龍口市城市熱島效應(yīng)與植被指數(shù)相關(guān)性研究

張 輝，吳泉源，張 芬，徐燕慧，翟苗苗

（山東師范大學(xué) 人口·資源與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南250014）

1 研究內(nèi)容及研究方法

“城市熱島效應(yīng)”也稱“大氣熱污染現(xiàn)象”，是指城區(qū)氣溫高于郊區(qū)氣溫，高溫城區(qū)被低溫郊區(qū)包圍，形成內(nèi)高外低的島嶼形式，故稱為“城市熱島效應(yīng)”［1］。國內(nèi)外許多學(xué)者借助熱紅外遙感數(shù)據(jù)研究城市熱島效應(yīng)，取得了良好效果。大量研究表明：加強綠化借以改變城市下墊面的熱環(huán)境可以有效緩解熱島效應(yīng)［2］。

本研究通過分析龍口地區(qū)植被指數(shù)和地表溫度之間的關(guān)系，來論證加強綠化對熱島效應(yīng)的緩解作用。主要通過近紅外波段和可見光紅色波段的運算來獲取植被指數(shù)，進(jìn)而計算地表輻射率，然后以熱紅外遙感理論反演研究區(qū)的地表溫度，借此分析植被對城市地表溫度的影響。

2 數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)預(yù)處理

選用LandsatTM遙感影像作為數(shù)據(jù)源，獲取2010年6月12日（landsat5TM）覆蓋龍口市區(qū)域的遙感影像數(shù)據(jù)（圖1）。在進(jìn)行熱島遙感研究中，基礎(chǔ)分析數(shù)據(jù)是TM6波段影像。在進(jìn)行植被指數(shù)研究中，基礎(chǔ)分析數(shù)據(jù)是TM3和TM4波段影像。此外，還獲取了一些相關(guān)的地理信息數(shù)據(jù)，主要是城市電子地圖。

圖1 龍口市遙感影像

采用多項式變換模型對龍口地區(qū)影像進(jìn)行幾何校正，確保影像光譜特征不變。主要包括影像到地理信息空間的校正和影像到影像的配準(zhǔn)兩個方面。

3 亮度溫度反演模型與歸一化植被指數(shù)模型

3.1 亮度溫度反演模型

地面輻射溫度又稱“地面亮溫”，是遙感器在衛(wèi)星高度所觀測到的與熱輻射強度相對應(yīng)的溫度［3］。地面亮溫能很好地反映出地面的熱分布狀況，為分析城市熱島提供依據(jù)。主要過程為把影像灰度值根據(jù)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為熱輻射強度值，然后根據(jù)模型把熱輻射強度轉(zhuǎn)化為亮度溫度。

對于TM數(shù)據(jù)，影像的輻射強度與其灰度值有如下關(guān)系：

L＝Lmin＋（Lmax－Lmin）QDN／255

式中：L為遙感器所接收到的輻射強度；QDN為像元灰度值；Lmax、Lmin為遙感器所接收到的最大和最小輻射強度，查找影像頭文件可得到Lmax＝15.303，Lmin＝1.238。

將熱輻射強度轉(zhuǎn)化為亮度溫度的公式為［4］：

T＝K2／ln（K1／L＋1）

式中：T為亮度溫度；K1、K2為衛(wèi)星預(yù)設(shè)常數(shù)，K1＝1260.56，K2＝60.766。

通過上述公式和建模工具建立亮度溫度反演模型（圖2）：

圖2 亮度溫度反演模型

3.2 歸一化植被指數(shù)模型

植被指數(shù)是指利用衛(wèi)星不同波段探測數(shù)據(jù)組合而成的，能反映植物生長狀況的指數(shù)［5］。在所有的植被指數(shù)中，歸一化植被指數(shù)在一定程度上能夠消除云等干擾因素的影響，是被廣泛應(yīng)用的一種植被指數(shù)。

計算公式如下：

INDV＝（R4－R3）／（R4＋R3）

式中：R4為TM4波段反射率；R3為TM3波段反射率。

通過上述公式和建模工具建立歸一化植被指數(shù)模型（圖3）。

圖3 歸一化植被指數(shù)模型

4 結(jié)果與分析

4.1 輻射溫度反演

反演結(jié)果表明：低溫區(qū)主要分布在水體、灘涂、耕地中；中溫區(qū)主要分布在林地、草地中；高溫區(qū)主要分布在建設(shè)用地和道路中。從反演結(jié)果圖上可以看出，高溫區(qū)主要分布在城區(qū)（圖4）。

圖4 2010年亮度溫度反演

4.2 歸一化植被指數(shù)

從歸一化植被指數(shù)圖（圖5）可以看出，龍口市的西北部與東部的植被指數(shù)數(shù)值比其他地區(qū)大，但城區(qū)內(nèi)歸一化植被指數(shù)較小，因為大量的建筑物、道路分布在城區(qū)。部分地區(qū)歸一化植被指數(shù)為負(fù)值，這說明該區(qū)域是水體或灘涂。

4.3 地面溫度和歸一化植被指數(shù)關(guān)系

研究地表溫度與歸一化植被指數(shù)之間的關(guān)系時，需要收集到地表溫度與植被指數(shù)相對應(yīng)的一組數(shù)據(jù)［6］。本研究中，在亮度溫度圖及歸一化植被指數(shù)圖上提取具有相同坐標(biāo)的30個點的亮度溫度值和歸一化植被指數(shù)值。然后通過SPSS統(tǒng)計分析軟件，根據(jù)采樣點收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性相關(guān)分析，得到了代表2010年歸一化植被指數(shù)與地表溫度的相關(guān)趨勢圖（圖6），回歸方程如下：

Y＝－8.171 7 X＋17.253（R2＝0.59）

圖5 2010年歸一化植被指數(shù)

圖6 地面溫度和歸一化植被指數(shù)關(guān)系

植被可以影響地面溫度，植被稀疏區(qū)植被指數(shù)值較小，但其相對溫度較高；植被茂盛區(qū)植被指數(shù)值較大，但其相對溫度較小。歸一化植被指數(shù)與地表溫度相關(guān)趨勢模型中，呈現(xiàn)了一定的分布規(guī)律：對于植被指數(shù)較大地區(qū)，植物葉面溫度低于裸露地面的表面溫度；對于建筑物比較密集處，受到植被稀疏、硬化路面吸熱強等因素的影響，地面溫度較高；對于有水徑流的區(qū)域，INDV常顯示為負(fù)值；地面輻射溫度與歸一化植被指數(shù)呈顯著的負(fù)相關(guān)性。

5 結(jié)語

利用遙感影像光譜信息及其與地面熱信息的相關(guān)性，建立模型反演地表溫度，并得到2010年歸一化植被指數(shù)。用擬合法對地面溫度與歸一化植被指數(shù)進(jìn)行線性相關(guān)分析并獲得回歸方程。結(jié)果表明：歸一化植被指數(shù)值低的地方，地面溫度較高；歸一化植被指數(shù)值高的地方，地面溫度較低。結(jié)論如下。

（1）從亮度溫度反演結(jié)果可以看出，地面亮溫與地面土地覆蓋類型有關(guān)，低溫區(qū)主要分布在水體、灘涂、耕地中；中溫區(qū)主要分布在林地、草地中；高溫區(qū)主要分布在建設(shè)用地和道路中。

（2）從歸一化植被指數(shù)圖可以看到，建設(shè)用地植被指數(shù)值相對較小，水體植被指數(shù)值為負(fù)值。

（3）用擬合法對地面溫度與歸一化植被指數(shù)進(jìn)行線性相關(guān)分析，可以看到地面輻射溫度與歸一化植被指數(shù)呈顯著的負(fù)相關(guān)性。

（4）植被可以有效降低地面溫度，因此在城市中設(shè)置綠化帶、街心公園等生態(tài)設(shè)施，可以緩解城市熱島效應(yīng)對人們生活的影響。

［1］ Howard L.The Climate of London［M］.London，1818.

［2］ Brest C.L，Goward S.N.Deriving surface albedo measurements from narrow satellite data［J］.International Journal of Remote Sensing，1987（11）：123～125.

［3］ 柳欽火，徐希孺，陳家宜.遙感地表溫度與比輻射率的迭代反演方法［J］.遙感學(xué)報，1998，2（1）：1～8.

［4］ Chavez P.S.Jr.Image－based atmospheric corrections revisited and improved［J］.Photogrammetric Engineering and Remote Sensing，1996，62（9）：1025～1036.

［5］ 郭 紅，龔文峰，李 雁，等.哈爾濱市熱島效應(yīng)與植被的關(guān)系——基于RS和GIS的定量研究［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2007，16（2）：22～26.

［6］ 錢樂祥，丁圣彥.珠江三角洲土地覆蓋變化對地表溫度的影響［J］.地理學(xué)報，2005，60（5）：761～770.