（环境科学专业论文）基于landsat5+tm数据的西安市城市化进程与热岛效应关系研究.pdf

英文摘要 u r b a nh e a ti s l a n de f f e c tw i l ls e r i o u s l ya f f e c tt h eq u a l i t yo ft h ee n v i r o n m e n t ，s oi ti st h e s t u d yo f t h ei m p o r t a n tc u r r e n te n v i r o n m e n t a li s s u e s w i t ht h ea c c e l e r a t i n gp r o c e s so f u r b a n i z a t i o na n dt h ei n c r e a s i n gs i z eo ft h ec i t i e s ，t h eh e a ti s l a n dp r o b l e m si nx i a nh a v e b e c o m em o r ea n dm o r eo b v i o u s ，a n da tt h es a m et i m ei tw i l lb r i n gas e r i e so fi s s u e s ，s u c h a s ：h i g h t e m p e r a t u r ed i s a s t e r s 、f l o o dd i s a s t e r s 、i n c r e a s i n gp o l l u t i o n 、a f f e c t i n gh u m a n h e a l t h a n ds oo n t h e s ep r o b l e m sh a v en o to n l ya f f e c t e dt h ep e o p l el i v i n gi nc i t i e s ，p r o d u c t i o n ， l i v i n ge n v i r o n m e n ti ns o m ee x t e n t ，b u ta l s oo b s t r u c tu r b a nf r o mt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，s t a r tt h es t u d yo ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep r o c e s so fu r b a n i z a t i o ni nx i a na n d t h eh e a ti s l a n di sv e r yn e c e s s a r y t h i sw i l lh a v eav e r yi m p o r t a n tr o l ef o ru st oa l l e v i a t et h e h e a ti s l a n di n t e n s i t y , p l a nt h el a n du s et y p e sr a t i o n a l l ya n dt oi m p r o v et h el i v i n ge n v i r o n m e n t t h i sp a p e rt a k e sl a n d s a t 5t mi m a g e sb e l o n g e dt ot w od i f f e r e n tt i m e st oi n t e r p r e tt h e l a n du s ec l a s s i f i c a t i o n s 、t h eu r b a nh e a ti s l a n da n dn d v i 、m n d w ii nx i a nb yt h es u p e r v i s e d c l a s s i f i c a t i o na n ds p a t i a lm o d e lm a k e rt o o l so fe r d a s 9 2a n ds o m eo t h e rs o f t w a r el i k e e n v i 、a r c g i st oa s s i s t i to b t a i n st w og r o u p so ft h el a n du s ec l a s s i f i e dm a p 、t h er e l a t i v e l y i n t e n s i o ns p a t i a ld i s t r i b u t i o nm a po fu r b a nh e a ti s l a n da n d t h ed i s t r i b u t i o nm a po fn d v i 、 m n d w i t h r o u g hc h a n g ea n a l y s i s 、g i sa n a l y s i s 、 r a n d o ms a m p l ea n a l y s i s 、f i t t i n gr e g r e s s i o n e q u a t i o nm e t h o d 、m o v i n gs p l i t - w i n d o wa n a l y s i sa n d s o m ec o n t r a s t i v ea n dr e l e v a n ta n a l y s i s ， w ec a ns t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eu r b a n i z a t i o na n dt h eu r b a nh e a ti s l a n d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：w i t ht h ee x p a n s i o no fb u i l t u pa r e a si nx i a n ，t h es c o p eo fu r b a n h e a ti s l a n di sg r a d u a l l ye x p a n d i n g ，a n dt h eo v e r a l lt r e n di ss t i l lt h ；i tt h es u r f a c eb r i g h t n e s s t e m p e r a t u r ed e c r e a s e df r o mt h ec i t yc e n t e rt ot h ep e r i p h e r y ；t h es p a t i a ls t r u c t u r eo fh e a ti s l a n d c h a n g e df r o mt h el o c a lc o n c e n t r a t e dt y p ei n19 9 5 t ot h eb a l a n c e dd e v e l o p m e n to ft h eb r o a d c o n t i n u o u s t y p eh e a ti s l a n dg r o u p si n2 0 0 6 ，a c c o r d i n gw i t ht h ee x p a n s i o no f x i a nc i t y ；t h e s u r f a c eb r i g h t n e s st e m p e r a t u r eh a st h en e g a t i v ec o r r e l a t i o nw i t hn d v ia n dm n d w i ，t h e r e b y i n c r e a s i n gt h ea r e ao fv e g e t a t i o na n dw a t e r a r e ah e l p st or e g u l a t et h ei n t e n s i t yo fu r b a nh e a t i s l a n d k e yw o r d s u r b a nh e a ti s l a n d ，l a n d s a t 5t m ，b r i g h t n e s st e m p e r a t u r e ，n d v i ，m n d w i 2 两北人学研究生学位论文撰写格式及印刷规范 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人 允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：麴指导教师签名：么驾盗 撕歹年1 ) 月，6 日 唧年2 月日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：乡厶侈叩 1 一、 勘，年f 上月台日 西北大学硕上学位论文 第一章引言 改革开放以来，我国经济迅速发展，与之相伴的城市化进程不断加快，城市规模不 断扩大，热岛效应也日益明显，热岛效应及其带来的各种环境问题应运而生，世界各国 政府及学者越来越关注热岛效应，并且都在为研究这个问题展开行动。 1 9 5 8 年，英国科学家m a n l e y 首次提出了城市热岛( u r b a nh e a ti s l a n d ，u h i ) 的概念 【l 】。城市热岛效应是指由于城区过密的人口、建筑物、各种能源和污染源所引起的城区 温度比周围高的现象【2 l 。热岛效应产生的原因是多方面的，但主要原因是城市规模不断 扩大而导致的城市下垫面介质的改变、大量人为热排放以及温室气体的排放所造成的【3 j 。 同时，有利于减少热岛强度因素的植被、水体等在城市中的不断减少也增加了热岛效应 的强度。热岛效应是城市气候最明显的特征之一，也是反映城市生态环境质量的重要要 素之一，热岛效应现象的加剧已经变成了热岛问题，它会给人们带来一系列的危害，如： 高温天气出现的频率；高温灾害的发生；增加许多疾病的发病率从而影响人类健康；加 重污染，造成城市地区的近地层空气污染严重等等【4 】。 可见，对热岛效应的研究具有重要的现实意义。城市热岛效应对周围环境最明显的 影响是温度的变化，但是，传统的城市热场监测方法存在耗时、耗力、准确率低、周期 长、范围局限性大等缺点，而现代遥感技术的飞速发展为城市热岛效应的研究提供了一 个新的强有力的工具。遥感技术具有快速、全天候、全方位时时获取地面影像的特性， 拥有快速、准确、动态、覆盖面大、宏观性强、一致性好等许多优点，克服了传统方法 的不足。现在，利用遥感影像的热红外波段并结合遥感技术已经成为对城市热岛效应分 析与监测的重要手段。 近年来，在西部大开发政策的带动下，西安作为西北地区最璀璨的明星正逐步蜕变 成为一个国际化大都市。与此同时，西安这样的大城市热岛效应也非常显著，极大地影 响着城市环境质量。因此，展开对西安城市热岛方面的研究，是非常有意义和有必要的。 本文就基于l a n d s a t 5t m 数据应用遥感等技术对西安市城市化进程与热岛效应的关 系作具体研究。 第二章热岛效心得国内外研究发展概况 第二章热岛效应的国内外研究发展概况 1 8 3 3 年，英国气候学家l a k eh o w a r d 第一次在伦教的气候一书中对于伦敦城市 中心的温度比郊区高的现象进行文字记载，他还把这种气候特征称为“热岛效应”【5 j 。 m a n l e y 于1 9 5 8 年首次提出城市热岛( u h i ) 的概念。此后，美国、加拿大、日本以及西 欧等国家非常重视此类问题，世界各国学者都随之纷纷展开了对许多大城市的热岛效应 研究，我国也涌现出许多致力于这方面研究的专家学者。 长期以来，学者们对城市热岛效应问题进行了大量的研究，并且方法丰富多样，但总 结起来可分为传统技术方法和遥感技术方法两种。传统的方法主要有：对观测站的温度 资料进行对比分析从而得出城市热岛效应变化趋势的气温对比分析法；采取定点观测， 了解同一地区不同测试时间及同一时间不同测试点的气温变化情况，从而水平和垂直地 进行城市热岛观测的测试点法：应用计算机技术等模拟城市热岛效应分布和变化特征的 模拟法等等。直到1 9 7 2 年，r a o 6 】等人偶然发现i t o s 1 卫星的热红外数据能够识别热辐射 差异，并使用i t o s 1 卫星数据制作了美国大西洋中部沿海城市的地面热场分布图，从而 第一次证明通过分析遥感数据的热红外波段可以获得城市的热岛效应强度。之后，随着 遥感技术的快速发展，各种传感器平台应运而生，由卫星、飞机等获取的影像数据被陆 续用于城市热岛效应的研究中，主要有：n o a a a v h r r 、m o d i s 、a s t e r 、l a n d s mt m 、 l a n d s a te t m + 、c b e r s0 2i r m s s 等等。其中，n o a a a v h r r 气象卫星数据热红外波 段的地面分辨率为1 1 k m ，m o d i s 卫星数据热红外波段的地面分辨率为5 0 0 m ，主要用于 宏观分析城市热岛效应；l a n d s a t 5t m 卫星数据热红外波段的地面分辨率为1 2 0 m ， a s t e r 卫星数据热红外波段的地面分辨率为9 0 m ，c b e r s0 2i r m s s 卫星数据热红外波 段的地面分辨率为1 5 6 m ，l a n d s a t 7e t m + 卫星数据热红外波段的地面分辨率为6 0 m ，能 详细地分析城市内部热场结构。由于遥感技术可以大面积的测定地表温度，并且具有同 步、直观、宏观、定量等特点，克服了传统方法的缺陷，因此，随着当前高分辨率卫星 热红外遥感技术的发展完善，它在城市热岛研究中发挥着越来越重要的作用，许多学者 纷纷利用遥感技术开展有关城市热岛的研究工作。 目前，国内外许多利用热红外遥感对城市热岛效应的研究都有较大的进展。 国外利用遥感进行城市热岛效应研究起步较早，主要有针对热岛效应形成机制的研 究、使用大气模型对城市热岛的研究以及热岛效应对大气影响的研究等等，如：1 9 8 9 年 r o t h 7 】等人利用n o a a a v h r r 的热红外数据反演了北美西海岸几个城市的热岛强度； 2 两北大学硕士学位论文 东京大学的s h i r oo c h i 等人利用分辨率为5 0 0 m 的t e r r a m o d i s 热红外数据研究了东亚 五个特大城市的热岛效应情况【8 】；p r i c e 等人利用热容绘图数据分析了美国西北部地区城 市热岛效应的范围和强度【9 】；s o u s h ik a t o 等人基于a s t e r 和l a n d s a tt m 影像数据研究人 为热与太阳热对热岛效应的影响f l0 】；b a i l i n g & b r a z e l 禾f j 用a v h r r 数据的热红外波段研究 了美国p h o e n i x 地区的地表温度，以及地表温度与土地覆盖类型的关系【l l 】；s a i t o h , t s 等 人使用模型对东京的城市热岛效应状况进行了模拟【l2 】；s e r g i ut u m a n o v l 等人研究热岛 强度对中尺度大气模型及参数的影响【l3 】；c a r l s o n 利用白天与夜晚a v h r r 数据的热红外 波段研究了l o sa n g e l e s 地区温度的分布，并指出城市建成区的日夜温差大于郊区【1 4 j ： v r i s h a l id e o s t h a l i 研究t p u n e 的快速城市化对热岛造成的影响【l5 】；k i m 对华盛顿特区的城 市热岛效应问题通过研究表明地表反照率和湿度对地表能量平衡有较大影响6 j ；n i c h o l 利用l a n d s a tt m 数据对新加坡住宅区的微气候进行了地表亮温反演【1 7 1 等等。 国内对热岛效应的研究始于上世纪8 0 年代，起初主要是对北京、上海、广州等大都 市的基于气象学的城市热岛效应观测和分析研究，迄今为止已有多个城市开展过基于遥 感的城市热岛效应研究，研究的方面主要为：从宏观角度定性或定量地进行热岛效应分 布与强度分析、变化监测、热岛效应与植被指数或土地覆盖类型的相关性等等的研究。 具体有：周红妹使用n o a a a v h r r 的热红外数据对上海市的热岛效应分布和变化情况 进行了分析【1 8 1 ；王文杰等人基于l a n d s a tm s s t m l e t m 数据对北京市城市化发展与城市 热岛效应变化关系研究，旨在为城市合理布局，改善环境状况提供基本信息【l 刎；唐曦等 人利用l a n d s a t 7e t m + 数据对上海城市热岛效应与植被的关系研究【2 0 】；宫阿都等人基于 l a n d s a tt m 图像数据通过单通道反演算法对北京城市地表温度遥感进行反演，结果表明 北京市城市热岛效应显著【2 l 】；曹凯等人利用a s t e r 数据研究了南京夏季的热岛效应空间 分布情况，并提出了缓解办法t 2 2 】；张勇等人的c b e r s 0 2i r m s s 热红外数据地表温度反 演及其在城市热岛效应定量化分析中的应用【2 3 】；王情等人以石家庄为例结合r s 和g i s 技 术基于l a n d s a t 5t m 数据研究分析了热岛效应的分布与下垫面的对比关系并展望了城市 热岛效应的研究方向【2 4 l 等等。 可见，近年来国内外城市热岛的研究成果很丰富，未来，利用遥感技术来进一步研 究城市热岛效应的各类问题仍将是一个十分重要的方向。 3 第= 章研究e 概况及总体研究思踌与技术路线 第三章研究区概况及总体研究思路与技术路线 31 研究区概况 西安市是陕西省的省会。它介于北纬3 3 0 3 9 3 4 。4 5 ，末经1 0 7 4 0 1 0 9 。4 9 之间， 位于中国中部，西北地区东部，地处黄河流域中部的关中平原，秦岭北麓- 地跨渭河南 北两岸。城区南北约1 1 6 k i n 东西约2 0 4 k m ，总面积9 9 8 3 k m 2 ，现辖新城区、碑林区、莲 湖区、灞桥区、未央区、雁塔区、阎良区、i 临潼区、长安区、蓝田县、周至县、户县、 高陵县等9 区4 县行政区划图如图l 所示： 一 图1 西安市行政区划图 西安作为十三朝古都历来都是与世界各国进行经济、文化交流的莺要城市，经过建 国后5 0 # 年的建设和发展，西安市现有人d 7 4 1 万人，既是世界著名的历史文化名城， 也是西北地区规模最大、最为发达的大都市。 建国后至今，西安市已完成了三次城市总体规划，结合传统与现代的需要，确定了 相应的城市结构形态。第一次总体规划是在1 9 5 3 至1 9 7 2 年，保留唐长安城棋盘式和轴线 对称的格局，在保护历史文化遗址和文物的前提下，形成了东郁军工城、西郊电子城、 南郊文教区和北郊仓储区的城市格局，为后期的发展奠定了鑫好的基础。第二次总体规 划是在1 9 8 0 至2 0 0 0 年确立了以城墙内为中心，继续保留唐长安城棋盘式和轴线对称的 格局发展新区围绕老城的模式，城市范强开始向东南、西南两个方向扩展，构筑起西 两北大学硕上学位论文 安现代化城市的基本框架。第三次城市总体规划是1 9 9 5 年至2 0 1 0 年完成，在保持和发展 传统的城市格局与风貌的基础上，确定西安的城市形成一个中心城、多个卫星城，向外 围扩展、带状发展，快速路相连、生态区相隔的新格局口丌。 近年来，随着改革开放和西部大开发政策的大力支持，西安市更是全面高速发展， 城市化建设与改造大力进行，城市化进程不断加快，区域发展布局不断优化，现己形成： 新兴的高新技术产业开发区、经济技术开发区、曲江新区、沪灞生态环境保护区、古遗 址保护区、阎良国家航空高技术产业基地等，发展成为我国中西部地区重要的科研、教 育、国防科技工业和高新技术产业基地，具有重要的战略地位。另外，西安市区周边的 高陵、韦曲、临潼、阎良、蓝田、周至、户县等多个区县，均发展态势良好，已具有一 定的规模，能够为人们提供更广阔的人居与休闲空间。 但是，目前西安市的城市形态还存在一些问题，如：城市发展主要集中于中心城市 范围内，老城区利用强度过大；南郊、北郊开发度偏高；东郊、西郊开发利用率偏低； 土地利用整体失衡等等。未来，西安的发展势必还将继续实行多中心分散式的城市结构。 3 2 总体研究思路 本论文采用两景不同年代的l a n d s a t 5t m 数据为数据源，利用遥感图像处理软件与 技术，通过预处理、分类、建模等方法提取所需的信息，并通过各种分析方法探讨西安 市城市化进程和热岛效应的关系。 研究的方面主要有： 1 利用e r d a s 9 2 及e n v l 4 2 对遥感数据的预处理： 2 利用e r d a s 9 2 的监督分类技术【2 引，获取1 9 9 5 年和2 0 0 6 年的西安市土地利用分布 图： 3 。基于地表亮温提取算法，利用e r d a s 9 2 的空间模型技术，将热红外波段的灰度值 转变为亮温值，获取1 9 9 5 年和2 0 0 6 年的西安市地表亮温分布图； 4 利用e r d a s 9 。2 的空间模型技术提取植被覆盖指数，获取1 9 9 5 年和2 0 0 6 年的西安市 植被覆盖图： 5 利用e r d a s 9 2 的空间模型技术提取水体覆盖指数，获取1 9 9 5 年和2 0 0 6 年的西安市 水体覆盖图； 6 利用a r c g i s 的分析功能【2 9 1 以及变化分析的方法，获取1 9 9 5 年和2 0 0 6 年西安市城 区扩展区域及具体扩展情况； 5 第三章研究区概况及总体研究思路j 技术路线 7 利用随机样本分析、拟合回归方程的方法研究植被覆盖指数与地表亮温的关系以 及水体覆盖指数与地表亮温的关系； 8 利用对比分析法、移动窗口法从定性和定量的角度研究1 9 9 5 年至2 0 0 6 年西安市热 场的变化情况； 9 基于上述理论与实践基础，从热场的分布特征入手，通过对两个年代热场状况的 对比与相关分析，揭示西安市城市化进程与城市热岛效应的内在关系； 1 0 评价该研究方法的优点与不足，并提出缓解西安市热岛效应的措施。 3 2 总的技术路线 技术路线如图2 所示： t m 6t m 5 、4 、3t m 3 、4t m 【2 、5 按照研究区域裁切按照研究区域裁切按照研究区域裁切按照研究区域裁切 影像增强影像合成与增强影像合成影像合成 窄间建模选择训练区、训练样本空间建模窄问建模 亮温反演监督分类n d v i 提取m n d w i 提取 热力场变化分析城市建成区提取及变化分析植被与热场关系分析水体与热场关系分析 城市化进程与热岛效应关系的分析 图2 城市化进程与热岛效应关系研究技术路线图 6 西北大学硕士学位论文 4 1 数据源介绍 第四章数据源与研究方法 作者本想使用不同时相的l a n d s a t 7e t m + 数据来进行研究，因为它的热红外波段分 辨率较高，为6 0 m ；其它波段分辨率为3 0 m 。但是，由于2 0 0 3 年之后l a n d s a t 7 卫星的e t m + 扫描行部件s l c ( s c a nl i n ec o r r e c t o r ) 发生故障，导致l a n d s a t 7 的影像出现坏行，难以 正常使用。而2 0 0 3 年之前的l a n d s a t 7e t m + 数据相互之间时间跨度不大，又不能反应良 好的现势性，因此，最终选择使用一直运行良好的l a n d s a t 5t m 数据作为数据源。 冬季由于城市整体背景温度低，热岛效应明显，这时的影像是能最好的反应城市热 岛的情况，但由于数据源确实有限，本文最终共选用了季节较为接近的两景影像，这样 可以在一定程度上消除天气对热岛效应的影响。选择的两景拍摄时间相差1 1 年的 l a n d s a t 5t m 遥感影像数据为：1 5 1 2 7 0 3 60 3 6 1 9 9 5 0 5 0 7 和1 5 1 2 7 0 3 60 3 6 2 0 0 6 0 7 2 4 ，轨道号 为1 2 7 3 6 。它们分别是1 9 9 5 年5 月7 日白天和2 0 0 6 年7 月2 4 日白天从西安市上空过境的无云 影像，图像清晰细腻，地面信息丰富，无明显噪声。1 5 1 2 7 0 3 60 3 6 1 9 9 5 0 5 0 7 的中心纬 度：3 4 6 2 4 7 3 、中心经度：1 0 8 7 5 9 0 1 、太阳方位角：5 5 1 8 2 9 2 0 7 1 、太阳高角：1 1 2 5 0 6 1 9 3 3 8 ； 1 5 1 2 7 0 3 60 3 6 2 0 0 6 0 7 2 4 的中心纬度：3 4 6 1 3 1 4 、中心经度：1 0 8 8 1 6 9 8 、太阳方位 角：6 3 7 7 5 7 8 4 9 8 、太阳高度角：11 7 7 0 2 7 9 9 5 2 。 l a n d s a t 是美国于1 9 7 2 年第一次发射的地球观测卫星。它的观测能力强，目前已经发 射了1 号到7 号星。美国陆地卫星五号( l a n d s a t 5 ) ，是美国1 9 8 4 年发射的第二代试验 型地球资源卫星，现在仍在使用，并且运行良好。卫星加载了新型的主题成像传感器 ( t m ) ，其波谱范围l k , m s s 大，每个波段范围较窄，因而波谱分辨率l l m s s 图像高， 除第六波段的地面分辨率为1 2 0 m 之外，其余波段的地面分辨率为3 0 m ( 第六波段的单元 格大小为6 0 m ，其余波段的单元格大小为3 0 m ) 。主要卫星参数为：近极近环形太阳同 步轨道；轨道高度：7 0 5 k m ；倾角：9 8 2 2 0 ；运行周期：9 8 9 分钟；2 4 d x 时绕地球：1 5 圈： 穿越赤道时间：上午1 0 点：扫描带宽度：1 8 5 k m ；重复周期：1 6 天；卫星绕行：2 3 3 圈；波段 号、波段、频谱范围和分辨率如表l 所示： 7 第四章数据源与研究方法 表1 l a n d s a t 5t m 数据基本情况表 波段号波段 频谱范同“分辨率m b lb l u e b 2g r e e n b 3r e d b 4n e a r i r b 5s w i r b 6l w i r b 7s w i r 0 4 5 0 5 23 0 o 5 2 o 6 03 0 0 6 3 0 6 93 0 0 7 6 0 9 03 0 1 5 5 1 7 53 0 1 0 4 0 1 2 51 2 0 2 0 8 2 3 53 0 其中，各个波段的具体应用如下i t m l ，蓝波段，对于水体的穿透力强，且能分辨土壤植被。 t m 2 ，绿波段，易于区分林型，分辨植被。 t m 3 ，红波段，其信息量大，为可见光的最佳波段，广泛用于地貌、岩性、土壤、 植被、水体泥沙流等方面。 t m 4 ，近红外波段，主要用于生物调查、作物长势测定、水域判别等。 t m 5 ，中红外波段，能反映含水量，易于进行植物含水量状况的调查和研究。 t m 6 ，热红外波段，主要用于感应、监测能发出热辐射的目标。 t m 7 ，中红外波段，处于水的强吸收带，水体呈黑色，可用于探测高温辐射源、区 分主要岩石类型以及岩石的水热蚀变等。 本研究主要使用l a n d s a t 5t m 的第6 波段进行温度反演；使用第3 、4 、5 波段进行土 地利用分类；使用第3 、4 波段进行植被指数的反演；使用第2 、5 0 t 段进行水体指数的反 演。 4 2 研究方法 4 2 1 数据预处理 几何纠正与研究区域截取 一般，原始影像由于地球自转、地球曲率、地形起伏、传感器姿态变化等多种因素 的影响，会产生失真和变形，因此在使用前必须先进行处理。本次论文所拿到的影像数 据是已经经过系统辐射校正和地面控制点几何校正，并且通过d e m 进行了地形校正的二 级产品，地图投影为u t m w g s 8 4 ，可以直接使用。因此，只需要按照西安市城区外扩 1 5 k m 左右的外接矩形对两期影像各波段裁切，作为本论文的研究区域。裁切后范围如图 8 北大学碰 学位论文 3 所示 图3 研究区域范围图 波段合成及影像增强用于土地利用分类 利用e r d a s 92 ，经过多波段组合的试验，如：7 、4 、3 ，5 、4 、3 ，4 、3 、2 - 3 、2 、 1 等分别合成，通过比较，发现：5 、4 、3 波段的组合配以r 、g 、b 三种颜色生成的假彩 色台成图像不仅色彩类似于自然色，较为符合人们的视觉与审美习惯。而且信息量最为 丰富，能充分显示各种地物要素的特征与差别，便于后期进行土地利用分类时选取训练 区以及保证选取的准确性。 另外，为了提高影像的清晰度和要素的可识别度还需要利用e r d a s 92 对合成后 的影像进行去霾处理( h a z e r e d u c t i o n ) ，从而达到影像增强的目的，更好的为土地利 用分类服务。处理后的影像效果如图4 所示： 9 镕口章数据源与研究方法 ( a ) 1 9 9 5 ( b ) 2 0 0 6 圈4 台成，硅理后的影像兢果图 t m 6 影像的预处理 l a n d s a 5t m 的第六波段t m 6 数据是用来分析城市热岛效应的。由于热红外波段 1 m 6 的分辨率较低。图像比较模糊，为了使图像更清晰，更易于分析，利用软件e n v l 42 对图像进行了高斯拉伸( g a u s s i a n ) 阻达到图像增强的目的。我们关注的是热效应的分 布及温度的相对强度图像增强扩大了图像内部各要素的色差加强了温度之间的差异， 能够更加突出城市的热效应，便于使用。另外，本文使用了两期的t m 影像，为了增加 两期影像最终热效应反演的可比性，利用e 砒) a s 92 以1 9 9 5 年的t m 6 影像作为基准，还 对2 0 0 6 年的t m 6 影像作了直方图匹配( h i s t o g r a me q u a l i z a t i o n ) 。处理后的影像效果如 图5 所示： ( b ) 2 0 0 6 圈5t 蝣预处理后的影像效果圈 第阴章数据源与研究方法 4 2 2 土地利用分类 本文对影像的土地利用分类按建筑用地、裸地、绿地、水域四类划分。 建立分类模板 监督分类是基于分类模板进行的，而分类模板的确定要依靠训练区的选择。训练区 的选择十分关键，它的准确性直接关系到监督分类精度的高低。本研究应用e r d a s 9 2 软件，在v i e w e r 窗口中打开预处理后需要分类的影像，应用a o i 绘图工具依次选取每一 类地物要素具有普遍性、代表性、纯粹性的数据作为训练样本，打开分类模板编辑器 ( s i g n a t u r ee d i t o r ) 窗口，将样本一一加载进去。每种类别的训练区需选择一定数量训 练样本，检查各个样本的质量，经过2 3 次的修改，质量合格就对多个同类样本进行合 并，从而建立这一类样本最终的分类模板。依次类推，所有类型的分类模板都建立完成 后，保存该分类模板以便作为之后监督分类的依据。 评价分类模板 分离模板建立后，就需要对其可信度进行评价。评价的方法较多，主要有：分类预 警、直方图方法、模板对象显示、可能性矩阵等，本文选择使用可能性矩阵对分类模板 进行评价。可能性矩阵评价是根据分类模板分析a o i j j i i 练区的象元是否完全落在相应的 类别之中，最终输出一个百分比矩阵，能比较直接、简明、准确地确定模板的精度。如 果达到使每一类的误差矩阵值大于8 5 ，则满足了分类模板精度的要求；如果达不到， 需要继续修改训练区及分类模板，直到符合要求为止。对两期的分类模板分别进行可能 性矩阵评价后，结果如图6 所示： 1 2 西北 学硕t 学位论文 r “一1 黑t _ r = ii i 1 一i i ，= 盏 ， “8 ；二- ； _6idt2 2 o9 “ 。】u 5 1 c 1 1h 75 ，0。“ ， a ) 1 9 9 5 嚎爱 ，i”；1 i，。i ( b ) 2 0 0 6 圈6 分类模扳的可能性矩阵评价 可见，每一类的误差矩阵正确率均大于8 5 ，符合分类模扳的精度要求。 监督分类 监督分类是按照分类模扳规定的分类规则，依次对图像中的象元进行聚类的过程。 分类的方法主要有：最大似然法( m a x i m u ml i k e l i h o o d ) 、m a h a l a n o b i s 距离法( m a h a l a n o b i s d i s t a n c e ) 、最小距离法( m i n i m 山n d i s t a n c e ) 等，由于本研究属于定性的分类，各要素 分布错综复杂，与距离没有必然联系，最终基于遥感数据采用监督分类中的最大似然法 进行土地利用分类。厍 e r d a s 92 软件分别对两期影像执行监督分类，生成不同时期的 监督分类后的图像，其中，紫色代表建筑用地、黄色代表裸地、绿色代表绿地、蓝色代 表水域，如图7 所示： 第删章教据源与研究方 ( b ) 2 0 0 6 图7 监督分类后的图像 分类后评价 执行监督分类后，需要对分类后影像的分类精度做定量的评价。主要的分类评价方 法有：分类叠加( c l a s s i f i c a t i o no v e r l a y ) 、定义域值( t h r e s h o l d i n g ) 、分类重编码( r e c o d e 西北大学硕。l 学位论文 c l a s s e s ) 、分类精度评估( a c c u r a c ya s s e s s m e n t ) 等。其中，分类叠加是一种定性的评 价方法；定义阈值和分类重编码都是对分类后的影像进行了优化，没有对分类图像给出 直接的精度报告：分类精度评估是将分类后的图像象元与分类前的原始影像进行比较， 确定其实际类别，根据正确的概率最终输出一个分类评价报告。所以，本研究采用的是 分类精度评估的方法对土地利用的监督分类结果进行精度评价。 在e r d a s 9 。2 软件的分类模块c l a s s i f i e r 中的a c c u r a c ya s s e s s m e n t 功能支持下，将土 地利用分类原始图像和分类图像相连接( l i n kv i e w e r s ) ，在原始分类图像上随机产生 2 5 6 个点，逐点进行参考类别确定，然后，通过随机点的实际类别与监督分类后图像上 的类别进行统计分析就能确定分类结果的准确度，如图8 所示。分别对两期影像进行分 类影像评价，得到的精度报告显示1 9 9 5 年的影像整体的分类精度为8 9 0 6 ，k a p p a 指数 为0 7 9 2 2 ；2 0 0 6 年的分类精度为8 9 0 6 ，k a p p a 指数为0 8 2 9 8 。k a p p a 指数均达到了最低 的允许判别精度0 7 的要求，可见分类合格。 1 5 第四i 数据潭b 研究方镕 西 口雹曩皿墨墨田墨暖曩墨墨墨豳 td m 广；= _ f _ ；r 可1 - 匿三j 厘 p 一1 “1 ：= ? ：i ：v ：一 l 圣善銎銎， j 。h 。 b 一 一 ( b ) 2 0 0 6 圈8 分类耩度评估 目北太# 碗学位论立 分类后赴理 监督分类后，图像中会产生一些面积非常小的图斑，需要进行进一步处理，在不影 响分类精度的情况下使图像更加平滑、美观。本研究利用e r d a s 92 d ? g i s 分析中的邻域 分析功能消除小斑块。邻域分析后得到西安市土地利用分类图，如图9 所示： ( b ) 2 0 0 6 圈9 西安市土地利用分类图 1 7 第四章数据源与研究方法 4 2 3 地表亮度温度的反演 l a n d s a t 5 的t m 6 波段接收的是与地表温度高低相对应的热红外辐射温度，因此，通 过t m 6 波段所接受的地面各处的热辐射值( 在图像中以灰度值表示) 可以求算出对应的 地面温度。虽然，t m 6 波段记录的辐射值d n 主要取决于地表温度的高低，但是，它还 同时包含有地物的比辐射率信息，当然还有大气的影响，所以，要用t m 6 数据反演地表 实际温度是个复杂的问题。好在t m 6 波段( 1 0 1 4 1 2 1 5l am ) 的光谱响应区间处于相当好 的大气窗口内，透过率达到8 0 左右，而且西安市研究范围有限，大气状况差异不大，故 大气影响可暂时忽略不计 3 0 】。加之，城市热岛效应的研究大多只注重的是温度相对强弱 的空间分布特点，且城市下垫面辐射温度与气温呈显著线性关系，如果只注重区域的温 度对比，就可以直接使用地表亮度温度数据。亮度温度是传感器在卫星高度所观测到的 热辐射强度相对应的温度，它受到大气和地表对热辐射传导的影响，并不是真正意义上 的地表温度或者大气温度 3 1 】。 本文对西安市城市热岛效应的研究主要集中在热强度的空间分布及其变化上，因 此，选择直接使用地表亮温来代表地面热强度。 在假定下垫面物体为全辐射体的前提下，亮温计算的主要步骤为：在不考虑大气影 响的情况下，首先，使用图像的d n 值来推算辐射亮度( l 入) ；其次，。再通过辐射亮度( l 入) 来推算亮度温度( t ) 。具体如下： 1 、图像的d n 值转化成绝对辐射亮度值 l a , ( t m 6 ) = l m i n ( t m 6 ) + ( l m a x ( t m 6 ) l m i n ( t m 6 ) ) 2 5 5 d n ( 5 1 ) 其中，l m a x = 1 5 6 0 0 ，l m i n = 0 1 2 3 8 。 2 、辐射亮度值转化成地表亮温( 摄氏度) 的近似式： t = k 2 i n ( k 1 l l + i ) 2 7 3 1 5 ( 5 2 ) 其中，k l = 6 0 7 6 6 ，k 2 = 1 2 6 0 5 6 。 为了按照以上公式反演地表亮温，本文借助e r d a s 9 2 的空间建模( m o d e lm a k e r ) 工具来实现。在m o d e lm a k e r 的图形窗口中，放置一个栅格图形( r a s t e r ) 作为输入图形； 一个函数( f u n c t i o n ) 作为运算的规则；一个栅格图形( r a s t e r ) 作为输出图形，再将它 们关联起来就可以完成一个简单的建模过程。本论文以研究范围内西安市的l a n d s a t 5 t m 6 为输入图形，公式( 5 1 ) 为函数，运行后输出一个过程图形；再以输出的过程图 形为输入图形，公式( 5 2 ) 为函数，运行后输出的图形就反映了地表亮温。模型如图 1 8 西北大学硕十：学位论文 1 0 所示： d n 值转化为辐射亮度值辐射亮度值转化成迪表亮温 n 31 9 晒 n 31 9 9 5 数 图l o 亮温反演模型 分别对1 9 9 5 年和2 0 0 6 年的热红外波段t m 6 数据进行建模，得到西安市地表亮温图， 如图1 l 所示： 旃章盘据源与研究i 法 ( a ) 1 9 9 5 ( b ) 2 0 0 0 图1 1 西安市地表亮温圈 为了更清晰的反映热场的相对强度，影像进行了拉伸，反演出的温度只代表相对地 表亮温，温度值介于6 97 7 3 3 c 与6 81 8 3 1 之矧，色调越亮，温度越高，6 2 _ ，亦然。 西北大学硕七学位论文 4 2 4 提取n d v i n d v i ( 归一化植被指数) 定义为近红外波段和可见光波段数值之差和这两个波段 数值之和的比值。它是植被生长状态和植被覆盖度的最佳指示因子，常用于指示植被的 数量特征( 如盖度、植被类型、叶面积指数等) ，以及用于监测植被的季节变化和用于 土地覆盖研究【3 2 】。计算公式为： n d v i = ( b 4 一b 3 ) ( b 4 + b 3 ) ( 6 3 ) 式中b 3 ，b 4 分别是t m 3 ，t m 4 波段的d n 值。 通过e r d a s 9 2 的空间建模工具，以t m 3 、t m 4 波段为输入影像，公式( 6 3 ) 为函 数运行后可以提取研究区的n d v i 。模型如图1 2 所示： 提取n d v i n 7n d v i 图1 2n d v i 提取模型 分别对1 9 9 5 和2 0 0 6 年的l a n d s a t 5t m 影像进行建模，获得不同时期的n d v l 分布 图，如图1 3 所示： 2 1 第如章散据源研究方法 ( b ) 2 0 0 6 围1 3 西安市n h v l 分布图 n d v i 的值介于一1 到1 之间，值越小，色调越暗，说明植被的覆盖率越低；反之，值 越大，色调越亮，说明植被的覆盖率越大。 两北大学硕仁学位论文 4 2 5 提取m n d w