基于MODIS数据的南通市热岛效应研究.doc

南通大学毕业论文 I 摘摘 要要 城市热岛效应是指城市地区整体或局部温度高于周围地区 温度较高的城市地区被 温度较低的郊区所包围或部分包围的现象 多年来 众多学者对城市热岛现象做了大量 的研究工作 卫星遥感的出现 为城市热岛效应的研究提供了很好的数据源 卫星图像的 热红外波段已经被广泛地用来研究城市热岛效应 国内外不少研究人员利用各种热红外 波段数据对城市热岛进行了研究 取得了不少成绩 本文尝试利用 MODIS 1B 数据通过劈 窗算法反演出南通市的地表温度 进而研究南通市的热岛效应分布情况 结果表明 人 口规模 城市化程度 建筑密度 交通运输 土地利用类型等对热岛效应具有重要影响 关键词 南通市 MODIS 热岛效应 南通大学毕业论文 II ABSTRACT Urban heat island effect is the urban region as a whole or in part temperature is higher than the surrounding area the higher the temperature the lower the temperature in urban areas are surrounded or partially surrounded by suburban phenomenon Over the years many scholars of the urban heat island phenomenon of a lot of research work the emergence of satellite remote sensing for urban heat island provides a good data source the thermal infrared bands of satellite images has been widely used to study the urban heat island effect many researchers have used a variety of domestic and thermal infrared data on the urban heat island studied and achieved many accomplishments This paper attempts to use MODIS 1B data performed by split window algorithm of Nantong City anti surface temperature and then study the distribution of Nantong City in the heat island effect The results show that the size of population urbanization building density transportation land use types has an important influence on the heat island effect Key words Nantong City MODIS Heat Island Effect 南通大学毕业论文 III 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第一章 绪论 1 1 1 课题研究的背景 1 1 2 课题研究目的 1 1 3 MODIS 数据的特点 1 1 4 研究进展 3 1 4 1 国内研究进展 3 1 4 2 国外研究进展 3 1 5 研究的方法和内容 4 第二章 研究区概况 5 2 1 区位条件 5 2 2 自然环境和社会环境 5 第三章 数据的选择与处理 6 3 1 数据的选择 6 3 2 数据的预处理 6 3 2 1 云检测处理 7 3 2 2 几何校正 8 3 2 3 影像裁剪 9 第四章 地表温度的 LST 反演 11 南通大学毕业论文 IV 4 1 1B 数据反演地表温度的算法 11 4 1 1 劈窗算法 LST 反演 11 4 1 2 亮度温度的计算 12 4 1 3 大气透过率的计算 12 4 1 4 地表比辐射率的计算 13 第五章 结果与分析 15 5 1 计算结果 15 5 2 南通市温度空间分布 15 5 3 南通市热岛空间分布 15 第六章 结 论 17 参考文献 18 致 谢 20 南通大学毕业论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1 1 课题研究背景 城市热岛效应是指城市地区整体或局部温度高于周围地区 温度较高的城市地区被温 度较低的郊区所包围或部分包围的现象 城市热岛现象最早的记载 出现在 1818 年英国 出版的 伦敦气候 上 作者 Lake Howard 对城市气候有两大发现 伦敦市中心气温比郊外 高 城乡温差夜间比白天大 热量平衡是城市热岛形成的能量基础 城市化改变了城市下 垫面的性质和结构 增加了人为热 从而影响了城市热量平衡各分量的变化 1 城市热岛 效应通常被视为一种城市公害 特别是在中低纬度地区的夏季 热岛增温效应加剧城市 的酷热 致使城市气候舒适度变差 加重了空气污染和资源消耗 增加病菌繁殖的条件 影 响城市生态环境质量 近年来 随着城市化和区域城市化的发展 城市的数量和规模在不 断增大 城市人口集聚 耗能工厂众多以及城市地表多为高楼和沥青水泥地面 使得城市 的热岛效应更加明显 城市热岛效应随着城市的发展而增强 研究城市热岛效应变化规律及其形成机制 对城市发展和规划及减缓城市热岛效应具有重要意义 1 2 课题研究目的 城市是现代社会政治 经济 文化的中心 随着社会经济发展 人口急剧膨胀 城 市规模相应不断扩大 城市数量也在不断增多 与此同时 城市化因素及人类活动导致 了城市化气候效应 城市热岛是城市化气候效应的主要特征之一 是城市化对气候影响 的最典型的表现 城市热岛是一种城市公害 其独特的气候对环境生态系统和人类生产 活动产生重大影响 为此 人们对城市热岛越来越关注 许多城市 如北京 上海 天 津 南京 重庆 成都等城市都作过这方面的研究 随着空间信息技术的发展 应用遥 感技术研究热岛效应己成为大气科学的一个新的热点 MODIS 一天 4 次的过境时间给实 时监测热岛效应强度提供了有利的条件 通过地表温度的反演可以即时的监控热岛效应 1 3 MODIS 数据的特点 MODIS 数据波段范围广 包括了 36 个波段 数据空间分辨率包括了 250 米 500 米 和 1000 米三个尺度 见表 1 这些数据均对地球科学的综合研究和对陆地 大气和海洋 进行分门别类的研究有较高的实用价值 此外 TERRA 和 AQUA 都是太阳同步极轨卫星 南通大学毕业论文 2 TERRA 在地方时上午过境 AQUA 将在地方时下午过境 TERRA 与 AQUA 上的 MODIS 数据在时间更新频率上相配合 加上晚间过境数据 对于接收 MODIS 数据来说 可以得到每天最少 2 次白天和 2 次黑夜更新数据 这样的数据更新频率 对实时地球观 测 应急处理 例如森林和草原火灾监测和救灾 和单日频率的地球系统研究有着非常重 要的实用价值 表 1 MODIS 波段分布特征 基本用途波段序号波段宽度 nm光谱灵敏度 W m2 m sr 陆地与云的界限1620 67021 8 同上2841 87624 7 陆地与云的性质3459 47935 3 同上4545 56529 同上51230 12505 4 同上61628 16527 3 同上72105 21551 海洋颜色 水体表层性质 生物化学8405 42044 9 同上9438 44841 9 同上10483 49332 1 同上11526 53627 9 同上12546 55621 同上13662 6729 5 同上14673 6838 7 同上15743 75310 2 同上16862 8776 2 大气水分17890 92010 同上18931 9413 6 同上19915 96515 地表 云温度203 660 3 8400 45 300K 同上213 929 3 9892 38 335K 同上223 929 3 9890 67 300K 同上234 020 4 0800 79 300K 大气温度244 433 4 4980 17 250K 同上254 482 4 5490 59 275K 卷云261 360 1 3906 水汽276 535 6 8951 16 240K 同上287 175 7 4752 18 250K 同上298 400 8 7009 58 300K 臭氧309 580 9 8803 69 250K 地表 云温度3110 780 11 2809 55 300K 同上3211 770 12 2708 94 300K 云顶高度3313 185 13 4854 52 260K 同上3413 485 13 7853 76 250K 同上3513 785 14 0853 11 240K 南通大学毕业论文 3 同上3614 085 14 3852 08 220K 1 4 研究进展 多年来 众多学者对城市热岛现象做了大量的研究工作 卫星遥感的出现 为城市热岛 效应的研究提供了很好的数据源 卫星图像的热红外波段已经被广泛地用来研究城市热岛 效应 国内外不少研究人员利用各种热红外波段数据对城市热岛进行了研究 取得了不少 成绩 热红外遥感记录的是地表物体的发射辐射 环境及大气的辐射之和 可方便地换成 卫星亮温 而卫星亮温 地表温度和气温三者之间关系密切 因而基于温度的城市热岛监 测方法便成为进行城市热岛研究最常用 最直观的方法 2 1 4 1 国内研究进展 国内不少研究者使用 NOAA AVHRR 或 Landsat TM ETM 影像的亮温数据对我国北 京 上海 杭州 厦门等城市进行了城市热岛空间平面结构和季节变化的研究 但是 由 于地表热辐射在其传导过程中受到大气和辐射面的多重影响 亮温同地表真实温度往往相 差很大 因而使用亮温直接进行城市热岛研究有着一定的局限性 因此有不少研究者基于 地表温度来对城市热岛进行监测 关于城市热岛 我国学者的研究要显著地多于国外 也许与我国城市热岛的问题较 为突出 更为引起人们的注意有关 如 1994 年至今在中国期刊发表的相关论文近 300 篇 国外同期只有 100 余篇 其中还有若干篇是中国学者的研究论文成果 同国外研究相比 国内的研究主要从宏观角度出发 且研究的方法较广 国内主要从气象学 遥感和建筑 学三个角度基于各自领域出发对城市热岛进行了研究 1 4 2 国外研究进展 国外自 20 世纪 50 年代起 在航空遥感技术的产生与应用 以及 60 年代卫星遥感技 术在地物观测领域应用的帮助下 大大提高了人们对气候的观测和分析能力 使西方发 达国家在气象研究领域有了飞速的发展 通过对卫星遥感图像的研究 人们发现从遥感 图像可以直接获得城市热岛效应 污染程度的分布状况和发生发展趋势 对环境监测和 气象预报 以及对环境污染的研究和治理提供了实时可靠的资料和依据 在城市热环境的遥感定量研究方面 近二十年来 国外学者主要利用卫星遥感数据 和技术对城市地表温度进行定量研究 22 Rao 提出应用卫星遥感的热波段数据反演地表温 度来辨别城市地域 并应用 TIROS 1 Improved TIROSO perational Satellite 卫星提取的热 红外数据观测了太平洋中部海岸城市的地表温度类型 13 Carlson 应用 VHRR Very High Resolution Radiometer 获取的日间和夜间卫星遥感数据研究了洛杉机地区地表热波段特征 南通大学毕业论文 4 结果表明 与植被覆盖率较大的区域相比 城市的工业区和中心区在日间和夜间之间地 表辐射温度变动较大 14 Matson 等也应用 VHRR 夜间热数据 10 5 12 5 m 研究了美国中 西和东北部城市及其乡村间地表辐射温度之间的差异 15 Balling 和 Brazal 应用 AVHRR 热波段数据 10 3 11 3 m 研究了美国 Phoenix 城 AZ 区的地表辐射温度 研究发 现地表温度特征与城市土壤覆盖类型直接相关 地表温度在高度工业化区域比一般区域 高达 5 之多 16 1 5 研究的方法和内容 陆地表面温度 Land surface temperature LST 是研究城市热岛的重要参数 卫星热红 外遥感技术能够提供高空间和时间分辨率的定量数据 解决地面气象站提供的地温观测资 料有限的问题 为全面掌握城市地面热岛的时空分布提供了可靠的手段 相比在我国进行 LST 研究中广泛使用的 AVHRR 数据 MODIS 数据具有更高的灵敏度和精确度 3 本研究 尝试利用 MODIS 热红外数据 利用劈窗算法进行地表温度的遥感反演 4 进而对南通热岛 的区域变化特征进行研究 如图 1 图 1 基于 MODIS 数据地表温度反演流程 南通市 MODIS 1B 数据 南通地表温度反演图 据 云检测处理 几何校正 矢量边界叠加与裁剪 地表比辐射率 南通市地表温度反演 大气透过率亮度温度 南通市热岛效应分析 劈窗算法 南通大学毕业论文 5 第二章第二章 研究区概况研究区概况 2 1 区位条件 南通市地处我国黄海南部 江苏省境内 长江入海口北岸 是我国首批对外开放的 14 个沿海城市之一 地理坐标为东经 120 12 121 55 北纬 31 41 32 43 南通市总面 积约 8001 平方公里 其中水域占 1290 平方公里 在中国的版图上 处于沿海经济带与长江经济带 T 型结构交汇点和长江三角洲洲头 的城市只有两个 一个是国际大都市的上海 另一个就是与其一衣带水 处于长江北岸 的南通 南通 据江海之会 扼南北之喉 隔江与中国经济最发达的上海及苏南地区相 依 被誉为 北上海 北接广袤的苏北大平原 通过铁路与欧亚大陆桥相连 从长江 口出海可通达中国沿海和世界各港 溯江而上 可通苏 皖 赣 鄂 湘 川六省及云 贵 陕 豫等地 苏通长江公路大桥建成以来 已使南通进入上海一小时经济圈 南通 面临海外和内陆两大经济辐射扇面 与上海有着相似的地理区位优势 素有 江海明珠 扬子第一窗口 之美誉 2 2 自然环境和社会环境 南通地处长江下游冲积平原 属亚热带季风气候区 属北亚热带和暖温带季风气候 年平均气温 15 1 度 全年降水量 1040 毫米左右 气候温和 光照充足 雨水充沛 四季 分明 温和宜人 全市地势平坦 沿江 近海与中北部地区至里下河区略有起伏 市区 的五山 即 狼山 剑山 军 山 黄泥山 马鞍山 为喜马拉雅山造山运动江南古陆下 沉后残留于地面的高顶 境内沟河纵横交错 使江 海 河连成一片 全市海岸带面积 1 3 万平方公里 沿海滩涂 21 万公顷 是我国沿海地区土地资源最丰富的地区之一 南通是我国著名的 教育之乡 建筑之乡 体育之乡 和 长寿之乡 自 1984 年开放以来 南通的经济建设和社会发展取得了长足的发展 城乡面貌发生了深 刻的变化 同时是一个人口大市 人口密度居全国地级市之首 南通大学毕业论文 6 第三章第三章 数据的选择与预处理数据的选择与预处理 3 1 数据的选择 本文利用空间分辨率是 1km 的 EOS MODIS 1B 卫星遥感数据 数据选取的时间是 2010 年 4 月 29 日 12 时 40 分 此次数据是由 NASA 的在线数据网站上获取 具体网址 是 http ladsweb nascom nasa gov data search html 由于使用劈窗算法反演地表温度需要用到的波段涉及第 1 2 19 31 32 波段 因此要 选择 MOD021KM 分辨率 1km 的数据 同时为了方便几何校正 也要选择 MOD03 数据 如图 2 图 2 NASA 下载数据 3 2 数据的预处理 本人从 NASA 网站上下载来的 MODIS 1B 数据用 ENVI4 2 软件打开 如图 3 南通大学毕业论文 7 图 3 MODIS 1B 数据影像 3 2 1 云检测处理 研究热岛效应需要晴空无云的数据进行地温反演 南通地区地理跨度大故区内可能 有云层覆盖 因此云检测剔除是很重要的 MODIS 数据有 36 个光谱段 采用基于多光 谱综合的多通道阈值判别法可较好地建立云检测掩膜 B1 在可见光波段 植被 土壤 水城的反射率远低于云区 反射值大于 0 3 的判为云 卷云则根据 B29 和 B31 的高温差 B26 高云高反射率 再结合 B1 B6 B8 合适的经验阈值 对南通地区各种类型的云覆盖 有较好的检测效果 因此为了方便起见 尽量选取无云层覆盖的影像 如果影像打开后 目视云层非常少甚至几乎没有的情况下 可以不进行云检测处理 对云检测使用一种最为简单的方法一掩模法 找到当天的云检测产品 将其作为 MASK 对地面温度图像作掩模 掩模后的图像有云的地方数值为零 这样就将精度很差 的数值剔出去了 使得反演的精度也增加了 通过图 3 可以看出当天南通上空比较清晰 云层几乎没有 因此可以不进行云检测处理 南通大学毕业论文 8 3 2 2 几何校正 NASA 网站提供 modis swath tool 对 HDF 格式的 1B 数据进行几何精纠正 该软件使 用 MOD03 数据对影像进行纠正 处理速度快且使用简单方便 如图 4 图 4 modis swath tool 几何校正 几何校正后的图像如图 5 所示 在图 5 中的 Cursor Location 对话框中有其具体经纬 度信息 南通大学毕业论文 9 图 5 几何校正后的 MODIS 图像 3 2 3 影像裁剪 由于本次研究的区域为南通市 为了后续分析处理方便 需对图像以南通市的行政 区划界线为边界进行裁剪 在 ENVI 4 2 中对南通矢量图与 MODIS 数据影像进行叠加 如图 6 进而裁出南通行政区的 MODIS 数据影像图 如图 7 南通大学毕业论文 10 图 6 南通矢量图与 MODIS 影像图的叠加 图 7 裁剪后的南通 MODIS 影像图 南通大学毕业论文 11 第四章第四章 地表温度的 地表温度的 LST 反演 反演 4 1 1B 数据反演地表温度的算法 地表温度一般在 300K 左右 根据维恩位移定律 反演地表温度通常选择 8 13 m 的 热红外光谱通道 在此波段范围内光谱辐射对温度的敏感性最高 目前遥感反演地表温 度 Land Surface Temperature LST 方法包括经验方法和理论方法 2 大类 20 经验方法是测 出卫星过境时的地表温度 建立遥感热红外通道 DN 值和地面辐射能之间的回归方程来估 算地表温度 经验方法的局限性在于地区代表性和地类代表性均较差 反演精度低以及 对地面数据过分依赖等 理论方法是基于热红外辐射传输方程推导出各种地表温度的反 演算法 目前国内外学者提出了很多理论方法 大致包括 3 类 即只利用一个热红外通道 的单窗算法 利用两个热红外通道的劈窗算法和利用多个热红外通道的多通道反演方法 其中发展得较为完善的就是劈窗算法 5 从 PrabhakaI a 等在 1974 年针对 NOAA AVHRR 的热红外通道 4 10 5 11 3 m 和通道 5 1l 5 12 5 m 开发劈窗算法以来的 30 多年里 出现了几十个不同版本的劈窗算法 根据 推导过程的简化程度 劈窗算法可以归结为四大类 即简单模型 地表比辐射率模型 两因素模型和复杂模型 简单模型是把大气影响和地表影响估计成常量 因此计算十分 简单 但反演结果往往较差 地表比辐射率模型考虑地表比辐射率的变化 假定大气影 响为常量 反演精度比简单模型改进了许多 两因素模型和复杂模型把大气影响和地表 影响都设计成变量 因此 反演精度通常较高 但计算也相对复杂一些 其中两因素模 型仅需要大气透过率和地表比辐射率两个基本参数 而复杂模型不仅需要这两个基本参 数 还需要其他大气参数 在MODIS的8个热红外波段中 第31通道 10 78 11 28 m 和32通道 11 77 12 27 m 的 波段范围恰好与AVHRR通道4 5的中心波长相对应 因此可以对MODIS的31和32波段采 用劈窗算法反演LST 考虑监测时效性和反演精度要求 本文选择Qinetal 2001 提出的两 因素模型来反演地表温度 主要包括4个计算步骤 l 计算亮温 2 计算比辐射率 3 计 算大气透过率 4 根据劈窗法计算陆面温度 该方法具有较高的反演精度 6 其两个输入 参数 即地表比辐射率和大气透过率 都可以从MODIS的其它波段数据中反演出来 不 需要其它额外的信息就可以进地表温度的反演 计算较简便 4 1 1 劈窗算法 LST 反演 覃志豪等根据地表热传导方程提出了一种演算精度较高的劈窗算法 该算法首先对 Planck 辐射函数进行 Taylor 展开取前两项的近似值 再通过回归分析得到建立方程所需 南通大学毕业论文 12 的参数 基于 MODIS 数据的劈窗算法的表达式 7 如下 TS A0 A1 T31 A2 T32 4 1 其中 TS是地表温度 T31和 T32分别是 MODIS31 通道和 32 通道的亮温 A0 A1 A2分别定义如下 A0 66 54067 E2 62 23928 E1 4 2 A1 1 A 0 43059 E1 4 3 A2 A 0 46585 E2 4 4 A D31 D32C31 D31C32 4 5 E1 D32 1 C31 D31 D32 C31 D31C32 4 6 E2 D31 1 C32 D32 D32 C31 D31C32 4 7 Ci Ei Si 4 8 Di 1 Si 1 1 Ei Si 4 9 其中 i 是指 MODIS 的第 31 和 32 波段 分别为 i 31 或 32 根据上式 计算 LST 需要 以下几步 亮度温度的计算 大气透过率 S 和比辐射率 E 的确定 4 1 2 亮度温度的计算 亮度温度是指辐射出与观测物体相等辐射能量黑体的温度 17 MODIS 波段数据是 12 bit 的整型 DN 值 通过查找 HDF 头文件获取 31 32 波段的 radiance scales 辐射缩放比 和 radiance offsets 辐射缩放截距 利用下列公式即可得到热辐射强度值 I Ii radiance scales DNi radiance offsets 4 10 将获得的热辐射强度值 I 代入 Planck 方程中 即可以得到亮度温度 4 11 其中 Ti是 MODIS 第 i i 31 32 波段的亮度温度 Ii是 MODIS 第 i i 31 32 波段的热 辐射强度 i是波段 i 的中心波长 针对 MODIS 的第 31 和 32 波段 其值可分别取 31 11 28 m 和 32 12 02 m C1和 C2是常量 分别取 C1 1 19104356 10 16W m2和 C2 1 4387685 104 m K 4 1 3 大气透过率的计算 气透过率是指地表辐射能透过大气到达遥感器的能量与地表辐射能的比值 热红外 辐射的大气透过率随天气条件和高度而变 在地表反演过程中 水汽是估计大气透过率的 南通大学毕业论文 13 主要考虑因素 可以通过 MODTRAN 等大气模型软件模拟大气透过率与大气水汽含量之 间的关系 21 对于 MODIS 数据 可以通过 MODIS 第 2 和第 19 波段来反演大气水分含量 然后再根据大气水分含量与大气透过率之间的函数关系来估计大气透过率 根据 Kaufman 等 8 的研究 对于 MODIS 图像中的任何一个像元 其可能的大气水分含量可用下式估计 4 12 其中 W 是大气水分含量 g cm 2 和 是常量 分别取 A 0 02 和 B 0 651 Q19和 Q2分别是 MODIS 第 19 和第 2 波段的地面反射率 通过下式计算 Qi RLi DNi RLOSi 4 13 其中 Qi 是 MODIS 第 i i 19 和 2 波段的地面反射率 DNi是第 i 波段的 DN 值 RLi 和 RLOSi是波段的反射率常量 可由 MODIS 图像的头文件中查出 然后用 MODTRAN 软 件来模拟夏季大气透过率与大气水汽含量之间的关系 在夏季中纬度大气情况下对于 MODIS31 和 32 波段 水汽和透过率可用下列线性关系表示 9 S31 0 10671W 1 04015 4 14 S32 0 12577W 0 99229 4 15 4 1 4 地表比辐射率的计算 地表比辐射率是地表温度遥感反演的基本参数 是指物体与黑体在同温度 同波长下 的辐射出射度的比值 当观测地表热辐射温度时 由于地面物体不是黑体 需要用比辐射率 来修正 地表比辐射率的变化主要取决于实际地物的物质特性与观测波段 地球表面不同 区域的地表结构相当复杂 但从 MODIS 像元的尺度来看 星下地面像元可大致看成由 3 种 基本地表类型构成的混合像元 水体 植被和裸地 这样可依据地表组分估算混合像元的 有效平均比辐射率 混合像元比辐射率的计算公式 10 如下 E PwRWEW PM RM EM 1 Pw PM RsEs 4 16 其中 E 为混合像元的平均比辐射率 Pw PM分别为水面 植被的构成比例 EW EM Es 分别为水体 植被 裸土的比辐射率 RW RM Rs 为温度比率 地物比辐 射率值是随光谱波段而变化的 对于 MODIS31 和 32 波段 各种地物的比辐射率不同 基本 的地物比辐射率可根据 Wan 提出的有效比辐射率公式来计算 本文中 MODIS31 和 32 波 段水体比辐射率取 0 992 和 0 989 植被比辐射率取 0 9848 和 0 9857 土壤比辐射率取 南通大学毕业论文 14 0 9731 和 0 9832 由于水体区域的温度不是监测的重点 水体与其他地表的混合不作重 点考虑 18 水体在近红外波段 第 2 波段 吸收率很强 其 DN 值比陆地和植被低很多 采 用 DN 设定阈值识别水体 取 Pw 1 PM 0 对于植被和裸土组成的混合象元 PM是像 元的植被覆盖率 可通过植被指数进行估计 10 PM NDVI NDVIs NDVIM NDVIs 4 17 其中 NDVI 是植被指数 NDVIM和 NDVIs 分别是茂密植被覆盖和完全裸土像元的 NDVI 值 通常取 NDVIM 0 9 NDVIs 0 15 因此 当 NDVI NDVIM 0 9 时 PM 1 表示该 像元是一个茂密植被覆盖的地区 看不见露的土壤表面 否则 当 NDVI NDVIs 0 15 时 PM 0 表示该像元是一个完全裸露的地区 没有任何植被覆盖 对于 MODIS 图像而言 可 通过第 1 和第 2 波段来计算 NDVI B2 B1 B2 B1 4 18 其中 B1 B2分别是 MODIS 第 1 2 波段的 DN 值 Rw RM和 Rs 分别是水体 植 被和裸土的温度比率 这三种地表类型的平均温度比率分别为 Rw 0 99565 RM 0 99240 Rs 1 00744 它们的计算方法可参见有关地表比辐射率的文章 11 南通大学毕业论文 15 第五章第五章 结果与分析结果与分析 5 1 计算结果 将 EOS MODIS 1B 数据经过几何校正 辐射率 反射率计算等一系列处理后 通过大 气水汽含量计算 估算大气透过率 计算出 31 波段和 32 波段的大气透过率 地表比辐射 率的估算主要根据混合像元理论进行 首先计算归一化植被指数 计算植被覆盖度 并考 虑热辐射相互校正 估算地表比辐射率 12 将上面计算得出的第 31 波段和 32 波段的地表 比辐射率和大气透过率 带入到公式中可以求出中间变量 Ci和 Di 将 Ci和 Di带入4 1 1 中的公式即可求得地表温度 单位为 K 采用上述方法 反演得到的南通市地表温度空 间分布如图 8 所示 图 8 南通地表温度空间分布 5 2 南通市地表温度空间分布 从图 8 可以看出南通市的高温区主要集中在南通市区的大部 海门市的海门镇 海安 县的海安镇 启东市的汇龙镇 如皋市的如城镇以及如东市的掘港镇 这些都是整个南 通地区城市化程度高以及人口 建筑 工商业中心所在地 5 3 南通市热岛等级空间分布 热岛强度是城市热岛状况的度量指标 它指城市最高温度与郊区平均温度之间的差距 19 这个标准只是对城市热岛在数量上的一种概括描述 并不涉及具体的空间分布特征 因而无法在分析局部的热岛形势方面发挥作用 13 所以需要建立一种新的分析指标 来 对城市热岛 特别是遥感研究下的城市热岛进行量化描述 而且这种指标必须在时间和 南通大学毕业论文 16 空间上具有兼容性 既能反映同一地区在不同阶段的热岛演变状况 又能比较不同区域 的热岛强弱与分布特征体现出遥感研究在时间和空间是上的应用优势 为了对南通市热岛进行分级 需要构建一个划分标准 该划分的标准就是相对温度 相对温度表达式为 TR Ti Ta Ta 5 1 式中 TR是相对温度 Ti是研究区第 i 点的地表温度 Ta是研究区域的平均温度 表 2 南通市热岛等级划分标准 相对温度热岛等级 0 绿岛 0 0 04弱热岛 0 04 0 07中等热岛 0 07 0 1强热岛 0 1 极强热岛 据以上热岛划分标准 对南通市区的亮温图进行热岛等级划分 得出南通市的热岛 等级分布图 如图 9 图 9 南通市热岛等级分布图 从图 9 中可以看出整个南通地区绿岛还是占大部分 其次是弱热岛 中热岛也占相 当的比例 而强热岛空间分布很少 极强热岛则没有 且中热岛主要集中在各个地区的 高温区 而在南通崇川区中零散分布一些强热岛 而这一部分正是南通城市化程度最高 南通大学毕业论文 17 的地方 其他大部分呈现的是弱热岛以及绿岛 总之 南通市的热岛效应不是很明显 第六章第六章 结论结论 从南通当天的地面热场遥感情况我们可以得出这样一个结论 城市热岛与城市化程度 城市建筑面积 人口规模 人口密度 工业发展 交通运输等 以及城市的几何形状 自然地理环境 人类活动方式等均有密切联系 1 城市化程度愈高 其城市热岛强度愈强 从图9中我们可以看出 在南通城市化 水平较高的崇川区 海门市的海门镇 海安县的海安镇 启东市的汇龙镇 如皋市的如 城镇以及如东市的掘港镇的热岛强度比其他地区要强 2 建筑密度愈大 热岛强度愈强 23 由于崇川区是南通市区的主城区 从图9中我 们可以看出崇川区市中心部分是热岛效应最强的地区 而一般而言这个地区也是城市建 筑密度最大的地方 3 人口密度愈大 热岛强度愈强 从图9中可以看出 在南通市区的东面和启东市 的中部地区 虽然不是城区 但是人口密度很大 依然呈现出比较强的热岛效应 4 随城市土地利用性质不同而以工厂用地为主的城区 为热岛所在 下垫面不透水 面积所占的比例愈大 热岛强度愈大 24 我们从图9就可以看出在开发区是南通的工业中 心 热岛效应也相对明显 这也说明了气温与城市建筑面积 含道路面积 的关联度极高 南通大学毕业论文 18 参考文献参考文献 1 杨士弘 城市生态环境学 M 北京 科学出版社 2002 2 胡华浪 陈云浩 宫阿都 城市热岛的遥感研究进展 J 国土资源遥感 2005 9 5 13 3 Parkinson C L Greenstone R EOS Data Products Handbook volume 2 M Maryland NASA Goddard Space FlightCenter 2000 163 4 叶柯 覃志豪 基于MODIS数据的南京市夏季城市热岛分析 J 国土资源遥感 2006 5 426 431 5 覃志豪 Zhangtning hua AmonKamieli 用NOAA AVHRR热通道数据演算地表温度的劈窗算 J 国土 资源遥感 2001 48 02 33 4 6 姜立鹏 覃志豪 谢雯 MODIS数据地表温度反演分裂窗算法的IDL实现 J 测绘与空间地理信息 2006 7 114 117 7 覃志豪 Zhang ming hua Arnon Karnieli 用NOAA AVH RR热通道数据演算地表温度的劈窗算法 J 国土资源遥感 2001 48 02 33 42 8 Kaufman Y J Gao B C Remote Sensing of Water Vapor in the Near IR from EOS MODIS J IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 1992 30 5 871 884 9 毛克彪 覃志豪 施建成等 针对MODIS影像的劈窗算法研究 J 武汉大学学报 信息科学版 2005 30 8 703 707 10 覃志豪 李文娟 徐斌 等 陆地卫星TM6波段范围内地表比辐射率的估计 J 国土资源遥感 2004 3 28 32 11 Qin Z KarnieliA Progress in the Remote Sensing of L