第43卷 第4期
2008年8月
西 南 交 通 大 学 学 报J OURNAL OF SOUTHW EST JI A OTONG UN I VERSI T Y
V o.l 43 N o .4
A ug .2008收稿日期:2007-09-05
基金项目:/十一五0国家科技支撑计划重大项目(2006BA J 05A13)
作者简介:邱建(1961-),男,教授,博士生导师,研究方向为城乡规划与风景名胜区管理,电话:139********,028-********,E-m ai:l
q i u jian @ho m e .s w jt https://www.doczj.com/doc/2a6480352.html, .cn
文章编号:0258-2724(2008)04-0427-07
基于遥感的青岛市热岛与绿地
的空间相关性
邱 建1,2
, 贾刘强1
, 王 勇
3
(1.西南交通大学建筑学院,四川成都610031;2.四川省建设厅,四川成都610041;3.中国科学院成都山地
灾害与环境研究所,四川成都610041)
摘 要:为向城市绿地的合理规划提供参考,改善城市的环境质量,以青岛市L andsat ETM +为数据源,采用辐射传输方程反演地表温度,并以此计算热岛强度;用混合像元分解法提取植被盖度,在此基础上对热岛强度和植被盖度的空间相关性进行了分析;在G IS 环境中,通过重采样的方法定性分析了绿地空间分布特征和周边环境对热岛强度的影响.结果表明:热岛强度和植被盖度在空间上具有显著的负相关性;在相同的植被盖度下,集中绿地或周边为农田时热岛强度较小.
关键词:城市热岛;植被盖度;遥感;城市绿地;相关性中图分类号:TU 985.2 文献标识码:A
Spacial Correl ati on bet w een H eat Island and G reen Space i n
Q i ngdao C ity Based on Re m ote Sensi ng
QIU J i a n 1,2
, JI A L i u qiang 1
, WANG Yong
3
(1.F aculty o fA rch itect ure ,South w est Jiao tong U n i ve rs i ty ,Chengdu 610031,China ;2.D epa rt m en t o f Constructi on o f S i chuan Prov i ncia lG overnm ent ,Chengdu 610041,Ch i na ;3.Institute ofM ounta i n H azards and Env iron m en t ,Ch i nese A cademy of Science ,Chengdu 610041,Ch i na)
Abst ract :To prov ide a re ference for the layou t of urban green spaces to i m pr ove urban env ir onm ent qua lity ,the rad iation transfer equation w as e m ployed to re trieve land surface te m perature fro m Q i n gdao C ity p s Landsat ET M +data ,and heat island i n tensity (H II)w as calculated fro m the land surface te mperature re trieved .The m ixed p i x e lm odel w as utilized to w ork out the vegetation fraction (VF).Based on the above w or ks ,the correlati o n be t w een H II and VF w as discussed .The effects of the spatia l distribution characteristics of green spaces and the circum stance ar ound green spaces on H II w ere ana l y zed qualitatively using the resa m p li n g approach under a G I S env ironm en.t The resu lts sho w that t h ere ex its re m arkab l y negati v e spatial correlation bet w een H II and VF ,and under the sa m e VF ,sa mp les w it h a co m pact green space or a far m land have a l o w er H II t h an those w ithou.t K ey w ords :urban heat island ;vegetati o n fraction ;re m ote sensi n g ;urban g reen space ;corre lation 城市热岛效应(ur ban heat island effec,t 简称UH I)是一种由于城市构筑物及人类活动等原因导致的热量在城区空间范围内聚集的现象,是城市气候最明显的特征之一.随着我国城市化进程的加快,城市热岛
效应愈来愈明显,热岛效应已经成为影响城市可持续发展的八大环境问题之一[1]
.1972年Rao 首次采用遥感方法对城市热岛进行研究,此后越来越多的专家、学者相继开展了这方面的研究
[2,3]
.国内也有不少
西 南 交 通 大 学 学 报
第43卷
学者利用遥感数据对北京、上海、沈阳和苏州等城市的热岛效应进行了研究
[4~15]
,认识到了绿地对城市热
岛效应的缓解作用,提出通过科学规划、建设绿地以缓解城市热岛效应.但这些研究主要是定性概括,定量分析较少,且主要集中在地面温度和归一化植被指数(NDV I)的空间关系上.然而热岛侧重于温度的空间分布变化,是一个相对温度的概念[16]
;而NDV I 是地温反演的必要参数,故研究地温和NDV I 的关系并不能完全反应热岛和绿地的空间相关性.
我们采用Landsat ET M +遥感数据,通过定量遥感技术计算青岛市热岛和植被盖度的空间分布规律,两者的获取过程是相互独立的,因此,探讨它们的空间相关性能更好地反应热岛和绿地的空间关系,并分析了绿地的空间分布形态、种类和周边环境等特征对热岛强度的影响.
1 研究区资料
选青岛市7个区(市南区、市北区、四方区、李沧区、黄岛区、崂山区和城阳区)和即墨市、胶州市、胶南市部分地区作为研究区,地理位置为东经119b 56c ~120b 46c ,北纬35b 52c ~36b 29c .研究区属温带季风气候,9月份平均气温2216e ,土地利用覆盖类型受城市化进程影响明显.研究采用几何校正后的2000-09-16过境的Landsat7ETM +数据(其第6波段为热红外影像).
2 数据处理方法
2.1 地表温度反演及热岛强度计算
城市热岛可分为城市边界层热岛、城市冠层热岛和城市地表热岛3类[17]
,本文关注的是城市地表热岛.在遥感图像处理软件ERDAS 系统的MODELER 模块中,采用辐射传导方程法反演地表温度,并以此计算热岛强度.计算方法如下:
(1)通过对多光谱波段进行辐射定标求得第3,第4和第6波段的光谱辐射亮度L 3,L 4和L 6.(2)利用L 3和L 4求得归一化植被指数,根据文献[18,19]计算比辐射率E .(3)将L 6和E 代入辐射传输方程:
L 6=[E L t +(1-E )L l ]S +L u ,
(1)
式中:L t 是真实温度为t 的黑体在热红外波段的辐射亮度,为待求值;L u 和L l 分别为大气上行辐射亮度和大气下行辐射亮度;S 为大气透过率
.
图1 青岛市热岛强度分布
F i g .1 M ap of heat isl and i ntensity i n Q i ngdao C ity
参考文献[20],L u ,L l 和S 分别取1168,1174和0177.说明的是,在缺乏卫星过境时大气指标的情况下,采用观测值可降低大气的影响,使反演结果更接近真实值,而温度的趋势不变.
(4)根据普朗克函数,由L t 求得地表的真实温度t =1260156/ln (607176/L t +1).
(5)为突出可比性和相对性,便于热岛强度与植被盖度的相关性分析,将热岛强度归一化处理:
H =
t -t sub
t max -t m i n
,
(2)
式中:H 为归一化处理后的热岛强度;t 为城区地表温度;t sub 为郊区的平均温度;t m ax 和t m in 分别为研究区内地表温度的最大值和最小值(本文中的温度和植被盖度均为剔除掉水面后的数据).
(6)叠加青岛市行政区划图,最终得到归一化处理后青岛市的热岛强度分布(图1).
2.2 植被盖度的计算
传感器以像元为单位记录地表的反射信息,每个像元所对应的地表往往包括多种覆盖类型,通过对这种包含多种地物信息的混合像元进行分解,提取混合像元内部植被反射率所占的比例,即植被盖度,从
428
第4期邱建等:基于遥感的青岛市热岛与绿地的空间相关性而获得绿地的空间分布信息.植被盖度的计算在遥感图像处理软件ENV I 中实现,计算流程见图2
.
图2 植被盖度计算流程图
F i g .2 F l ow chart o f vegetation frac ti on ca lcu l a ti ng
首先,计算纯净像元指数(图3),缩小光谱端元的选择范围;然后,在图像第一、二、三主成份组成的三维空间中显示提取的纯净像元(图4),从中选择3种光谱端元)))植被(庄稼、树木、草地等)、高反射率地物(岩石、混凝土等)和低反射率地物(水面、阴影等),并计算出各自的波谱曲线(图5);最后,利用6个波段的数据建立线性光谱混合模型(式(3))
[21]
,进行混合像元分解,最终求得植被盖度分布(图
6).
C i =
E n
j=1C ij x
j
+e i ,
E n
j=1
x
ij
=1, i =1,2,,,m;j =1,2,,,n,
0[x ij [1,
(3)
式中:C i 为第i 波段像元的反射率;C ij 为第i 波段第j 种端元的反射率;x j 为该像元中第j 个端元所占比例;e i 为第i 波段的残余误差;m 为波段数;n 为端元数.
429
西 南 交 通 大 学 学 报第43卷
为了用最小二乘法求解式(3),要求端元数小于波段数,即n <
m.图7 样本剖面线分布
F i g .7 D istri buti on of sa m ple section lines
2.3 热岛强度与植被盖度相关性的计算
以/井0字型的4条剖面线对研究区进行空间采样(图7,编号位置为图8中/距离0计算的起点),1号剖面线跨越城南区和崂山区,2号剖面线跨越四方区和崂山区,3号剖面线跨越即墨市、城阳区和崂山区,4号剖面线跨越即墨市、城阳区、李沧区和崂山区.4条剖面线均贯穿青岛市区,对应的热岛强度和植被盖度分布复杂,均存在高值区与低值区,因此所选取的4条剖面线具有代表性.为了增强相关性分析的可靠性,以1km @1km 的栅格采用均值法对研究区进行了重采样,共得到2844组热岛强度和植被盖度数据样本,对这些样本进行了相关性分析.
3 结果与分析
3.1 热岛强度和植被盖度的分布特征
研究区存在3个面状热岛中心和大量零散分布的点状热岛,3个热岛中心分别为胶州市区、即墨市区和青岛市区.在青岛市市区内,热岛主要分布在四方区、市北区、市南区、李沧区和黄岛区,热岛中心集中在李沧区、市北区和四方区的沿海建成区,成带状分布;崂山区和城阳区热岛效应不明显.
植被盖度最大的区域为崂山区;城阳区由于农田较多,亦显示出较大的植被盖度;市南区由于中山公园和信号山公园的存在,部分区域显示出较大的植被盖度.从空间上看植被盖度大的区域主要分布在内陆农田地区和崂山地区,沿黄海地区由于大面积的建设造成植被盖度偏小.
图8为剖面线上的热岛强度和植被盖度.从图8可见,1号剖面线上由于存在较多公园和山地,
热岛
图8 4条剖面线上热岛强度和植被盖度
F i g .8 H ea t i s l and i ntensit y and vege tati on fracti on a l ong the 4sec tion li nes
430
第4期邱建等:基于遥感的青岛市热岛与绿地的空间相关性强度和植被盖度在该剖面线上呈波状曲线.在信号山公园、中山公园和崂山区域热岛强度小而植被盖度大;2号剖面线上热岛强度和植被盖度呈线性变化.从四方区至崂山区方向,热岛强度呈下降趋势而植被盖度呈上升趋势;3号剖面线上热岛强度和植被盖度总体上呈线性曲线变化,与2号剖面线相比曲线在局部存在较大的波动,其原因是受中间城阳区建设用地的影响,从即墨市至崂山区方向,热岛强度呈下降趋势而植被盖度呈上升趋势,中间城阳区段存在反向波动;4号剖面线上热岛强度和植被盖度曲线较复杂,其总体规律是在建成区域热岛强度大而植被盖度小,在郊区热岛强度小而植被盖度大;当剖面线经过水体时,显示出较小的热岛强度和很小的植被盖度.3.2 热岛强度与植被盖度空间相关性分析
从图1,6和8可直观看出,研究区内热岛强度和植被盖度在空间上为此消彼长的关系.分别对4条剖面上所有像元的热岛强度与植被盖度相关性的分析结果表明,热岛强度与植被盖度存在显著负相关,相关系数均在-017以上;2844组重采样后数据样本的相关系数为-01820(表1).
表1 热岛强度和植被盖度相关性
T ab .1 Corre l a tion bet ween heat island intensity and vegetation fracti on along t he 4secti on lines
项目剖面线
1号2号3号4号重采样数据样本数量12041208122412102844相关系数*
-01720
-01819
-01752
-01825
-01820
*注:表示在0101水平上显著相关.
3.3 绿地特征对热岛强度的影响
以上讨论了热岛强度和植被盖度在数量上的关系,但相同的植被盖度存在不同的热岛强度与之对应,显然,绿地对热岛强度的影响除了数量因素外,还存在其他影响因素.为了进一步揭示绿地对热岛强度的影响机制,在G I S 中将植被盖度图和热岛强度图按1km @1k m 的栅格进行重采样,把重采样结果与最能反映原始地貌特征的第7,4,2和3波段融合影像(15m 空间分辨率)进行重叠,选取了19个样本分9组进行分析(表2).分析结果表明,在相同的植被盖度下:
(1)热岛强度至少受绿地空间分布形态、植被种类和周边环境3种因素的综合影响,如第?,ò,ù组样本.
(2)热岛强度与所取样本是否在城市中没有直接关系,而与周边环境有关.如在第ó,?,?,?组样本中,虽然样本具有相同的植被类型和分布形态,但周边环境的变化影响了热岛强度)))周边为绿地的样本热岛强度较小,周边为农田的热岛强度较大,周边为建筑的热岛强度最大.
(3)周边环境和植被类型相同时,绿地的空间分布形态影响热岛强度.分析第ò,?,×组样本可见,绿地集中的热岛强度要小于绿地分散的,见图9(图9(a),9(b)的样本数分别为14和15,
热岛强度分别为
图9 绿地空间分布形态的影响(白色为绿地)
F i g .9 E ffect o f vegetation d i str i bution on heat island intensity
431
西南交通大学学报第43卷
01500663和01607522).
表2植被特征对热岛强度的影响
T ab.2The effect o f v ege tati on character i stics on heat isl and i ntensity
样本分组样本
编号
样本坐标
(X,Y)
植被盖度热岛强度样本特征影响因素
?1(43,48)0.3851890.515926城市绿地,植被集中,周边绿地
2(7,40)0.3850340.605388郊区农田,植被分散,周边农田
A,B,C
ò3(7,53)0.3854500.601096郊区农田,植被分散,周边农田
4(37,7)0.3854250.563611郊区农田,植被集中,周边农田
5(45,47)0.3853340.531395城市绿地,植被集中,周边绿地
A
B,C(与4相比)
ó6(4,54)0.3903730.482033城市绿地,植被集中,周边绿地
7(37,50)0.3903700.549729郊区绿地,植被集中,周边农田
C
?8(48,44)0.2915130.613524郊区绿地,植被分散,周边绿地9(13,56)0.2915770.619411郊区绿地,植被分散,周边农田
C
?10(7,31)0.2910590.609636郊区绿地,植被集中,周边建筑11(37,43)0.2913220.610620城市绿地,植被集中,周边农田
C
?12(46,40)0.3857310.536814郊区绿地,植被集中,周边绿地13(14,56)0.3857300.593274郊区绿地,植被分散,周边绿地
A
×14(49,45)0.3858840.504663郊区绿地,植被集中,周边绿地
15(15,57)0.3858890.607522郊区绿地,植被分散,周边绿地
A
?16(40,45)0.1542150.678001城市绿地,植被分散,周边建筑
17(41,46)0.1543430.644823郊区绿地,植被分散,周边建筑与绿地
C
ù
18(13,53)0.3859060.554837郊区绿地,植被分散,周边绿地
19(11,31)0.3859120.565372郊区农田,植被集中,周边农田
B,C 注:A,B和C分别代表绿地空间分布因素、植被种类因素和周边环境因素.
4结束语
利用Landsat ET M+热红外波段,采用辐射传输模型反演地表温度,得到了研究区热岛强度的分布特征;利用定量遥感技术,将Landsat ET M+多光谱图像进行混合像元分解,计算得到研究区反映绿地信息的植被盖度的空间分布;验证了热岛强度与植被盖度的负相关关系.通过空间重采样分析,得出在植被盖度相同的条件下,热岛强度与绿地分布和周边环境状况的定性关系.
关于绿地特征对热岛强度的影响,没有进行定量分析,其定性结论的可靠性和影响因素的多样性有待于通过更多的样本分析进行检验.
参考文献:
[1]李皓.可持续发展的城市环境管理[DB/O L].[2007-05-21].htt p://www.cbc.f o https://www.doczj.com/doc/2a6480352.html,/kpyd/kpbg/10i ndex.ht m.
[2]STRE U TK ER D R.A remo te sensi ng study o f the urban heat island o fH ouston,T exas[J].Internationa l Jou rnal of R e m ote
Sensing,2002,23(13):2595-2608.
[3]GALLO K P,TARPLEY J D.T he compar i son o f veg etati on i ndex and surface temperature composites fo r urban hea t isl and
ana l ysis[J].Internationa l Journa l of R emo te Sensi ng,1996,17(15):3071-3076.
[4]马雪梅,张友静,黄浩.城市热场与绿地景观相关性定量分析[J].国土资源遥感,2005,17(3):9-13.
M A X ue m e,i ZHANG Y ou ji ng,HUANG H ao.A quantitati ve st udy of the re l a ti ons h i p bet w een urban vegetation and urban heat island[J].R e m ote Sensing for L and&R esources,2005,17(3):9-13.
[5]范心圻.北京城市热岛遥感研究的应用与效益[J].中国航天,1991(6):6-11.
FAN X i nq.i T he effec tiveness of app licati ons o f sensi ng for heat-isl and i n Be iji ng[J].A erospace China,1991(6):6-11. [6]李兴荣,胡非,舒文军.北京春季城市热岛特征及强热岛影响因子[J].南京气象学院学报,2008,31(1):129-134.
L I X i ngrong,HU F e,i S HU W enjun.Character i stics of Be iji ng spri ng urban heat islands and i n fluenci ng factors of a strong urban heat island event[J].Journal o fN an ji ng Institute ofM e teo ro logy,2008,31(1):129-134.
432
第4期邱建等:基于遥感的青岛市热岛与绿地的空间相关性
433 [7]宫阿都,李京,王晓娣,等.北京城市热岛环境时空变化规律研究[J].地理与地理信息科学,2005,21(6):15-18.
GONG A du,L I Ji ng,WANG X i aod,i et a.l S t udy on temporal and spatia l distributi on characteristi cs o f the urban heat isl and in Be iji ng[J].G eography and G eo-i nfor m a tion Sc i ence,2005,21(6):15-18.
[8]张兆明,何国金,肖荣波,等.北京市热岛演变遥感研究[J].遥感信息,2005(6):46-49.
ZHANG Zhaom i ng,HE Guo ji n,X IAO R ongbo,et a.l A study of the urban heat i sland changes o f Beiji ng C ity based on re m ote sensi ng[J].R e m ote Sensi ng Infor m ati on,2005(6):46-49.
[9]程承旗,吴宁,郭仕德,等.城市热岛强度与植被覆盖关系研究的理论技术路线和北京案例分析[J].水土保持研究,
2004,11(3):172-174.
C HENG Chengq,i W U N i ng,GUO Sh i de,et a.l A st udy on t he i nteracti on bet w een urban heat i s l and and vegetation t heory,
m ethodology,and case study o f Be iji ng[J].R esearch o f So il and W ater Conservati on,2004,11(3):172-174.
[10]张兆明,何国金,肖荣波,等.基于R S与G IS的北京市热岛研究[J].地球科学与环境学报,2007,29(1):107-110.
ZHANG Zhao m i ng,HE G uo ji n,X I AO R ongbo,et a.l St udy o f urban heat i sland o f Be iji ng C ity based on R S and G IS[J].
Journa l o f Earth Sc iences and Env i ron m ent,2007,29(1):107-110.
[11]王文杰,申文明,刘晓曼,等.基于遥感的北京市城市化发展与城市热岛效应变化关系研究[J].环境科学研究,
2006,19(2):45-48.
WANG W enji e,S H E N W en m i ng,L I U X iaom an,et a.l R esearch on the re lati on of the urbaniza ti on and urban hea t isl and effect changes i n Be iji ng based on remo te sensi ng[J].R esearch of Env iron m enta l Sc iences,2006,19(2):45-48. [12]周红妹,周成虎,葛伟强,等.基于遥感和G IS的城市热场分布规律研究[J].地理学报,2001,56(2):189-197.
ZHOU H ongm e,i ZHOU Chenghu,GE W e i q i ang,et a.l T he survey i ng on ther m a l d istri buti on i n urban based on G IS and re m ote sensing[J].A cta G eographica S i n i ca,2001,56(2):189-197.
[13]胡远满,徐崇刚,布仁仓,等.RS与G IS在城市热岛效应研究中的应用[J].环境保护科学,2002,28(2):1-3.
HU Yuan m an,XU Chonggang,B U R enchang,et a.l A pp licati on o f remo te sensing and G IS i n the st udy of hea t island effect
i n c it y[J].Env iron m en tal P rotection Science,2002,28(2):1-3.
[14]张云海,李法云,刘闽.沈阳城市热岛变化趋势及其与TSP相关关系的初步分析[J].环境保护科学,2004,30(2):
1-2.
ZHANG Y unha,i L I Fayun,L I U M i n.A na l ysis on urban hea t i sland chang i ng trend and its relati on w i th T SP i n Shenyang [J].Env iron m enta l P rotec tion Sc i ence,2004,30(2):1-2.
[15]李旭文.苏南大运河沿线城市热岛现象的卫星遥感分析[J].国土资源遥感,1993,5(4):28-33.
L I Xuwen.Sate llite re m ote sensi ng of urban heat island effects f o r Suzhou,Changzhou and Zhen ji ang[J].R e m ote Sensing fo r Land&R esources,1993,5(4):28-33.
[16]XU H anq i u,C HEN Benq i ng.R emo te sensi ng o f t he urban heat i sland and its changes i n X i am en C ity o f SE Chi na[J].
Journa l o f Env ironmenta l Sc i ences,2004,16(2):276-281.
[17]VOOGT J A.T hree types o f urban hea t isl and[EB/O L].[2007-05-21].htt p://www.actionbiosc ience.o rg/env iron m ent/
voog t.ht m.l
[18]GR IE N D A A,OW E M.On t he re l a ti onsh i p be t w een t her m a l e m issiv it y and the no r ma li zed difference vegetation i ndex for
na t ure surfaces[J].Internati ona l Journa l of R emo te Sens i ng,1993,14(6):1119-1131.
[19]江樟焰,陈云浩,李京.基于L andsat TM数据的北京城市热岛研究[J].武汉大学学报:信息科学版,2006,31(2):
120-123.
JI ANG Zhangyan,CHEN Y unhao,L I Ji ng.H ea t island e ffect of Be iji ng based on L andsat TM da ta[J].G eoma ti cs and In f o r m ati on Sc ience ofW uhan U niversity,2006,31(2):120-123
[20]SCHNE I DER K,MAU SER W.P rocessi ng and accuracy of landsat them ati c m apper data for lake surface te m pera t ure
m easure m en t[J].Interna ti ona l Journal o f R e m ote Sensi ng,1996,17(11):2027-2041.
[21]王雪.城市绿地空间分布及其热环境效应遥感分析[D].北京:北京林业大学林学院,2006.
(中、英文编辑:付国彬)