龍口市城市熱島效應與植被指數相關性研究

張 輝，吳泉源，張 芬，徐燕慧，翟苗苗

（山東師范大學 人口·資源與環境學院，山東 濟南250014）

1 研究內容及研究方法

“城市熱島效應”也稱“大氣熱污染現象”，是指城區氣溫高于郊區氣溫，高溫城區被低溫郊區包圍，形成內高外低的島嶼形式，故稱為“城市熱島效應”［1］。國內外許多學者借助熱紅外遙感數據研究城市熱島效應，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境可以有效緩解熱島效應［2］。

本研究通過分析龍口地區植被指數和地表溫度之間的關系，來論證加強綠化對熱島效應的緩解作用。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，進而計算地表輻射率，然后以熱紅外遙感理論反演研究區的地表溫度，借此分析植被對城市地表溫度的影響。

2 數據及數據預處理

選用LandsatTM遙感影像作為數據源，獲取2010年6月12日（landsat5TM）覆蓋龍口市區域的遙感影像數據（圖1）。在進行熱島遙感研究中，基礎分析數據是TM6波段影像。在進行植被指數研究中，基礎分析數據是TM3和TM4波段影像。此外，還獲取了一些相關的地理信息數據，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影像進行幾何校正，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兩個方面。

3 亮度溫度反演模型與歸一化植被指數模型

3.1 亮度溫度反演模型

地面輻射溫度又稱“地面亮溫”，是遙感器在衛星高度所觀測到的與熱輻射強度相對應的溫度［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。主要過程為把影像灰度值根據數學模型轉化為熱輻射強度值，然后根據模型把熱輻射強度轉化為亮度溫度。

對于TM數據，影像的輻射強度與其灰度值有如下關系：

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為衛星預設常數，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 歸一化植被指數模型

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

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模型（圖3）。

圖3 歸一化植被指數模型

4 結果與分析

4.1 輻射溫度反演

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

圖4 2010年亮度溫度反演

4.2 歸一化植被指數

從歸一化植被指數圖（圖5）可以看出，龍口市的西北部與東部的植被指數數值比其他地區大，但城區內歸一化植被指數較小，因為大量的建筑物、道路分布在城區。部分地區歸一化植被指數為負值，這說明該區域是水體或灘涂。

4.3 地面溫度和歸一化植被指數關系

研究地表溫度與歸一化植被指數之間的關系時，需要收集到地表溫度與植被指數相對應的一組數據［6］。本研究中，在亮度溫度圖及歸一化植被指數圖上提取具有相同坐標的30個點的亮度溫度值和歸一化植被指數值。然后通過SPSS統計分析軟件，根據采樣點收集到的數據進行線性相關分析，得到了代表2010年歸一化植被指數與地表溫度的相關趨勢圖（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

圖6 地面溫度和歸一化植被指數關系

植被可以影響地面溫度，植被稀疏區植被指數值較小，但其相對溫度較高；植被茂盛區植被指數值較大，但其相對溫度較小。歸一化植被指數與地表溫度相關趨勢模型中，呈現了一定的分布規律：對于植被指數較大地區，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；對于有水徑流的區域，INDV常顯示為負值；地面輻射溫度與歸一化植被指數呈顯著的負相關性。

5 結語

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

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

（2）從歸一化植被指數圖可以看到，建設用地植被指數值相對較小，水體植被指數值為負值。

（3）用擬合法對地面溫度與歸一化植被指數進行線性相關分析，可以看到地面輻射溫度與歸一化植被指數呈顯著的負相關性。

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

［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.哈爾濱市熱島效應與植被的關系——基于RS和GIS的定量研究［J］.自然災害學報，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］.地理學報，2005，60（5）：761～770.