中部偏北，地处 长江三角洲南翼，杭州湾西端，钱塘江下游，京杭大运河南端，是长江三角洲重 要中心城市和中国东南部交通枢纽。北距上海1 8 0 公里，东距宁波1 6 8 公里。 杭州地貌类别多样，地势西高东低，西部、中部和南部属浙西中低山丘陵， 东北部是浙北平原。山地丘陵而积占6 5 6 ，平原占2 6 4 ，江、湖、水库占8 。 市区东北部为河网平原，江河众多，湖泊、池塘等水面星罗棋布，是典型的“江 南水乡”城市。 图1 - 3 杭州市地理位置图 f g 1 - 3t h eg e o g r a p h i c a ll o c a t i o no f h a n g z h o ac i t y ( 2 ) 气候水文 杭州属亚热带季风性气候，光温同步、雨热同季，四季分明，温和湿润，光 照充足，雨量充沛。年平均气温1 6 2 ，夏季平均气温2 8 6 c ，冬季平均气温 3 8 ：无霜期2 3 0 2 6 0 天；多年平均降水量1 1 0 0 1 6 0 0 毫米，虬春雨、梅雨 和台风雨为主，常年梅雨量35 0 5 5 0 毫米，约占全年的2 5 3 l ：年平均太阳 总辐射量在1 0 0 1 1 0 千卡平方厘米之间，日照时数1 8 0 0 2 0 0 0 小时。 杭州市域内河流较多，各河流主要分属两个流域：一是以新安江、富春江、 钱塘江为主干的钱塘江流域；二是以东苕溪、运河为主干的太湖流域。 钱塘江干流是浙江省的第一大河流，跨浙、皖、赣、闽四省，市境内全长 2 3 8 公里，占总流长6 0 5 公里的3 9 3 。苕溪干流瓶窑以上流域面积1 4 2 0 平方公 里，主流长7 6 5 公里，流经i 临安、余杭入太湖。京杭大运河古道( 杭申甲线) 4 92 l 公里，杭申乙线3 9 7 8 公里，市境内流域面积7 2 6 6 平方公里，沟通钱塘江 和太湖水系。杭州城区水网纵横交错，大小河道共有2 8 6 条，总长8 4 6 9 2 公里。 杭州城西水塘众多，形成独特的湿地地带。 1 6 2 社会经济发展状况 ( 1 ) 行政区划与人口 杭州是全国1 5 个副省级城市之一，被国家列为全国历史文化名城和重点风 景旅游城市。市辖8 个区( 上城、下城、西湖、拱墅、江干、滨江、萧山和余杭 区) 、3 个县级市( 临安、富阳和建德) 、2 个县( 桐庐和淳安) 。全市总面积1 6 5 9 6 平方公里。其中市区面积3 0 6 8 平方千米；2 0 0 4 年末全市户籍人口6 5 1 6 8 万人， 其中市区户籍人口4 0 1 5 9 万人；全市人口密度为每平方千米3 9 3 人，其中市区 人口密度为每平方千米1 3 0 9 人。2 0 0 4 年，全市户籍人1 2 1 出生率为9 ，2 6 。，死亡 率为5 2 7 ，自然增长率为3 9 9 。 ( 2 ) 经济发展 2 0 0 4 年杭州实现国内生产总值2 5 1 5 亿元，经济连续十二年保持两位数增长， 经济总量位居全国省会城市第二、副省级城市第三、全国大中城市第八。产业结 构继续得到调整，三次产业比例为5 5 ：5 3 ：4 1 5 。人均国内生产总值达3 8 8 5 8 元，财政总收入达3 9 5 7 5 亿元。2 0 0 5 年3 月中国社会科学院公布的中国城市 竞争力报告，杭州城市竞争力在内地2 0 0 个城市中排名第五位：2 0 0 4 年1 1 月 杭州被中央电视台评为“中国十大最具经济活力城市”。 杭州工业结构基本以食品加工、机械制造、电子通讯和纺织服装四大支柱产 业为主的。2 0 0 4 年规模以上工业完成工业销售产值4 0 8 36 亿元，全市规模以上 工业实现利税3 9 4 3 7 亿元，利润2 2 08 3 亿元。 2 0 0 4 年全市第一产业实现增加值1 3 9 1 亿元。实现农林牧渔业总产值2 0 8 2 7 亿元。都市农业发展良好。茶叶、花卉苗木、水产品、节粮型畜禽、蔬菜和竹业 等“六大优势产业”和水果、干果、蚕桑、药材和蜂业等“五大特色产业”共实 现产值1 4 0 5 9 亿元，占农业总产值比重6 75 。 杭州市旅游市场呈现繁荣景象。目前大力实施“旅游西进”战略，开通杭州 至新加坡及日本东京、大阪的国际航线，积极推进旅游国际化，成功举办国内旅 游交易会，旅游业发展明显加快。2 0 0 4 年旅游产业增加值1 5 6 亿元，占全市生 产总值的6 3 。全年入境游客1 2 3 4 1 万人次，旅游外汇收入5 9 7 亿美元，接待 国内游客3 0 1 6 万人次，同比增长8 7 。旅游总收入4 1 0 7 3 亿元同比增长2 6 。 ( 3 ) 社会发展 近几年杭州城乡居民生活水平、医疗保健、社会文化、基础发施等不断提高 和改善。全年市区居民人均可支配收入1 1 7 7 8 元，农民人均纯收入5 2 4 2 元：城 乡医疗保健体系基本健全，合作医疗覆盖率达到5 5 4 ；社会文化设施逐渐齐全， 拥有文化馆1 3 个，群艺馆2 个，公共图书馆1 1 个，博物馆1 2 个，剧场1 6 个， 音乐厅1 个：新闻出版、广播电视事业全面繁荣，2 0 0 4 年出版报纸1 1 亿份，各 类杂志7 6 0 0 万册，图书2 8 亿册。交通等基础设施逐步完善，逐步形成1 5 小时 经济圈，市区居民燃气用户气化率达2 ，农村自来水普及率达9 1 1 6 ，市区居 民人均居住面积1 25 平方米，农民人均住房面积5 2 7 平方米； 2 0 0 5 年末市区实有道路总长度l5 5 8 千米，实有道路面积2 8 9 5 2 万平方米， 分别比上年增长6 3 和1 3 3 。全面推进城市绿化建设，城市生态环境进一步 改善。全年扩绿面积达6 6 0 公顷，年末市区园林绿地面积达到9 8 5 5 公顷，公共 绿地面积达到1 9 6 1 公顷；建成区绿化覆盖率3 5 8 6 ，市区人均占有公共绿地面 积8 0 1 平方米。 第二章遥感数据源和影像预处理 2 1 数据源选择 遥感数据种类繁多，必须根据研究目的和实际需要选择合适的数据源，既要 便于进行热岛和绿地的动态监测，又要考虑投入成本和图像质量等因素。在实际 的应用研究中，一般选择的是几何畸变小、图像质量高( 无噪声、无云盖) 获取 季相相同或接近的多时相遥感图像，以提高变化监测的精度。本次研究选用 l a n d s a tt m 遥感影像作为多光谱影像数据源，分别获取了1 9 9 4 年6 月2 9 口和 2 0 0 4 年7 月2 6 日覆盖杭州地区的两个时相t m 影像数据；选择s p o t - 5 全色影 像作为高分辨率影像数据源，原始资料见表2 1 。 表2 - 1 各年份不同时相遥感原始资料基本参数 t a b l e 2 - 1 t h e b a s i c p a r a m e t e r so f l a n d s a l t ma n ds p o tb a n d s i n 1 9 9 4 6 2 9 h n 丌d s m a t5 3 01 2 3 。4 5 7 6 09 6 m 肿嚣 2 0 0 4 7 2 6 h n 删d s a t5 3 01 2 3 。4 5 7 ，11 9 3 9 嚣 z 蝴，z 佑麓髫 zs。，m 2 9 4 2 8 9 雩蝥 l a n d s a t 系列卫星自发射以来，凭借其良好的性能价格比，丰富的光谱信息， 快捷的图像更新周期和政府支持下的连续后续星计划等优势，成为土地利用覆 盖调查、农业估产、区域规划、森林火灾j j ；i 测等诸多方面应用最广泛的遥感数据 源。其中l a n d s a t 一5 采用高度为7 0 5 k m ，轨道倾角为9 8 度的太阳同步准回归轨道， 每1 6 天对整个地球观测遍。t m 为专题制图仪( t h e m a t i cm a p p e r ) 是美国陆 地卫星上挽带的一种改进型的多光谱扫描仪，采用光学机械扫描的方式获取地面 目标图像，瞬时视场为3 0 m ，地面观测宽度为18 5 k m ，数据通过跟踪与数据中继 卫星t d r s 传送到地面。t m 设有7 个波段，包含着十分丰富的地表信息。不同 波段对应不同地物在波段内的反射和辐射特性，可根据不同应用需要，进行多种 波段组合和专题信息的提取。表2 - 2 列出这7 个波段的特征。 表2 - 2t m 图像波段特征( 杨邦杰等，2 0 0 5 ) t a b l e2 - 2c h a r a c t e r i s t i c so f t h el a n d s a tt mb a n d s s p o t 卫星轨道是太阳同步的、同相位的、近极地近圆形轨道。轨道的太阳 同步可保证在同纬度上的不同地区，卫星过境时太阳入射角近似相同，以利于图 像之间的比较；轨道的同相位，表现为轨道与地球的自转相协调，并且卫星的星 下点轨迹有规律地、等间距排列：而近极地近圆形轨道在保证轨道的太阳同步和 同相位特性的同时，使卫星高度在不同地区基本一致并可覆盖地球表面的绝大 部分地区。其轨道高度为8 3 1 4 3 3 k m ( 北纬4 5 度附近) ，轨道倾角为9 8 7 2 1 度， 轨道周期为1 0 1 4 6 分圈，重复周期为3 6 9 圈2 6 天，降交点时间为地方时1 0 时 3 0 分。s p o t - 5 影像的高空间分辨率可以通过各种融合手段提供多光谱波段的精 度，从而提高影像分类精度。 其它相关参考资料还包括：杭州市l ：5 0 0 0 0 地形图、杭州市行政区划图和交 通道路图( 2 0 0 4 年) 、杭州市统计年鉴和其它社会经济统计数据。遥感图像处理 采用的是e r d a si m a g e8 6 软件，地理信息系统使用的是a r c 1 n f o8 3 软件。 2 2 遥感影像预处理 2 2 1 几何校正和配准 几何校正( g e o m e t r i cc o r r e c t i o n ) 就是将图像数据投影到平面上，使其符合 地图投影系统的过程( 党安荣，2 0 0 3 ) 。在遥感图像形成过程中，由于传感器高 度和姿势角变化、大气散射、地球曲率、地球自转、地形起伏等诸多因素的影响， 使图像存在一定的几何畸变和辐射失真现象，使用前必须消除。本次研究采用的 l a n d s a tt m 和s o p t 影像已在中国遥感卫星地面站进行过辐射校正和几何粗校 正，所阻只须进行以地面控制点为依据的几何精校正和配准。几何精校正是利用 地面控制点( g r o u n dc o n t r o lp o i n t ，g c p ) 对由各种随机因素引起的遥感图像进 行几何畸变的校正( 章孝灿，1 9 9 7 ) 。几何精校在几何精校正过程中涉及到几何 位置变换和图像灰度重采样两方面。 几何位置变换，目前主要的方法有多项式变换、共线变换和随机场插值变换。 一般我们采用多项式变换中的二阶多项式。二次多项式变换公式如下： ( 2 1 ) 静 归 卜， 域 其中：( x ，y ) 为待校正图像上的像元坐标，f 。，f y 为重采样校正畸变函数， ( u ，v ) 为校正图像空间中每个待输出像元点的位置，a 。b 。为待定系数，是利 用地面控制点的待校正图像坐标和参考坐标系中的坐标( 如地形图中的坐标) 按 最小二乘法求解的多项式系数，n 为多项式的阶数，n 取2 即为二阶多项式方程。 对于图像灰度重采样，目前常用的有最邻近点法、双线性内插法和三次卷积 法。三种方法各有优缺点：1 ) 晟邻近点法虽然能保持图像光谱信息不变，但其 几何校正精度差，校正后的图像亮度不连续，边界会出现锯卤状：2 ) 双线性内 插法具有计算简单，采样精度和几何校正精度较高，而且校正后的图像亮度连续， 但图像的光谱信息会发生变化，而且该方法具有低通滤波的性质，容易造成高频 成分的丢失，使图像变得模糊：3 ) 三次卷积法有很好的图像亮度连续和几何校 正的精度，而且能较好地保留高频成分，其缺点是亮度值改变而且计算量大、耗 时。 本研究中，以1 ：5 0 0 0 0 地形图为基准，在s p o t 全色影像上均匀选取控制点： 对于t m3 0 米多光谱数据以纠正后的全色数据为选点参考。不同纠正模型和不 同空间分辨率影像对控制点个数的需求不相同，我们对s o p t 影像选取6 0 个控 制，最后的几何均方差( r m s ) 被严格控制在0 3 个像元内：两景t m 影像则选 取4 0 多个控制点，几何均方差控制在0 5 个像元以内。控制点选取要求控制四 周、均匀分布，选取相对固定点，如：公路、铁路的交叉点、水库坝基、山脊交 点等。然后利用最邻近法对s p o t 和t m 影像进行重采样。所有影像的投影坐标 系都采用高斯克吕格投影和北京坐标系。 2 2 2 影像裁剪 在实际工作中，需要根据研究工作范围对图像进行分幅裁剪( s u b s e ti m a g e ) ， 按e r d a s 实现图像分幅裁剪的过程，可以将图像裁剪分为两类：规则裁剪 ( r e c t a n g l es u b s e t ) 和不规则裁剪( p o l y g o ns u b s e t ) 。规则裁剪是指裁剪图像的 边界范围是一个矩形通过左上角和右下角两点的坐标就可以确定图像的裁剪位 置；不规则裁剪是指裁剪图像的边界范围是任意多边形，无法通过左上角和右下 角两点的坐标确定图像的裁剪位置，而必须事先生成一个完整的闭合多边形区 域。不规则裁剪其实就是在规则裁剪后将这个闭合多边形区域以外的区域掩膜为 0 值，而不是空值( n u l l ) 。这些0 值将可能对后面的数值运算带来定的麻烦。