基于Landsat影像的哈尔滨市热岛效应时空变化研究

第43卷第12期2020年12月
测绘与空间地理信息
GEOMATICS&SPATIALINFORMATIONTECHNOLOGY
Vol.43ꎬNo.12Dec.ꎬ2020
收稿日期:2019-12-23
基金项目:黑龙江省普通高校重点实验室空间地理信息综合实验室开放课题  地物混合光谱测试及解混研究(KJKF-14-02)资助作者简介:刘丹丹(1972-)ꎬ女ꎬ黑龙江哈尔滨人ꎬ教授ꎬ博士ꎬ2008年毕业于东北林业大学森林经理学专业ꎬ主要从事摄影测量与遥
感方面的教学科研工作ꎮ
基于Landsat影像的哈尔滨市热岛
效应时空变化研究
刘丹丹ꎬ刘㊀江ꎬ姜洪博
(黑龙江工程学院ꎬ黑龙江哈尔滨150050)
摘要:利用Landsat4期影像数据ꎬ使用单窗算法ꎬ对哈尔滨二环内的区域进行地表温度反演ꎬ分析了35年来哈
尔滨市城区的温度热岛效应ꎬ获得了哈尔滨市研究区域的热岛变化特征ꎮ研究结果表明:就二环的平均温度而言ꎬ近35年来呈逐渐升高的趋势ꎬ以松北区的平均温度升高得最多ꎻ2017相较1984年ꎬ松北平均温度上升
2.28ħꎬ二环平均上升的温度为0.58ħꎻ4期平均温度中ꎬ香坊区的平均温度最高ꎬ为23.69ħꎬ松北区最低ꎬ为21.49ħꎮ研究结果可为哈尔滨市的城镇化㊁工业化建设提供理论依据ꎮ关键词:Landsat影像ꎻ单窗算法ꎻ温度ꎻ分析
中图分类号:P237㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1672-5867(2020)12-0005-03
StudyontheTemporalandSpatialVariationofHeatIsland
EffectinHarbinBasedonLandsatImage
LIUDandanꎬLIUJiangꎬJIANGHongbo
(SchoolofSurveyingandMappingEngineeringꎬHeilongjiangUniversityofEngineeringꎬHarbin150050ꎬChina)Abstract:InthepaperꎬusingfourLandsatimagesofdifferenttimeandsinglewindowalgorithmꎬthesurfacetemperatureisinversed
withinthesecondringroadofHarbin.ThepaperanalyzestheeffectofthermometerheatislandinHarbinurbanareainthepast35yearsꎬandobtainsthecharacteristicsofheatislandchangeinHarbin.Theresultsshowthattheaveragetemperatureofthesecondring
hasbeenincreasinggraduallyinthepast35yearswhiletheaveragetemperatureofSongbeiDistrictincreasedthemost.Comparedwith
1984ꎬtheaveragetemperatureofSongbeiDistrictincreasedby2.28ħin2017ꎬwhiletheaveragetemperatureofthesecondringroadincreasedby0.58ħ.InthefourperiodsꎬtheaveragetemperatureinXiangfangDistrictwasthehighestat23.69ħꎬandthelowestat
21.49ħinSongbeiDistrict.TheresearchresultscanprovidetheoreticalbasisfortheurbanizationandindustrializationconstructionofHarbin.
Keywords:Landsatimageꎻsinglewindowalgorithmꎻtemperatureꎻanalyze
0㊀引㊀言
城市热岛效应是指城市中的气温明显高于外围郊区的现象
[1]
ꎮ随着卫星影像数据在各个领域中广泛应用ꎬ
遥感技术的发展迅猛ꎬ热红外遥感技术的进步ꎬ大范围㊁实时㊁便捷地监测地表温度成为现实[2]ꎮ1958年
Manley[3]首次提出了城市热岛(URbanHeatIslanꎬUHI)的概念ꎬ并利用城市和郊区的实时气温监测数据研究城市的热岛效应ꎮ自20世纪60年代始ꎬ国内外学者利用遥感
技术ꎬ探索遥感数据的地表反演方法ꎬ采用相关理论算法
德鲁兹人提供具有时间和空间的地表真实温度信息ꎬ解决了传统点源表面观测的相对局限性问题[4-10]
ꎮ哈尔滨市作为东
北三省第二大省会城市ꎬ其城市热岛效应很大程度上反
映了黑龙江省的经济发展趋势ꎮ
本文利用遥感卫星图像数据的热红外波段提取地温热量信息ꎬ并用GIS进行分析ꎬ直观全面地研究哈尔滨市热岛中心的影像因素㊁分布规律并提出相对的削弱热岛效应策略ꎬ这是降低城市热岛效应强度㊁为城市生态环境提供保护的重要措施ꎮ研究哈尔滨热岛效应对东北三省的城镇化㊁工业化都有重要意义ꎮ
1㊀实验分析
1.1㊀研究区概况及获取
研究所用的遥感图像数据为Landsat卫星TM/ETM
+/OLI数据ꎬ数据信息见表1ꎬ数据来源为地理空间数据
云网站(http://www.gscloud.cn/ꎮ选取云覆盖量低于10%ꎮ
表1㊀数据属性表
Tab.1㊀Propertytableofdata
数据行列号获取时间数据级别数据来源数据名称118/281984.9.14Level1T地理空间数据云Landsat5TM118/281993.9.7Level1T地理空间数据云Landsat5TM118/282002.9.24Level1T地理空间数据云Landsat7ETM+118/28
2017.9.25
Level1T
地理空间数据云
Landsat8OLI
1.2㊀研究方法
地表温度反演算法很多ꎬ结合本文研究的数据类型
LandsatTM/ETM数据以及Landsat8OLI/TIRS数据ꎬ采用
电磁波屏蔽覃志豪的单窗算法反演地表温度ꎬ利用NDVI影像ꎬ得出植被覆盖度影像ꎬ进而得到比辐射率图像ꎬ算出同温度下黑体辐射亮度值后ꎬ由普朗克公式得出地表真实温度值ꎮ技术路线图如图1所示
图1㊀技术路线图Fig.1㊀Technologyroadmap
1.3㊀数据预处理
采用FLAASH大气校正模型对遥感数据进行校正ꎮFLAASH是基于在MODTRAN4+辐射传输模型ꎬ该方法精准度高ꎬ任一和图像有关系的标准MODTRAN大气模型和气溶胶种类都可以无差别使用ꎮ采用地面控制点对影像进行多项式校正ꎬ校正后的精度大于0.5个像元ꎬ采用地形图对哈尔滨市二环以里的区域进行剪切ꎬ得到哈尔滨市二环以里的遥感影像ꎬ即研究区域ꎮ
1.4㊀植被盖度的计算
政府的危机公关
根据公式计算得出研究区域的NDVI图ꎬ如图2所示ꎮ
森林盖度是指植被(包括叶㊁茎㊁枝)
在地面的垂直投
图2㊀研究区域归一化植被指数Fig.2㊀Normalizeddifferencevegetation
㊀㊀㊀㊀indexofthestudyarea
影面积占统计区总面积的百分比ꎬ本次研究采用像元二分模型计算植被盖度ꎮ像元二分模型假设一个像
元的地表由有植被覆盖部分地表与无植被覆盖部分地表组成ꎬ而遥感传感器观测到的光谱信息也由这2个组分因子线性加权合成ꎬ各因子的权重是各自的面积在像元中所占的比率ꎬ植被盖度可看做是植被的权重ꎮ根据像元二分模型的原理ꎬ通过遥感传感器所观测到的信息可以表达为由绿植被部分所贡献的信息ꎬ和由无植被覆盖(裸土)部分所贡献的信息两部分ꎬ传感器所获取的光谱值是
每个组分对其的贡献和ꎬ贡献信息的权重可表示为每个组分对应的地表面积中所占的比例ꎮ
由于归一化植被指数NDVI也是一种由遥感传感器所接收的地物光谱信息推算而得的反映地表植被状况的定量值ꎮ根据像元二分模型ꎬ一个像元的NDVI值可以表达为由绿植被部分所贡献的信息与由无植被覆盖(裸土)部分所贡献的信息两部分组成ꎬ因此ꎬ基于像元二分模型的森林覆盖度反演模型可表示为:
fc=(NDVI-NDVInon-crown)/(NDVIcrown-NDVInon-crown)
其中ꎬNDVI为归一化植被指数ꎬ在NDVI中到累积
概率为5%和95%的NDVI值作为NDVInon-crown和NDVIcrownꎮ为了获取植被覆盖度值ꎬ算取植被覆盖度的数
值时ꎬ要对上述得到的NDVI图像进行算法计算ꎬ并使用其基本定义ꎬ当存在的像元的NDVI值比NDVIcrown大时ꎬ其植被覆盖度的值就是1ꎻ当NDVI小于NDVInon-crownꎬ值6
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
测绘与空间地理信息㊀
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2020年
为0ꎮ经过计算得到植被覆盖度图ꎬ如图3所示
ꎮ图3㊀植被覆盖度图
Fig.3㊀Vegetationcoveragemap
1.5㊀比辐射率的计算
在计算地表比辐射率时ꎬ主要将地表分为水域㊁人类聚集地和地表自然表面3种类型ꎮ水域的像元复制为0.995ꎬ而地表自然表面和人类聚集地的比辐射率则使用下面列出的公式进行计算ꎮ比辐射率如图4所示ꎮ
εsurface=0.9625+0.0614fc-0.0461f2c
εbuilding=0.9589+0.086fc-0.0671f2
图4㊀比辐射率图Fig.4㊀Emissivitymap
1.6㊀辐射亮度值的计算
被卫星搭载的传感器接受的热烘辐射亮度值主要由三部分构成:大气上行辐射亮度ꎻ地表的真实辐射亮度在穿过大气层后被传感器感应到的能量ꎻ大气下行辐射到达地面后反射的能量强度ꎮ该方程式可以被写做:
Bi(TS)=(Li-Lʏai-τ0i(1-εi)Lˌai)/τ0iεiS)
其中:ε是表面发射率ꎬτ为大气在热红外波段的透过率ꎬBi(TS)为在热红外波段中具有温度T的黑体的辐射亮度值ꎮ
在NASA(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)ꎬ提供影像的获取时间以及条带号的中心经度㊁中心纬度ꎬ使用在得到的大气参数ꎬ使用60m分辨率的表面发射率值和热红外波段后的大气校正的辐射校准值ꎬ获得㊀㊀
在热红外波段中的温度T下的黑体的辐射值Bꎬ如图5所示
图5㊀辐射亮度值图Fig.5㊀Radiancevaluegraph
1.7㊀地表真实温度反演
在得到黑体的辐射亮度之后ꎬ根据普朗克公式的反函数ꎬ获得地表真实温度ꎮ
TS=K2/ln(K1/B(TS)+1)
因为对于不同的传感器式中的参数也不相同ꎬ对于ETM+ꎬK1=666.09W/(m2 sr μm)ꎬK2=1282.71Kꎻ对
于Landsat-8ꎬK1=774.8853W/(m2 sr μm)ꎬK2=
1321.0789Kꎻ对于TM影像ꎬK1=607.76W/(m2 sr μm)ꎬK2=1206.56Kꎮ
b1:同一温度下的黑体在热红外波段的辐射亮度值ꎬ
计算得出的地表实际温度值ꎬ单位是摄氏度ꎮ
经密度分割ꎬ地表温度图如图6所示
图6㊀1984 2017年地表温度等级图Fig.6㊀Mapofsurfacetemperaturegrades
㊀㊀㊀㊀among1984 2017
2㊀哈尔滨热岛效应分析
1)由各年份温度统计见表2ꎬ1993年整体平均温度上
升幅度大ꎬ而后趋于平缓ꎬ就二环的平均温度而言ꎬ近35年来还是呈逐渐升高的趋势ꎮ其中ꎬ以松北区的平均温度升高得最多ꎬ2017相较1984年ꎬ松北平均温度上升
2.28ħꎬ二环平均上升的温度为0.58ħꎮ
表2㊀各年份温度统计表
Tab.2㊀Temperaturestatisticsofeachyear
1984.9.141993.9.72002.9.242017.9.25Min
Max
Mean
Min
Max
Mean
Min
Max
Mean
Min
Max
Mean
道里15.3029.7920.7020.6737.6327.4014.0131.5022.4914.9332.4721.64道外13.6429.7120.8120.6736.6127.579.1937.2021.1914.2732.3421.77松北15.8527.2418.7520.6737.1324.7812.6637.2021.4114.2529.5221.03南岗16.3928.6422.6623.8836.9529.426.34333.2422.4816.9630.7921.87香坊
15.30
34.1822.17
21.19
41.5928.30
10.59
33.8122.68
15.84
34.1521.60
(下转第13页)黄果树瀑布教学设计
第12期
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[编辑:刘莉鑫]
(上接第7页)
㊀㊀2001年ꎬ城镇供水应急项目和运输燃料跨越松花江项目完成ꎬ磨盘山水库工程也开始建设ꎮ为了建设绿城市ꎬ哈尔滨市政府听取人民众的意见ꎬ着重治理哈尔滨居民的生活环境ꎬ在一年中拆迁了600多个违规建筑㊁工业设施ꎬ同时建成342处景观园林ꎮ15个城市广场拔地而起ꎬ中心街道完成绿化工作33处ꎮ所以对比1993地表温度等级图ꎬ2002年哈尔滨的热岛效应明显下降ꎮ2)哈尔滨二环内的高温区在1984 1993年主要是在老城区ꎬ人口分布密度高ꎻ中工业生产区域ꎬ集中在道外区㊁香坊区ꎬ这两个区的热岛效应区域在5个区域中是最多的ꎬ其中一个原因是ꎬ道外区是哈尔滨市的老城区ꎬ建筑物多ꎬ人口多且集中ꎬ人为活动影响的因素比较大ꎬ以前也多使用煤炭㊁秸秆的燃烧来释放热量ꎬ排放的热量比较大ꎬ道外区还有部分地区为工业化的区域ꎬ工业生产造成的热量也造就了城市热岛效应ꎮ
3)四期平均温度中ꎬ香坊区的平均温度最高ꎬ为23.69ħꎮ香坊区工业区域较多ꎬ知名的哈药六厂等工业区都在香坊区扎根ꎬ且香坊区高楼较多ꎬ密度大ꎬ近乎形成一个闭合回环ꎬ高楼和广场之间的多次反射和吸收ꎬ再加上工作人员的上下班ꎬ造成了人员的流动ꎬ因而温度偏高ꎮ松北区最低ꎬ为21.49ħꎮ主要原因为松北区位于松花江哈尔滨城区段北岸ꎬ植被覆盖率高ꎬ人口密度偏小ꎮ3㊀结束语
本次研究采用1984年㊁1993年㊁2002年㊁2017年8月份的Landsat数据ꎬ使用单窗算法对哈尔滨二环内的区域进行地表温度反演ꎬ并对反演结果进行统计分析ꎬ对哈尔滨市二环内进行热岛效应研究ꎮ哈尔滨作为东三省第二大省会城市ꎬ对哈尔滨进行城市效应分析ꎬ很大程度上反映了黑龙江的经济发展趋势ꎬ研究哈尔滨热岛效应对东北三省的城镇化㊁工业化都有重要意义ꎮ参考文献:
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[编辑:刘莉鑫]
华蓥山断裂带31
第12期钟㊀滨等:基于光谱与纹理特征的高分二号竹林信息提取

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