城市不透水面及其与城市热岛的关系研究_以泉州市区为例_林云杉_遥感技术与应用

2 基本原理和方法
2. 1 数据源 本文选用福建省泉州市的建成区为研究区, 总
面积为 91. 45 km2。主要数据源为 1989 年 6 月 15 日、1996 年 5 月 17 日 上 午 10 时 左 右 过 空 的 L andsat T M 数据。1996 年的影像质量较好, 1989 年 影 像上有少量云分布。遥感影像处理采用 ER Mapper 7. 0TM 软件。 2. 2 影像预处理
即分为不透水面与透水面两类。
表 1 泉州市区建筑物与植被的不透水面阈值 Table 1 Threshol d values of impervious surf ace area of
buil t-up area and vegetated area
1989 年 1996 年
植被
0～0. 4 0～0. 55
( 福州大学环境与资源学院, 福建 福州 350002)
摘要: 利用 L andsat T M 卫星影像提取了泉州市 1989 到 1996 年的城市建成区不透水面, 并研究了 其与城市热岛之间的关系。根据 Ridd( 1995) 提出的城市建成区不透水面与植被覆盖度有很强的负 相关关系的思想, 先利用归一化植被指数求出泉州市建成区的植被覆盖度, 进而提取了泉州市建成 区的不透水面。通过比较所提取的两个时相不透水面信息, 可以看出泉州市区不透水面的面积在 7 年里有了明显的增加, 并主要沿研究区东南部扩展。通过将所提取的不透水面信息与利用 T M 6 波 段反演的地表温度进行相关分析, 可发现二者之间存在着明显的正相关关系。 关 键 词: 不透水面; 植被覆盖度; 城市热岛; 地表温度; 泉州 中图分类号: T P 79 文献标识码: A 文章编号: 1004-0323( 2007) 01-0014-06
土地利用的快速变化。随着土地利用类型的变化, 城 市下垫面性质也发生了很大的改变。大量城市建筑 物的兴建导致了城市不透水面面积的快速增加, 从 而对城市的热环境产生了很大的影响。因此, 研究泉 州市建成区不透水面分布及其与城市热岛之间的关 系, 对进一步加强泉州市城市建设和提高人居环境 的质量具有重要的意义。
( 3)
这里, N DV Isoil 为完全是 裸土或无植被 覆盖像元 的 N D V I 值, N DV Iveg则代表完全被植被所覆盖的像元 的 NDVI 值, 即纯植被像元的 NDVI 值。一般情况 下, 可以直接取研究区中 NDVI 的最大值与最小值 分别代表 N DV Iveg和 N DV Isoil 。 2. 3. 3 不透水面( ISA)
其中: NIR 为近红外波段, R 为红光波段。在 T M 影 像中, 分别为 4 波段和 3 波段。 2. 3. 2 植被覆盖度( Fr)
植被覆盖度可定义为单位面积上的植被覆盖面 积, 是评价生态环境的一个重要参数。植被覆盖度的 计算方法可分为地表实测和遥感测量两类[ 13] 。由于 植被覆盖度具有显著的时空分异特性, 地表实测的 方法不仅费时费力, 而且对大尺度研究来说, 这种方 法既不现实, 也不可能, 因而遥感测量已成为估算植 被覆盖度的主要手段。本次研究中我们在对光谱信
1 引 言
全球城市化进程的加快、城市空间的扩展及其 引起的城市热岛效应已在全球范围内引起了广泛的 关注[ 1～3] 。城市热岛是城市中最普遍存在的气候分 布特征。简单地说, 城市温度高于四周郊区温度的现 象称为城市热岛效应。下垫面性质与城市热岛的形 成密切相关, 其结构的差异会影响局部的热环境状 况。根据下垫面的透水性可简单地将其分为两大类: 即 不透 水面 ( impervious surf ace area, ISA) 和 透水 面。所谓不透水面是指天然的或者人造的能够阻止 水渗透到地表以下的物质。从遥感的角度来理解, 通 常是指相对于植被和土壤渗透率较小的建筑区域 ( 例如屋顶、水泥道路等) 。不透水面的增加对城市生 态环境的变化, 特别是城市热环境的变化产生重要 的影响。随着城市建设事业的发展, 各类建筑物和构 筑物的不断新建, 城市不透水面不断增加, 使城市地 面导热率增加, 从而导致了城市热岛效应的不断加 剧[ 4] 。
速提取城市不透水面信息, 并进而定量分析城市不 透水面与城市热岛之间的关系。
泉州市地处福建省东南沿海, 是全国著名侨乡、 福建省三大中心城市之一。改革开放以来, 泉州市的 经济迅速发展, 城市化进程的步伐不断加快, 引起了
第 1 期 林云杉等: 城市不透水面及其与城市热岛的关系研究——以泉州市区为例 15
16 遥 感 技 术 与 应 用 第 22 卷
地、农田等) , 其不透水面值在 0. 4 以下; 而城市建筑 用地特别是新开发用地, 颜色呈现亮白色, 可见其不 透水面值比较大, 数值多在 0. 7 以上, 有的甚至大于 0. 9; 图中灰度值居中的灰色调区域, 多为植被和不
混合区
0. 4～0. 7 0. 55～0. 8
建筑物
0. 7～1 0. 8～1
图 2 1989 年、1996 年 不透水面差值图 Fig. 2 Dif ferences of impervious surf ace in 1989 and 1996
2. 3. 5 不透水面提取的精度验证 精度验证通常可以采用实地验证和利用较高比
第 22 卷 第 1 期 2007 年 2 月
遥 感 技 术 与 应 用
REM OT E S EN SIN G TE CHNO LO GY A ND APPLICA TION
V ol. 22 N o. 1 Feb. 2007
城市不透水面及其与城市热岛的关系研究
—— 以泉州市区为例
林云杉, 徐涵秋, 周 榕
N DV I[ 12] 是一种由遥感传感器接收的地物光谱 信息推算而得的反映地表植被状况的定量值, 是植 被生长状态以及植被生长空间分布密度的最佳指示
因子, 与植物分布密度呈线性相关。NDVI 是诸多遥 感植被指数中应用最为广泛的指数之一, 其表达式 为:
ND V I=
N IRN IR+
R R
( 1)
将融合后的高分辨率影像与二值化后的影像叠 加在一起, 采用随机抽样的方法进行人机交互验证。 在 1989 年的影像上, 抽取了 125 个验证像元, 11 个 误分, 总精度达到 91. 20% , Kappa 系数为 0. 822 7; 在 1996 年的影像上, 抽取了 131 个验证像元, 13 个 误 分, 其 总 精 度 达 到 了 90. 08% , Kappa 系 数 为 0. 793 8( 表 2) 。 2. 4 地表温度( l and surface temperature, LST) 的
根据不透水面与植被覆盖度在城市建成区呈负 相关关系, 不透水面可用下式计算[ 6, 1 6] :
ISA = ( 1- Fr ) dev
( 4)
下标 dev 表示该关系式只适用于被划分为城市建成 区的区域。
2. 3. 4 不透水面制图 根据以上方法和步骤, 获得了泉州市建成区在
1989 年、1996 年的不透水面分布图( 图 1, 为了不同 时相的比较分析, 从 1996 年不透水面分布图中同样 剔除了 1989 年的云及其阴影覆盖的地区) 。图中灰 度的差异显示了不透水面信息的强弱, 数值越高, 亮 度越大, 则不透水面的信息越强。以 1989 年为例, 灰 度较暗的区域为植被覆盖较密集的区域( 主要是林
遥感信息技术在过去的 20 年里得到迅速的发 展, 利用卫星对地观测技术研究城市不透水面信息 同样也引起众多专家学者的关注。R idd[ 5] 提出了研 究城市生态的植被—不透水面—土壤模型( vegeta-
收稿日期: 2006-07-24; 修订日期: 2006-12-30 基金项目: 国家自然科学基金项目( 40371107) 。 作者简介: 林云杉( 1980- ) , 女, 硕士, 主要从事城市遥感研究。
透水面混合的区域, 其不透水面值一般介于 0. 4～ 0. 7 之间。进一步对两幅不透水面分布图进行差值 运算, 获得了不透水面的差值影像图( 图 2) 。图 2 中 亮白色表示 1996 年不透水面增加的区域。
图 1 泉州市区不透水面分布图( 左: 1989 年; 右: 1996 年) Fig. 1 Distribution of impervious surface in Quanzhou city( left : 1989; right : 1996)
号进行分析的基础上, 通过建立植被指数与植被覆 盖度的转换关系来直接估算植被覆盖度。
NDVI 与 植 被 覆 盖 度 的 关 系 可 用 下 式 表 达[ 6, 14] :
Fr = N * 2
( 2)
其中: N * 与 N DV I 具有如下的关系[ 6, DV Isoil N DV Iveg - N DV Isoil
Ridd[ 6] 指出, 在城市建成区内, 不透水面与植被 覆盖度有着很强的负相关性。因此城市建成区的不 透水面信息的提取可以利用植被覆盖度来获取。其 基本步骤为: ¹ 利用 NDVI 计算出植被覆盖度; º利 用植被覆盖度与不透水面的负相关性, 求解出建成 区的不透水面。 2. 3. 1 归一化植被指数( NDVI)
研究区内含有反射率较低的水域, 它的存在会 对不透水面信息的提取产生干扰, 因此在不透水面 提取过程中必须对水体进行剔除。水体的掩膜剔除 方 法主 要采用修 正的归一 化水体指 数( MNDWI) 法[ 11 ] 。另外, 1989 年的影像上的云及其阴影, 在不透 水面提取和地表温度反演时也必须对其进行剔除。 2. 3 建成区不透水面信息提取
为了进行不同时相遥感影像之间的叠加对比分 析, 必须先对影像进行几何校正和配准。为了最大限 度地保留原始光谱数据, 采用了二次多项式变换和 最邻近像元法对影像进行几何校正, 并使 RMS 小 于 0. 5, 以确保配准精度。其次, 在提取不透水面信 息处理之前, 还必须对遥感数据进行反射率定标, 将 影像中像元的灰度值转换成传感器处的反射率值 ( at-sensor reflect ance) 。转换模式采用 Chander[ 10] 等 的方法进行。如不作特别说明, 本文中提到的遥感影 像均指经过反射率定标的遥感反射率影像。