基于MODIS數據的青島市城市熱島效應非一致性分析

于 臻，許君一，劉佳傳

（1.山東科技大學，山東 青島 266000； 2.海島（礁）測繪技術國家測繪局重點實驗室,山東 青島266000）

基于MODIS數據的青島市城市熱島效應非一致性分析

于 臻1,2，許君一1,2，劉佳傳1

（1.山東科技大學，山東 青島 266000； 2.海島（礁）測繪技術國家測繪局重點實驗室,山東 青島266000）

利用2011年各月的MODIS數據,反演得到青島地區地表溫度數據和植被覆蓋數據，對其地表溫度與植被覆蓋的分布狀況及相互關系進行定量研究。實驗表明，青島市存在熱島效應，且熱島效應夏秋季節在市區表現較為明顯，在夏秋季節內地表溫度與植被覆蓋之間呈現顯著的負相關關系。此外，還對比了青島市與上海市的城市熱島效應的不同，對青島市熱島效應非一致性作出進一步分析。

城市熱島；MODIS；地表溫度；植被覆蓋

持續的高溫或低溫、劇烈的溫度波動、巨大的地區溫度差異等熱效應是改變地球環境的重要推動力。這類熱現象的共同特點是時間與空間上的熱分布的非均勻性和熱運動的非平穩性。這類熱現象本質上是由熱分布和熱運動的復雜因素引起的。Jones[1]等的研究表明，城市的熱效應隨著地理位置、氣候環境、地質構造、城市規模及產業結構等的不同而不同。Peng[2]等通過多城市的氣候、熱效應等的對比指出，城市之間的熱效應在時間和空間上有明顯的特征差異。本文把城市之間的熱效應差異問題統稱為熱效應的時空非一致性問題。Weng[3]等分析了不同的環境因素與熱島效應之間的關系，進而預測熱島效應的發展趨勢，以期尋找解決熱島效應的有效途徑。

本文只針對城市環境下的城市熱島效應非一致性問題進行探討。本文采用MODIS數據，利用劈窗算法反演地表溫度，并對青島城市熱島的空間分布及季節特征進行分析研究，定量地分析了青島市LST與NDVI的相互關系，結合薛丹所做的上海市LST與NDVI的相互關系進行對比分析，對造成青島城市熱島效應非一致性原因作出具體分析。

1 研究區域數據選擇和方法

青島位于北緯35°35'～37°09'，東經119°30'～121°00'，總面積約為10 654 km2，其位于北溫帶季風區，又受海洋調節，氣候具有明顯的海洋性。夏季平均氣溫24 ℃，冬季平均氣溫0 ℃以上，年平均降雨量662 mm，冬暖夏涼，四季分明。

1.1 所用資料

本文所采用的地表溫度（LST）數據是由美國航天局NASA提供的1 km空間分辨率、8 d合成的MOD11A2產品。歸一化植被指數（NDVI）采用的是NASA提供的1 km空間分辨率、16 d合成的MOD13A1產品。采用青島市2011年1月、4月、7月、12月的數據代表春夏秋冬四季的特征。數據下載完畢后兩種產品均通過NASA自己開發的處理MODIS產品軟件MRT進行重投影，統一轉化為Albers投影。

1.2 LST與NDVI的計算

運用分裂窗算法采用MODIS數據反演LST的公式如下[4]：

式中，ε和Δ ε分別為MODIS 第31通道和第32通道的地表比輻射率的平均值和差值；T31和T32分別為這2個通道的亮度溫度；C，Ai和Bi為系數，i=1, 2, 3，系數值可通過查多維查詢表獲得：

式中，ρn和ρr分別代表了近紅外波段和紅光波段的反射率。

2 數據處理

2.1 青島市MODIS 11數據處理

對MODIS 11數據進行圖像預處理，通過ENVI波段運算，將地表溫度轉換為實際地表溫度值，整理所得數據，去除有異常值和表面缺失數據，得到2011年1月、4月、7月、10月4個月的溫度值，選取各月最高、最低溫度，并同時計算各月平均溫度，進行溫差計算。所得數據如表1所示。

表1 2011年各月地表溫度表

圖1 地表溫度圖

圖2 NDVI圖

由圖可得，2011年夏秋季節熱島效應明顯，熱島主要分布在青島市內市北區和李滄區以及城陽中部地區，呈環狀分布，其溫度明顯高于當月平均溫度。這些區域人口密度大，工業經濟發達，其溫度明顯高于其他地方，形成城市熱島。而東部嶗山地區由于植被覆蓋比較高，因此溫度相對較低。這也說明了下墊面的植被覆蓋對地表溫度有一定影響。

從地表溫度分布來看，青島沿海地區春夏季節受海洋氣候調節，沿海溫度明顯低于內陸，東部嶗山地區由于是山地迎風坡，暖濕氣流對氣候調節起了一定作用，因此春夏季節溫差大于秋冬季節。

2.2 MOD13數據處理

MOD13數據通過圖像預處理進行波段運算可以得到圖2。

研究表明[5]，植被覆蓋的分布與降水量有密切關系。冬季降水量少，NDVI低，夏季降水量多，NDVI高。2011年夏秋季，NDVI指數在青島南部和東部綠色區域可以達到0．6～0．8以上，此季節正值青島雨季，降水較多，植被長勢比較好，東部嶗山地區尤為明顯，而與此相對應的LST溫度相對較低。但是在青島市內城區，NDVI指數分布在0．2～0．4左右，LST溫度相對較高，造成這種現象的原因與城市中心建設發展導致植被覆蓋降低有很大關系。2011年冬春季節正值青島旱季，降水較少，植被覆蓋率較低，大部分地區的NDVI指數保持在0．2～0．3內，而中部和東部嶗山地區在0．4以上。

2.3 LST與NDVI的關系

由前述分析可以看出，青島市的植被覆蓋度對地表溫度有一定的影響。為了定量描述青島市NDVI對LST的影響，對2011年1月、4月、7月、10月的NDVI與LST關系進行定量分析。在前述反演LST和NDVI遙感信息的基礎上，選取整個青島地區作為對應的樣本點，利用ENVI對其進行讀值統計，用MATLAB制出LST-NDVI散點系列圖（如圖3），并建立相應的統計回歸方程和擬合系數，如表2所示。

表2 2011年各月回歸方程及相關系數統計

由圖可以看出，青島市LST和NDVI呈現顯著負相關關系，與文獻[4,6-8]結論一致，而在其置信區間95%以內，表2建立了LST與NDVI的線性函數關系。由表可見，在夏秋季節LST和NDVI的負相關系數數值都比較高（R2＞0．65），說明LST與NDVI具有較好的線性關系。隨著NDVI的增加，LST隨之降低。而冬春季節負相關系數相對較低（R2＜0．65），說明LST的增加不僅僅受NDVI這一個因素的影響，單從植被覆蓋面積這個因素來分析影響熱島效應是不夠的。

2.4 青島市LST與NDVI非一致性分析

圖3 LST-NDVI散點圖

在眾多對LST與NDVI關系的研究中，薛丹[9]等分析了上海市熱島效應的四季變化，并且給出了2011年1月、4月、7月、10月的NDVI與LST的回歸方程。本文結合上海市數據與青島市城市熱到效應作對比分析，結論如圖4所示。

3 結 語

本文對青島市城市熱島空間分布狀況、季節變化情況以及影響城市熱島的因素進行分析探討，并對地表溫度與植被覆蓋的相關關系作定量分析。可以看出，青島城市熱島范圍與市區范圍大致相同，且夏秋季節熱島效應強烈。而地表溫度與植被覆蓋呈負相關關系，說明增加植被覆蓋，擴大城市綠化，改善城市下墊面的類型，合理布局，可以起到對熱島效應的有效緩解。由于條件所限，關于青島熱島效應的年際變化規律，如何進一步提高地表溫度的反演精度，以及造成熱島效應的人為因素等問題，還需在日后進一步探索。

圖4 青島市與上海市非一致性原因對比分析

[1] Jones P D, Lister D H, Li Q． Urbanization Effects in large-scale Temperature Records, with an Emphasis on China[J]． Journal of Geophysical Research,2008,113:D16122

[2] Peng S, Piao S, Ciais P, et al． Surface Urban Heat Island Across 419 Global Big Cities[J]．Environmental Science & Technology,2012(46):696-703

[3] Weng Qihao,Lu Dengsheng,Schubring J．Estimation of Land Surface Temperature-Vegetation Abundance Relationship for Urban Heat Island Studies[J]． Remote Sensing of Environment, 2004(89):467-483

[4] 王艷姣,張培群,董文杰,等．基于MODIS數據的重慶市地表熱環境效應研究[J]．環境科學研究，2008,21(3):98-103

[5] Lo C P, Quattrochi D A, Luvall J C． Application of High-Resolutionthermal Infrared Remote Sensing and GIS to Assess the Urban Heatisland Effect[J]． International Journal of Remote Sensing, 1997(18):287-303

[6] Gallo K P, McNabal, Karl T R, et al． The Use of Vegetation Index for Assessment of the Urban Heat IslandEffect[J]．International Journal of Remote Sensing,1993(14):2 223-2 230

[7] Nichol J E． High Resolution Surface TemperaturePatterns Related to Urban Morphology in a TropicalCity: a Satellite-Based Study [J]．Journal of Applied Meteorology, 1996(35):135-146

[8] 郭紅,龔文峰,李雁,等．哈爾濱市熱島效應與植被關系——基于RS和GIS的定量研究[J]．自然災害學報，2007,16(2):22-26

[9] 薛丹,李成范,雷鳴,等．基于 MODIS 數據的上海市熱島效應的遙感研究[J]．測繪與空間地理信息，2013,36(4):1-3

P237.9

B

1672-4623（2015）02-0114-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.041

于臻，碩士，主要研究方向為遙感科學技術與應用。

2014-08-04。

項目來源：現代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室開放課題資助項目(20111204W)。