龙口市城市热岛效应与植被指数相关性研究

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。

5 结语

利用遥感影像光谱信息及其与地面热信息的相关性，建立模型反演地表温度，并得到2010年归一化植被指数。用拟合法对地面温度与归一化植被指数进行线性相关分析并获得回归方程。结果表明：归一化植被指数值低的地方，地面温度较高；归一化植被指数值高的地方，地面温度较低。结论如下。

（1）从亮度温度反演结果可以看出，地面亮温与地面土地覆盖类型有关，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。

（2）从归一化植被指数图可以看到，建设用地植被指数值相对较小，水体植被指数值为负值。

（3）用拟合法对地面温度与归一化植被指数进行线性相关分析，可以看到地面辐射温度与归一化植被指数呈显著的负相关性。

（4）植被可以有效降低地面温度，因此在城市中设置绿化带、街心公园等生态设施，可以缓解城市热岛效应对人们生活的影响。

［1］ Howard L.The Climate of London［M］.London，1818.

［2］ Brest C.L，Goward S.N.Deriving surface albedo measurements from narrow satellite data［J］.International Journal of Remote Sensing，1987（11）：123～125.

［3］ 柳钦火，徐希孺，陈家宜.遥感地表温度与比辐射率的迭代反演方法［J］.遥感学报，1998，2（1）：1～8.

［4］ Chavez P.S.Jr.Image－based atmospheric corrections revisited and improved［J］.Photogrammetric Engineering and Remote Sensing，1996，62（9）：1025～1036.

［5］ 郭 红，龚文峰，李 雁，等.哈尔滨市热岛效应与植被的关系——基于RS和GIS的定量研究［J］.自然灾害学报，2007，16（2）：22～26.

［6］ 钱乐祥，丁圣彦.珠江三角洲土地覆盖变化对地表温度的影响［J］.地理学报，2005，60（5）：761～770.