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:２０１９－０７－１６
作者简介：王力涛(１９８６－)ꎬ男ꎬ河北邢台人ꎬ工程师ꎬ学士ꎬ主要从事工程测量方面的工作ꎮ
七月论坛王力涛１ꎬ高㊀伟２ꎬ庄春晓１
(１.天津市勘察院ꎬ天津３００１１０ꎻ２.湖北省建筑科学研究设计院ꎬ湖北武汉４３００７１)
摘要：首先基于Ｌａｎｄｓａｔ－８数据反演天津市蓟州区地表温度ꎻ其次根据热岛效应等级划分标准将研究区划分为 高温区㊁常温区和低温区３个等级ꎻ然后ꎬ定量统计不同土地利用类型的地表温度ꎻ最后ꎬ定量建立回归方程分析地表温度与不同遥感指数之间的相关关系ꎬ从而揭示天津市蓟州区热岛效应与土地利用的关系以及影响下垫面地表温度的主要因素ꎮ
关键词：地表温度ꎻ土地利用ꎻ热岛效应
中图分类号:Ｐ２３７㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１６７２－５８６７(２０２０)１２－００９０－０３
ＱｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎＵｒｂａｎＨｅａｔＩｓｌａｎｄＥｆｆｅｃｔａｎｄＬａｎｄＵｓｅｉｎＪｉｚｈｏｕＤｉｓｔｒｉｃｔｏｆ
ＴｉａｎｊｉｎＢａｓｅｄｏｎＬａｎｄｓａｔ－８Ｄａｔａ
ＷＡＮＧＬｉｔａｏ１ꎬＧＡＯＷｅｉ２ꎬＺＨＵＡＮＧＣｈｕｎｘｉａｏ１
少年画报(１.ＴｉａｎｊｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎＳｕｒｖｅｙｉｎｇꎬＴｉａｎｊｉｎ３００１１０ꎬＣｈｉｎａꎻ
２.ＨｕｂｅｉＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＡｃａｄｅｍｙｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｓｉｇｎꎬＷｕｈａｎ４３００７１ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｌａｎｄｓａｔ－８ｄａｔａꎬｗｅｆｉｒｓｔｌｙｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅｌａｎｄｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎＪｉｚｈｏｕｄｉｓｔｒｉｃｔｏｆＴｉａｎｊｉｎｃｉｔｙ.
Ｓｅｃｏｎｄｌｙꎬｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａｗａｓｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｔｈｒｅｅｇｒａｄｅｓ:ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｚｏｎｅꎬｎｏｒｍａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｚｏｎｅꎬａｎｄｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｚｏｎｅ
ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｒｉｔｅｒｉｏｎｏｆｈｅａｔｉｓｌａｎｄｇｒａｄｉｎｇ.Ｗｅｔｈｅｎｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｌａｎｄｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌａｎｄｕｓｅ
ｔｙｐｅｓｔｏｆｉｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｌａｎｄｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｃｉｔｙｉｎｄｉｃｅｓｂｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｅｑｕａ￣
ｔｉｏｎ.ＦｉｎａｌｌｙꎬｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｖｉｄｅｓａｎｉｎｓｉｇｈｔｔｏｒｅｖｅａｌｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｈｅａｔｉｓｌａｎｄｅｆｆｅｃｔａｎｄｌａｎｄｕｓｅｉｎＪｉｚｈｏｕｄｉｓｔｒｉｃｔｏｆＴｉａｎ￣ｊｉｎａｎｄｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｌａｎｄｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇｓｕｒｆａｃｅ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｌａｎｄｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅꎻｌａｎｄｕｓｅｔｙｐｅｓꎻｈｅａｔｉｓｌａｎｄｅｆｆｅｃｔ
美联储第二次加息
０㊀引㊀言
地表温度作为监测城市热岛效应的重要指标ꎬ基于遥感技术反演地表温度已成为常用的技术手段ꎮ常用的遥感反演地表温度包括基于热红外通道的单窗算法㊁分裂窗算法以及基于辐射传输方程的地表温度估算方法ꎮ本文基于Ｌａｎｄｓａｔ－８ＯＩＬ的光学通道数据和热红外通道数据ꎬ基于辐射传输法ꎬ估算大气上行辐射㊁下行辐射㊁地表发射率以及大气透过率ꎬ从而反演天津市蓟州区地表温度ꎬ以揭示蓟州区地表温度和不同土地利用类型的定量关系ꎬ为天津市城市的热岛效应提供辅助信息ꎬ也可为天 津市生态环境建设和人居环境优化提供科学依据ꎮ
１㊀研究地区与研究方法
１.１㊀研究区域概况
蓟州区位于天津市最北部ꎬ北距承德２２０ｋｍꎬ是京津唐山市的中心ꎬ该区总面积为１５９０ｋｍ２ꎮ研究区属于暖温带半湿润大陆性季风气候ꎬ四季分明㊁日照充足㊁昼夜温差大ꎬ年平均气温１２.５ħꎮ其地貌呈阶梯状分布ꎬ研究区域内主要土地利用类型包括林地㊁草地㊁灌木㊁水库㊁建筑用地㊁农用地㊁旱地等ꎬ其中旱地面积约占全区总面积的６０％ꎮ
１.２㊀基于Ｌａｎｄｓａｔ－８地表温度反演流程
辐射定标在Ｅｎｖｉ５.１中进行ꎬ大气校正采用Ｍｏｄｔｒａｎ大气校正法获取上行辐射和下行辐射以及大气透过率ꎮ通过星上观测ＤＮ值ꎬ完成大气效应校正和地表发射率校正ꎬ获取地表温度ꎬ流程如图１所示
ꎮ
图１㊀技术流程图
Ｆｉｇ.１㊀Ｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｆｌｏｗｃｈａｒｔ
１.３㊀辐射传输方程
根据热红外辐射传输方程ꎬ传感器接收到的能量包括大气上行辐射㊁下行辐射和地物自身的热辐射三部分能量ꎬ通过普朗克定律反解出黑体等效辐射:
Ｂ(Ｔｓ)＝(Ｒｓｅｎｓｏｒ－Ｒʏ－(１－ε)Ｒˌτ)/ετ
Ｔｓ＝Ｋ２/ｌｎ(
Ｋ１
Ｂ(Ｔｓ)
＋１)Ｂ(Ｔｓ)为黑体等效辐亮度(Ｗ ｍ－
２)ꎬＲｓｅｎｓｏｒ为辐射定标后辐亮度ꎬＲʏ表示大气上行辐射ꎬＲˌ表示大气下行辐射ꎬ大气上行辐射㊁下行辐射由Ｍｏｄｔｒａｎ法大气校正获取ꎮε表示地表发射率ꎬτ表示大气透过率ꎬＫ１㊁Ｋ２为热红外波段的定标常数ꎬ具体反演步骤参考基于辐射传输方程的单窗算法地表温度反演论文[１]ꎬ本文
不再赘述ꎮ从上式可知ꎬ在完成大气校正的前提下ꎬ我们仍需已知地表发射率才能实现地表温度的反演ꎮ目前ꎬ发射率的获取主要有两种方式：一种是采用现有算法进行反演ꎬ如ＮＤＶＩ法等[２]ꎻ另一种则是直接使用现有的发射率产品ꎬ如本实验中所采用ＡＳＴＥＲ地表发射率产品 ＡＳＴ０５ꎮ本文采用ＮＤＶＩ法估算地表发射率ꎮ
１.４㊀遥感地表温度反演参数
１)归一化植被指数
根据植被光谱特性可知ꎬ植被在近红外波段呈现高反射状态ꎬ在红外波段呈现低反射状态ꎬ所以利用这两个波段能够将植被信息从遥感影像中提取出来ꎮ其中ꎬ归一化植被指数(ＮＤＶＩ)是遥感植被指数中应用最广泛的参数ꎮ本文以ＮＤＶＩ为基础反演各地表参数ꎬ其计算公式如下:
ＮＤＶＩ＝(ρＮＩＲ－ρＲ)/(ρＮＩＲ＋ρＲ)
式中:ρＮＩＲ是近红外波段地表反射率ꎻρＲ是可见光红波段地表反射率ꎮ
２)植被覆盖度
植被覆盖度为单位面积上植被垂直投影面积占总面
积之比ꎮ遥感估算植被覆盖度最常用的方法为二分模型ꎬ即将植被根据ＮＤＶＩ的阈值划分为裸土和植被ꎬ其计算公式如下:
ＦＶＣ＝
ＮＤＶＩ－ＮＤＶＩｍｉｎ
ＮＤＶＩｍａｘ－ＮＤＶＩｍｉｎ式中ꎬＮＤＶＩｍｉｎ和ＮＤＶＩｍａｘ分别表示归一化植被指数
的最小值和最大值ꎮ
３)地表发射率
相关研究表明ꎬＮＤＶＩ的阈值范围在０.１５ ０.７２之间ꎬ
地表发射率可用与ＮＤＶＩ的对数关系近似估算[３]:
ε＝１.００９＋０.０４７ｌｎ(ＮＤＶＩ)
１.５㊀数据来源与数据预处理
本研究数据主要包括:１)Ｌａｎｄｓａｔ－８遥感影像来源于地理空间数据云下载的２０１８年３月２１日天津市蓟州区
遥感影像ꎬ用于获取多光谱通道数据和热红外通道数据ꎻ
２)研究辅助数据包括土地覆被产品数据ꎮ土地利用数据来源于中科院地理所课题组ꎮ对Ｌａｎｄｓａｔ－８数据则进行几何校正㊁大气校正等图像预处理ꎬ对热红外波段辐射定标㊁大气校正ꎮ
２㊀结果与分析
２.１㊀蓟州区地表温度反演
本文基于地表温度平均值加减标准差作为温度常温区ꎻ地表温度大于１倍平均值及标准差的和作为高温度ꎻ地表温度低于１倍平均值和标准差的差作为低温度ꎬ划分标准见表１ꎮ
表１㊀城市热岛划分标准
Ｔａｂ.１㊀Ｕｒｂａｎｈｅａｔｉｓｌａｎｄｇｒａｄｉｎｇｓｔａｎｄａｒｄ
温度区间阈值范围高温区Ｔｓ>(Ｔａ＋Ｓｄ)常温区(Ｔａ－Ｓｄ)<Ｔｓ<(Ｔａ＋Ｓｄ)
低温区
Ｔｓ<(Ｔａ－Ｓｄ)
注：其中Ｔｓ表示地表温度ꎬＴａ表示平均温度ꎬＳｄ表示标准差
由图２可知ꎬ蓟州区３月份地表温度主要集中在
１２ħ至１８ħ之间ꎬ平均温度为１４ħꎮ总体上ꎬ蓟州区地表温度整体呈现城镇㊁建筑用地㊁旱地温度高ꎬ耕地零星
散落高点ꎬ山区和水体温度低的特点ꎮ城镇高温区只要分布于蓟州区西南部ꎬ主要以城镇为主ꎻ而在于桥水库和蓟州区北部呈现低温区ꎮ城镇由于其人口密度较山区大ꎬ主要以柏油路和人工建筑为主ꎬ白天吸热能力强ꎬ故在影像上呈现高温区ꎻ研究区域山地主要以阔叶林和灌丛为主ꎬ植被郁闭度较高ꎬ下垫面湿润ꎬ在影像上呈现低温区ꎬ符合春季地表温度分布规律ꎮ
２.２㊀不同土地利用类型地表温度定量分析
城市热岛效应与地表覆盖类型紧密相关ꎬ是研究热岛效应的重要因素ꎬ如图３所示ꎬ研究区域内主要土地利用类型包括林地㊁草地㊁灌木㊁水库㊁建筑用地㊁农用地ꎬ旱
１
９第１２期
绝对式角度编码器王力涛等：基于Ｌａｎｄｓａｔ－８数据的天津市蓟州区城市热岛效应与土地利用的定量研究
图２㊀研究区域地表温度
Ｆｉｇ.２㊀Ｔｈｅｌａｎｄｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｓｔｕｄｙａｒｅａ
地ꎮ不同土地覆盖类型春季地表温度按从高到低顺序依次为：旱地>建设用地>农用地>民居地>水田>植被>水体
(如图４所示)ꎬ其中ꎬ林地和灌丛的地表温度差异不大ꎮ同时ꎬ居民点附近一般与农田相邻ꎬ存在较多的居民点－农田的混合像元ꎬ这可能是水田的地表温度高于林地的原因ꎮ再者ꎬ建筑用地等屋顶由不同的材料组成ꎬ化学材料的反射率较高热导率较低ꎬ这也是城市热岛强度的主要贡献因素
梁鹤善
ꎮ
图３㊀热岛效应空间分布
Ｆｉｇ.３㊀Ｔｈｅｓｐａｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｈｅａｔｉｓｌａｎｄ
ｅｆｆｅｃｔ
图４㊀研究区土地利用地表温度
Ｆｉｇ.４㊀Ｔｈｅｌａｎｄｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
㊀㊀㊀㊀ｌａｎｄｕｓｅｔｙｐｅｓｉｎｓｔｕｄｙａｒｅａ
２.３㊀地表温度与城市指数的关系
本文选择归一化植被指数ＮＤＶＩ和城市建筑指数ＮＤＢＩ作为城市指数ꎬ在ＥＮＶＩ中随机选择样本点与蓟州区地表温度进行相关分析ꎮ研究结果表明ꎬ地表温度与城市指数之间具有很强的相关性ꎮＮＤＶＩ与地表温度呈负相关关系ꎬ植被覆盖度越高的区域ꎬ地表温度较低ꎻＮＤＢＩ与地表温度呈现正相关关系ꎬＮＤＢＩ较高的区域也是热岛效应的高温区ꎬ这表明城镇指数是影响城市热岛效应的
关键因素ꎬ如图５所示
ꎮ
图５㊀地表温度与城市指数相关分析Ｆｉｇ.５㊀Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｂｅｔｗｅｅｎｓｕｒｆａｃｅ
㊀㊀㊀㊀ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｕｒｂａｎｉｎｄｅｘ
３㊀结束语
基于辐射传输方程的单窗算法和植被指数法估算反照率从而反演城市地地表温度取得了较好的精度ꎬ符合春季天津市蓟州区地表温度的季节性规律ꎮ蓟州区春季平均地表温度为１７.５ħꎮ城镇高温区主要分布于蓟州区西南部ꎬ主要以城镇为主ꎻ而在于桥水库和蓟州区北部呈现低温区ꎮ城市热岛效应与地表覆盖类型相关ꎬ地表温度与ＮＤＶＩ表现出负相关性ꎬ与ＮＤＢＩ表现出呈正相关性ꎮ本文通过分析天津市蓟州区地表温度和不同土地利用类型的定量关系ꎬ为天津市城市的热岛效应提供辅助信息ꎬ为天津市生态环境建设和人居环境优化提供科学依据ꎬ进一步的研究可结合不同时相的多源遥感数据进一步展开ꎮ颐和园教学设计
参考文献:
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[６]㊀ＺＨＡＮＧＺＣꎬＣＨＥＮＸꎬＳＨＩＰꎬｅｔａｌ.Ｓｔｕｄｙｏｆｃａｎｏｐｙｔｒａｎｓｐｉ￣
ｒａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎａｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｈｙｄｒｏｌｏｇｙｍｏｄｅｌｉｎａｓｍａｌｌ
ｋａｒｓｔｗａｔｅｒｓｈｅｄｏｆｓｏｕｔｈｗｅｓｔＣｈｉｎａ[Ｊ].ＣａｒｂｏｎａｔｅｓａｎｄＥ￣ｖａｐｏｒｉｔｅｓꎬ２０１３ꎬ２８(１－２):１１１－１１７.
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ｍｉｄｄｌｅａｎｄｕｐｐｅｒｓｔｒｅａｍｓｏｆｔｈｅＨｅｉｈｅＲｉｖｅｒＢａｓｉｎｗｉｔｈＡＳ￣ＴＥＲｉｍａｇｅｒｙ[Ｊ].ＨｙｄｒｏｌｏｇｙａｎｄＥａｒｔｈＳｙｓｔｅｍＳｃｉｅｎｃｅｓꎬ
２０１１(５):１４０３－１４１３.
[编辑：刘莉鑫]
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