城市地表温度与土地覆盖关系的定量研究

２．２数据
所用数据为Ｌａｎｄｓａｔ ＴＭ遥感影像，其行列号为１２１（ｐａｔｈ）－３６（ｒｏｗ），图像接收时间为２００５ 年８月１２日。中心区经纬度为：东经１１８．０４；北纬３４．６２。图像的ｌ、２、３、４、５、７波段（分 辨率为３０ｍ车３０ｍ）用于土地覆盖分类；６波段（分辨率为１２０ｍ＊１２０ｍ）用于地表温度的反演。
１引言
随着遥感技术的发展，利用热红外遥感研究地表温度和城市热岛效应已经成为非常有效 的技术手段【ｌ捌。ＲｕｄｏｌｆＢｒａＨｚｄｉ等人通过对捷克首都布拉格城内外监测站温度的比较，对热
岛强度及热岛效应对布拉格季节、年温度的测量的影响进行研列川。程炳岩等通过对郑州市
城市气候的观测资料进行分析，揭示了郑州市区环境温度的季节分布、不同性质地面环境对 温度分布的影响及郑州市城市热岛强度的时空变化特点【４】。林云杉等对提取的不透水面信息 与利用Ｌａｎｄｓａｔ ＴＭ６波段反演的地表温度进行相关分析，发现二者之间存在明显的正相关关 系【５Ｊ。Ｑｉｈａｏ Ｗｅｎｇ等人将地物划分为绿色植被、裸土、阴影，以此来研究地表温度与植被丰 度之间的关系ｆ６１。 本文从Ｌａｎｄｓａｔ ＴＭ热红外波段数据反演的地表温度出发，利用结合混合像元分解算法 和Ｖ．Ｉ．Ｓ模型，分析了徐州市２００５年地表温度与不同土地覆盖类型之间的关系，旨在为徐 州市针对日益增长的热岛效应制定城市热环境防范和改善措施做出铺垫，这对于徐州市及周 边地区的环境保护、生态变化具有重要的现实意义。
４．２实现步骤
根据混合像元模型和Ｒｉｄｄ的Ｖ．Ｉ．Ｓ模型，提取土地覆盖信息的技术路线图如图２。
图２提取土地覆盖类型技术路线图 按照ｖ－Ｉ—Ｓ模型理论，城市由植被、不透水面、土壤三个因子组成，选择三种端元就可 以分解了。但是城市是一个复杂的综合体，尤其是城市不透水面包含了很多种地物类型，光 谱差异很大。直接提取城市不透水面，对端元的光谱值无法确定，这样提取的难度很大，提 取出来效果也不理想。本研究借鉴Ｗｅｎｇ和Ｌｕ等的研究１１５，１６１，结合徐州的实际情况，基于 Ｖ－Ｉ—Ｓ模型理论，宏观上初步选定植被、土壤、低反射地物、高反射地物四个端元组分，然
Ｄｏ＝（１一气）［１＋气（１一ｅ６）】
（１） （２）
公式（Ｉ）中是不为地表温度，瓦为行星亮度温度，其中ａ６—６７．３５５３５，钆＝０．４５８６０８（温
度范围为０．７０℃）。 这三个关键参数的估算方法如下： 物体的比辐射率是物体向外辐射电磁波的能力表征它不仅依赖于地表物体的组成，而且 与物体的表面状态（面粗糙度等）及物理性质（介电常数、含水量等）有关，并随所测定的波长 和观测角度等因素有关。所以说，地表比辐射率直接与地表构成有关。根据Ｍａｓｕｄａ测定 的结果，可作简化处理：植被覆盖区域为０．９５，而非植被区域为０．９２１９Ｊ。综合以上，本研究 的地表比辐射率统一取０．９５。 覃志豪根据温对于中纬度夏季，由下式计算： Ｔ．＝１６．０１１０＋０．９２６２１瓦
Ｒ∞＾＝ｆｉ。Ｒ神＋＾口ｔＲ，∞１＋￡ｂ
啦
公式（５）中置胛＾是不透水面在波段ｂ的反射率－＾。和＾种是低和高反照度端元所占比 率，凡。一和竹卅一分别是低和高反照度在波段ｂ的反射率，ｅｈ为模型残差。Ｅ。一的确定条 件是凡．．十＾肿＝Ｉ和ｆ。。＞ｏ ａ在此基础上－可以认为纯净的不透水面可以由低反射童
端元和高反照率端元通过完全的约束的线性混合模型得到。因而，似如除了水面和阴影以外， 地面上只有三种地物覆盖类型ｆ植被、土壤、不适水面），那么不透永面覆盖度可以表示为高 低反照度端元覆盖度之和。当然．在进行小透水面覆盖度计算之前．必缅消除水和阴影的影 响，因为水和阴影也必须进行相应的处理。可班利用徐涵秋提出的改进差异化水体指数（公 式）对研究区的水体进行掩模运算……。
（１）大型商业区如太润发超市、新一佳超市淮西店、百货大楼、宣武市场等。
（２）大型公共场所如彭城广场、淮西客运站、汽车南站，徐州火车东站、文化富等。 （３）大型散热厂和公司：如华东机械厂，』二程机械总厂、徐州热电有限公司、红旗机械
厂等。
（４）新兴开发区：如九里区开发新区等。 （５）人口密集住宅区：如民康园、民健园、民乐园、民聚匿集中住宅区，风华园、弘润 园等。 （６）未蝗工的建筑工地和裸露地（未规划用地、秃山等）。 （７）除徐州市中心外，其它大型单位或乡镇中心，中国矿业大学南湖校区等
４．３研究区Ｖ、１、Ｓ组分总体分析
对徐州市研究区２００５年的植被、不透水面、土壤覆盖度图像进行归化处理，使得各
覆盖度图像值分布在Ｏ．１之间。研究区图像中植被覆盖度高的区域分布很广，主要是一些作 物长势良好的农田，占了整个研究区域的一半以上。土壤和不透水面覆盖度的区域所占的比 例比较小，土壤覆盖度高的区域主要是在农村一些没有种植庄稼的农田、一些向城市用地过 渡的地带、及一些正在施工的建筑工地以及一些荒山。不透水面覆盖度高的区域，主要是居 住区、道路、工业区、商业区等。由像元组分的不同丰度值及其包含像元数的乘积的总和再 除以总像元数，这样我们可以分别求出研究区域内的植被、土壤、不透水面的平均覆盖度。 在具体分析时，对归一化的土壤、植被分别进行有阈值的感兴趣区域选择，通过和研究区域 的假彩色影像进行比较，得出土壤的阈值是Ｏ．６５．１、植被的阈值是０．８５．Ｉ。这样，得出研究 区的植被、土壤、不透水面的平均覆盖度如表１。 表ｌ植被、土壤和不透水面的覆盖度 组分 植被（Ｖ） 土壤（Ｓ） 不透水面（Ｉ） 像元数（总像元数为２１３３２２６ ｐｉｘｅｌｓ）
２研究区简介及数据资料
２．１研究区概况
本文选择了部分徐州市地区为研究区，研究区大小：１５１４×１４０９。研究区包括以云龙湖为 中心的徐州市市区、铜山县部分地区和贾汪区部分地区，既包括徐州中心城区，也包括部分 郊区，因此既以城市为主的建筑物等人工下垫面，又有土壤、植被等自然下垫面，能较典型 地反映研究区的情况。
ｆ４）
其中瓦是近地层大气温度，单位为Ｋ。
大气透射率的变化主要取决于大气水分含量的动态变化，其它的因素因其动态变化不大 而对大气投射率的变化没有显著影响，因此，水分含量就成为大气透射率估计的主要考虑因 素【’¨。 本文根据当时研究区当时的水汽含量，从覃志豪等运用大气模拟程序ＬＯＷＴＲＡＮ７所建 立的查找表中来寻找相应的大气透射率１７】。 因此，在三个关键参数都得到的情况下，将其代入公式中，就可以反演到地表温度。
城市地表温度与土地覆盖关系的定量研究
夏俊士，杜培军
（中国矿业大学测绘与空间信息工程研究所，江苏省徐州市，２２１ Ｉ １６）
摘要：利用Ｌａｎｄｓａｔ ＴＭ数据，以徐州市为研究区，开展地表温度反演、混合像元分解 和地表温度与土地覆盖类型之间的关系方面的研究。采用单窗算法，通过各种途径来获得必 要参数进行地表温度反演。利用Ｒｉｄｄ提出的ｖ－Ｉ．Ｓ模型，通过混合像元分解可以将土地覆 盖类型分解为对城市热环境具有重要影响的植被、土壤、不透水面层三个分量。利用地表温 度和ｖ－Ｉ—ｓ三种地物类型，对研究区城市热岛的空间分布特征以及地表温度与土地覆盖类型 及各种影响因子之间的关系进行定量研究。 关键词：地表温度； 土地覆盖； 混合像元分解
４基于混合像元分解模型提取土地覆盖信息
４．１基本原理
遥感影像通常是以像元为单位获取地物信息，它所记录的是像元内所有物质的混合光 谱。在遥感图像中，一个像元往往覆盖几个甚至上千平方米的地表范围，其中往往包含着多 种地物类型，这就形成了混合像元。混合像元问题在遥感影像中普遍存在，它不仅会影响地 物识别和分类的精度，而且是遥感向定量化发展的障碍。为解决这个问题，人们提出了多种 混合光谱模型Ｉｌ引。本文采用的是将线性光谱混合模型（ＬＳＭＭ）与Ｖ－Ｉ．Ｓ模型（植被．不透水面． 土壤模型）相结合的方法。 线性光谱模型（ＬＳＭＭ）是混合像元分解的常用的方法。指像元在某一光谱波段的反射率 （亮度值）是由构成像元的终端单元（ｅｎｄｍｅｍｂｅｒ）的反射率（亮度值）以其所占像元面积比例为 权重系数的线性组合。ＬＳＭＭ模型从混合像元中分离和提取出各终端单元（ｅｎｄ ｍｅｍｂｅｒ）的光 谱响应，通过求解线性方程来反解终端单元在像元中所占的比例，从而将所有像元分解成这 些基本组分的分量。模型计算的结果表现为各终端单元的分量值（图像）和以均方根误差表现 的残余误差图像【¨ｊ。 Ｖ－Ｉ．Ｓ模型（植被．不透水面．土壤模型）是Ｒｉｄｄ在１９９５进行城市形态研究中提出来的，是 城市土地利用、覆盖研究的重大进展【ｌ引。Ｖ．Ｉ．Ｓ模型是一个概念模型，它把具有强烈的异质 性的城市土地覆盖类型简化成为由植被、不透水面和土壤三种土地覆盖类型组合而成（水体 除外）。其中绿色植被和不透水面是表征城市环境状况的两个重要指标。ｖ．Ｉ．Ｓ模型把城市景 观与植被、不透水面和土壤的光谱特征联系起来，为定量理解城市环境生物物理组分提供理 论基础。
ⅢＤＷ：—Ｇｒｅｅｎ—－ＭＩＲ
（６１
５２—０
Ｇｒｅｉｎ十ＭＩＲ
公式（６）中，Ｇｒｅｅｎ和ＭＩＲ分别为ＴＭ数据绿光渡段（波段范围为０ 波段（波段范围为】５５．Ｉ ７５，ａｍ】 根据３．２中的步骤，提取出研究区的Ｖ－Ｉ．Ｓ丰度结果如图３，
６０，ｕｍ）和中红外
图３为研究区的Ｖ－Ｉ－Ｓ结果图（从左向右依次是植被、土壤和不透水面层）
３．２研究区地表温度反演结果
根据上述方法，对徐州市２００５年的热红外波段进行地表温度反演，结果如图ｌ表示。 反演得出２００５年的最低亮度温度为２９８．３７５Ｋ，最高亮度温度为３１２．６５６Ｋ。最高最低温度之 差为１４．２８ｌＫ。
图１研究区地表温度反演结果
３．３研究区城市热岛空间分布特征
从图１可以看出，徐州市城市热岛空间分布基本上和城市建设区的轮廓一致．城市热岛 空问分布格局呈现从城市中心向郊区地表温度逐渐降低的趋势，徐卅市城区尤其是建筑、人 口密集的城区，地表温度明显高丁周边挪区，证明城市热岛效应确实存在。 同时，各温度区呈现出不同形状的带状分布，并呈现出温度由高到低或由低到高的规律 性变化。从图中可以看出２００５年城市高温区主要集中在市区中心区，这里包括＾口密集区 和商业繁华集中地区，温度基本保持在３０＇Ｃ虬上。在城区热岛周围经过观察，可出清楚地 得到在铁路线上，温度较高。在市区强热岛的中心有两个温度相对较低的匡域，一为金阳家 园，另一为燕子楼公园（云龙公园）。而黄河故道形成ｒ一条沿着城区的长条形低温带，在城 区热岛附有一个低温中心，是棕卅市区比较著名的云龙湖，同时沿着云龙湖和黄河故道地区 温度也较低。可见，水体对地表温度的影响十分明显，由于水体热容量大．对周边环境有一 定的调节能力，因此可以在局部区域中改善气候状况。 由此可见，这种分布状况和分布的规律性与下挚面类型有较好的一致性。水体、植被分 布的区域温度较低，而具有水泥结构的工业区、商业区、居住集中区往往具有较高温度。 经过咀上分析可以看出徐州市城市热岛主要分布在以下几类地区
后通过低反射地物、高反射地物通过掩模去水体计算城市不透水面。 ＭＮＦ变换足同主成分变换相似的一种方法，它被用来分离数据中的噪音，确定数据内 在的维毁，减少随后处理的计算量。对研究匡ＴＭ图像（除第六波段）进行ＭＮＦ变换，发现 前四个组分能够包含整幅图像９０％左右的信岜，利用ＭＮＦ变换的前四个组分米选择端元完 仝是有效的，也是可取的： 像元纯净指数能够对原始图像进行一淡纯像元的筛选。像元值越高表示该像元被标记为 纯净像元的移：数越多．像元越纯净。经过ＰＰＩ转换，可吼利用ＰＰＩ图像设定一定的阈值范围 筛选纯净像元进行散点圈分析，确定端元。本文在经过多次试验之后．设定阈值为１００提取 纯净像元，结台ＭＮＦ散点图来选择终端像元。 由上进方法．得到了植被、土壤、低压射地物、高反射章地物的覆盖度图像。而城市不 透水面作为Ｖ－Ｉ．Ｓ模型的一个重要田子．其光谱变异性较大，无法将不适水面作为一种喘元 提取。如果直接用高反射率或低反射率地物代表不透对（面，效果也不好。本研究利用 Ｗｕ＆Ｍｕｒｒａｙ（２００３）建立的城市不透水面覆盖度的计算模型来提取小透水面层”“。公式如下：
３地表温度反演
３．１单窗反演方法
不同于辐射传导方程法和单通道算法，单窗算法可以根据地表热辐射传导方程，而不需 要大气校正直接反演地表温度［７１。 根据地表比辐射率乞、大气平均作用温度ｒｏ和大气透射率死三个参数用下面算式从行 星亮度温度来推算地表实际温度【８１０
Ｚ＝【ａ６（１一Ｃ６一Ｄ６）＋［ｂ６０一Ｃ６一现）＋ｃ６＋成】瓦一Ｄ６瓦】／Ｃ６ Ｃ６＝ｒ６幺