龙口市城市热岛效应与植被指数相关性研究

2013-11-17吴泉源徐燕慧翟苗苗

绿色科技 2013年1期

张辉，吴泉源，张芬，徐燕慧，翟苗苗

（山东师范大学人口·资源与环境学院，山东济南250014）

1 研究内容及研究方法

“城市热岛效应”也称“大气热污染现象”，是指城区气温高于郊区气温，高温城区被低温郊区包围，形成内高外低的岛屿形式，故称为“城市热岛效应”［1］。国内外许多学者借助热红外遥感数据研究城市热岛效应，取得了良好效果。大量研究表明：加强绿化借以改变城市下垫面的热环境可以有效缓解热岛效应［2］。

本研究通过分析龙口地区植被指数和地表温度之间的关系，来论证加强绿化对热岛效应的缓解作用。主要通过近红外波段和可见光红色波段的运算来获取植被指数，进而计算地表辐射率，然后以热红外遥感理论反演研究区的地表温度，借此分析植被对城市地表温度的影响。

2 数据及数据预处理

选用LandsatTM遥感影像作为数据源，获取2010年6月12日（landsat5TM）覆盖龙口市区域的遥感影像数据（图1）。在进行热岛遥感研究中，基础分析数据是TM6波段影像。在进行植被指数研究中，基础分析数据是TM3和TM4波段影像。此外，还获取了一些相关的地理信息数据，主要是城市电子地图。

图1 龙口市遥感影像

采用多项式变换模型对龙口地区影像进行几何校正，确保影像光谱特征不变。主要包括影像到地理信息空间的校正和影像到影像的配准两个方面。

3 亮度温度反演模型与归一化植被指数模型

3.1 亮度温度反演模型

地面辐射温度又称“地面亮温”，是遥感器在卫星高度所观测到的与热辐射强度相对应的温度［3］。地面亮温能很好地反映出地面的热分布状况，为分析城市热岛提供依据。主要过程为把影像灰度值根据数学模型转化为热辐射强度值，然后根据模型把热辐射强度转化为亮度温度。

对于TM数据，影像的辐射强度与其灰度值有如下关系：

L＝Lmin＋（Lmax－Lmin）QDN／255

式中：L为遥感器所接收到的辐射强度；QDN为像元灰度值；Lmax、Lmin为遥感器所接收到的最大和最小辐射强度，查找影像头文件可得到Lmax＝15.303，Lmin＝1.238。

将热辐射强度转化为亮度温度的公式为［4］：

T＝K2／ln（K1／L＋1）

式中：T为亮度温度；K1、K2为卫星预设常数，K1＝1260.56，K2＝60.766。

通过上述公式和建模工具建立亮度温度反演模型（图2）：

图2 亮度温度反演模型

3.2 归一化植被指数模型

植被指数是指利用卫星不同波段探测数据组合而成的，能反映植物生长状况的指数［5］。在所有的植被指数中，归一化植被指数在一定程度上能够消除云等干扰因素的影响，是被广泛应用的一种植被指数。

计算公式如下：

INDV＝（R4－R3）／（R4＋R3）

式中：R4为TM4波段反射率；R3为TM3波段反射率。

通过上述公式和建模工具建立归一化植被指数模型（图3）。

图3 归一化植被指数模型

4 结果与分析

4.1 辐射温度反演

反演结果表明：低温区主要分布在水体、滩涂、耕地中；中温区主要分布在林地、草地中；高温区主要分布在建设用地和道路中。从反演结果图上可以看出，高温区主要分布在城区（图4）。

图4 2010年亮度温度反演

4.2 归一化植被指数

从归一化植被指数图（图5）可以看出，龙口市的西北部与东部的植被指数数值比其他地区大，但城区内归一化植被指数较小，因为大量的建筑物、道路分布在城区。部分地区归一化植被指数为负值，这说明该区域是水体或滩涂。

4.3 地面温度和归一化植被指数关系

研究地表温度与归一化植被指数之间的关系时，需要收集到地表温度与植被指数相对应的一组数据［6］。本研究中，在亮度温度图及归一化植被指数图上提取具有相同坐标的30个点的亮度温度值和归一化植被指数值。然后通过SPSS统计分析软件，根据采样点收集到的数据进行线性相关分析，得到了代表2010年归一化植被指数与地表温度的相关趋势图（图6），回归方程如下：

Y＝－8.171 7 X＋17.253（R2＝0.59）

图5 2010年归一化植被指数

图6 地面温度和归一化植被指数关系

植被可以影响地面温度，植被稀疏区植被指数值较小，但其相对温度较高；植被茂盛区植被指数值较大，但其相对温度较小。归一化植被指数与地表温度相关趋势模型中，呈现了一定的分布规律：对于植被指数较大地区，植物叶面温度低于裸露地面的表面温度；对于建筑物比较密集处，受到植被稀疏、硬化路面吸热强等因素的影响，地面温度较高；对于有水径流的区域，INDV常显示为负值；地面辐射温度与归一化植被指数呈显著的负相关性。