基于遙感的石家莊市城市熱島效應(yīng)的空間分異規(guī)律研究_圖文

1、河北師范大學(xué)碩士學(xué)位論文基于遙感的石家莊市城市熱島效應(yīng)的空間分異規(guī)律研究姓名:趙紅梅申請學(xué)位級別:碩士專業(yè):自然地理學(xué)指導(dǎo)教師:王錫平20080331 2.城市熱島遙感監(jiān)測的的理論基礎(chǔ)2.1熱紅外遙感(Ther怕l i nfrared Remote sens l ng任何物質(zhì),只要其溫度高于絕對零度,它就會不斷向外輻射具有一定能量和波譜 特征的電磁輻射。輻射的能量大小和波長取決于溫度,因此稱為熱輻射。地物溫度范 圍決定了其能夠向外發(fā)射紅外輻射。熱紅外遙感就是利用星載或機載傳感器收集、記 錄地物的這種熱紅外信息,從而識別地物和反演地表溫度、濕度等特征。根據(jù)普朗克(P1anck黑體輻射定律得到斯忒

2、藩伯爾茲曼(stefanB01tzman 公式W-o T(21 式中:w為黑體表面發(fā)射的輻射通量(W4:T為黑體的絕對溫度(K;o=5.6697×101Wm。訊1為常數(shù)。由式2一l可見,隨著溫度的升高,物體自身發(fā)射的輻射能量將呈4次方迅速增加。 物體(黑體在不同溫度條件下自身發(fā)射的能量分布曲線,也稱物體(黑體輻射波 譜曲線(圖21。由曲線可直觀看出,當(dāng)溫度T不同時,物體發(fā)射能量達(dá)最大峰 值處的波長max也隨著變化,T增高,凡眥x向波長減少方向移動,反之向波長增 加方向移動。用維恩(wien定律表示:加x=/T(22 式中:眥x為黑體輻射最大峰值時的波長(Il m:T為黑體的絕對溫度(

3、K; a為常數(shù),其值等于2897.8lI mK。由式22可以計算出不同溫度的黑體在其自身 發(fā)射能量最大峰值時的波長。9 第三,圖像分辨率低。圖像分辨率主要界定于光學(xué)掃描的瞬時視場角和成像高度。 瞬時視場角越小、衛(wèi)星航高越高,地面分辨率單元越小,分辨率越高。分辨率與瞬時 視場角和航高的關(guān)系為:Ro=H目(24 式中:R。地面分辨單元,口瞬時視場角(弧度,H航高。對于紅外掃描儀,瞬時視場角的大小是一定的,一般為l3毫弧度。Landsat衛(wèi)星 的航高為705km,地面分辨率為60120m。2.2植被遙感及植被指數(shù)健康植物的波普曲線有明顯的特點(圖23,在可見光的O.55岬附近有一個 反射率為1096

4、20%的小反射峰。在O.45¨m和O.65腫附近有兩個明顯的吸收谷。在 0.7岬0,8叫是一個陡坡,反射率急劇增高。在近紅外波段O.81.3岬之間形成一 個高的,反射率可達(dá)40%或更大的反射峰。在1.45岬,1_95腫和2.62.7呻處有三 個吸收谷。簪O.60靜韶世o.40圖23綠色植物有效光譜響應(yīng)特征影響植物光譜的自身因素主要為葉片的顏色、葉片細(xì)胞的構(gòu)造和植物的水分等。 外界影響因素主要包括,灌溉、施肥、氣候、土壤、地形等因素。當(dāng)這些因素發(fā)生改 變時往往會影響到植物的葉片生長情況和葉片內(nèi)的水分含量等。植物的光譜特征可使其在遙感影像上有效地與其它地物相區(qū)別。并且不同的植物 類型具有

5、不同的波譜特征,從而可區(qū)分植被類型長勢及估算生物量等。植被指數(shù)(Vegetation Index指從多光譜遙感數(shù)據(jù)中提取的有關(guān)地球表面植被 狀況的定量數(shù)值【49J。通常是用紅波段(R和近紅外(NIR波段通過數(shù)學(xué)運算進(jìn)行線 性或非線性組合得到的數(shù)值,用以表征地表植被的數(shù)量分配和質(zhì)量情況。常用的植被 指數(shù)有:比值植被指數(shù)(RVI,Ratio Vegetation index,歸一化植被被指數(shù)(NvI, NorInalzedVegetationIndex,差值植被指數(shù)(DVI,Difference VegetationIndex, 正交植被指數(shù)(PVI,Perpendicular Vegetatio

6、n Index等。本文選用歸一化差值 植被指數(shù)NDvI(NorIllalozed Di船”nce vegetationIndex。它能更好地反應(yīng)本地形區(qū)植被 蓋度稀琉、蓋度差異懸殊的區(qū)域景觀特點。該植被指數(shù)的表達(dá)式為:NDVI=里竺型!二旦翌刪!.DN4+DINTM3(25 其中DND,分別表示landsatTM/ETM+第四波段(熱紅外波段的灰度值和第 三波段(可見光紅光波段的灰度值。133.材料與方法3.1陸地衛(wèi)星Landsat的數(shù)據(jù)本研究是選用1987年3月25日、1993年10月19R和2000年6月8日共三幅 影像進(jìn)行的。其中1987和1993年使用的是lanasatTM影像,200

7、0年使用遙感影像 是landsatETM+的數(shù)據(jù)。2000年影像數(shù)據(jù)的ETM+6的下行數(shù)據(jù)有兩個通道,分別記作 格式1和格式2。ETM+6在格式l時設(shè)置為低增益(6L,在格式2時設(shè)置為高增益(6H。 Landsat系列衛(wèi)星自1970年代發(fā)射以來,憑借著其良好的性能價格比,豐富的 光譜信息,快捷的圖像更新周期和政府支持下的連續(xù)后續(xù)星計劃等優(yōu)勢,成為土地利 用、覆蓋調(diào)查、農(nóng)業(yè)估產(chǎn)、區(qū)域規(guī)劃、森林火災(zāi)監(jiān)測等諸多方面應(yīng)用最廣泛的遙感數(shù) 據(jù)源。Landsat系列衛(wèi)星共發(fā)射了3代,第一代Landsat實驗性衛(wèi)星為Landsat一1、2、 3,第二代為Landsat一4、5,第三代為Landsat一6、7。

8、其中LaJldsat一5采用高度為 705k,軌道傾角為98。的太陽同步準(zhǔn)回歸軌道,每16天對整個地球觀測一遍。TM為 專題制圖儀(Thematic Mapper,采用光學(xué)機械掃描的方式獲取地面目標(biāo)圖像,瞬時 視場為30IIl,地面觀測寬度為185km,數(shù)據(jù)通過跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星TDRS傳送到地面。 TM設(shè)有七個波段,包含著十分豐富的地表信息。不同波段對應(yīng)地物在波段內(nèi)的反射 或輻射特性,可根據(jù)不同應(yīng)用需要,進(jìn)行多種波段組合和專題信息的提取。Landsat一7采用高度為705km,軌道傾角為98.2。的太陽同步準(zhǔn)回歸軌道,重訪周期也為16天, 地面上的觀測寬度為183k,星上搭載的是增強型專題制

9、圖儀ETM十(Enhanced The嗽tic Mapper Plus。ETM+在保持了TM數(shù)據(jù)延續(xù)性的基礎(chǔ)上,還增加了一個15m 分辨率的全色波段(簡稱ETM十Pan,并把熱紅外波段的空問分辨率從120m改進(jìn)到60m。 參數(shù)特征見表31和32。表31TM/ETM+的觀測參數(shù)與波段特征波 波長范圍 設(shè)計依據(jù) 波段特征 主要用途段 (ml 藍(lán) 0.450.52植物色素吸收 對水體穿透力強,對葉 有助于判別水深,水中葉綠素分 峰O.45um 綠素及葉色素濃度反 布.近海水域制圖應(yīng)敏感2綠 O.520.60植被在綠色波 對健康茂盛植物綠反 深測健康植物,評價植物生長活 段反射峰 射敏感,對水的穿透力

10、 力,研究水F地形特征和水污染 0.55um 較強4近 O.760.90受植物細(xì)胞結(jié) 對綠色植物類別差異 確定綠色植被類型,做生物長勢 紅 構(gòu)的,植物在 最敏感,為植物通用波 和生物量的調(diào)查,水域判別等 外 O.70-1.3岬高 段反射5中 1.551.75水分子在 處于水的吸收范圍 用于植物含水量的調(diào)查、士壤濕 紅 1.4岬,1.9岬 度、水分狀況、作物長勢的研究,外 的吸收峰 內(nèi),反映含水量敏感區(qū)分云和霧6熱 10.412.5地物紅外發(fā)射 對地物熱信息比較敏 可以進(jìn)行熱制圖,對植物和地物 紅 特征 感,接收到是物體本身 的熱強度測定分析,人類熱活動 外 的熱輻射 特征監(jiān)測7中 2。082.

11、35處于水吸收帶 處于水的強吸收帶,水 植物含水量測定,巖石的調(diào)查與 紅 與蝕變巖類黏 體一般呈黑色 分類,含有一oH礦物的土壤 外 土礦物中輕基的吸收帶8全 0.520.9015m的地面空間 通過各種融合手段提色 分辨率 高地面空間分辨表32部分遙感衛(wèi)星參數(shù)的比較16 3.2遙感圖像處理軟件ERDAs lMAGINE與圖像處理ERDAs IMAGINE是美國EIDAs公司開發(fā)的專業(yè)遙感圖像處理與地理信息系統(tǒng)軟件。在本論文遙感圖像的處理中主要使用了它的空間建模工具模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、 圖像解譯模塊和圖像分類模塊。一、erdas imagine空間建模工具ERDAs IMAGINE空間建模工具

12、由空問建模語言(sML、模型生成器(Model Maker 和空間模型庫(Model Library組成。本文主要使用的是模型生成器(Model Maker。 模型生成器是空間建模語言的核心,是一個為用戶提供的圖形界面,允許通過便 于使用的面板工具來產(chǎn)生空間圖形模型(Graphic Model,圖形模型可以運行、編輯、 保存在模型庫中,或者轉(zhuǎn)化成SML程序模型,以便應(yīng)用SML做進(jìn)一步的編輯;圖形 模型還可以作為流程圖打印輸出或直接插在研究報告的文檔中。del Maker提供了 23類共200多個函數(shù)和操作算子,可以操作柵格數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、矩陣、表格及分 級數(shù)據(jù)。本論文使用Model Maker

13、生成基于Landsat遙感數(shù)據(jù)的反照率(模型和地表 溫度反演模型,進(jìn)而運行模型生成地表反照率圖和地表溫度分布圖。二、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊Erdas i帕gine數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊由一組實用的圖像數(shù)據(jù)處理工具構(gòu)成,包括生成 單值圖像(creat new i眥ge、三維地形表面(creat surface、圖像分幅裁剪(subset Ilnage、圖像幾何校正(I眥ge Geometric Correction、圖像拼接處理(Mosaic、 非監(jiān)督分類(unsupervised Classification、以及圖像投影變換(Reproject Images 咖1。圖像分幅裁剪分為規(guī)則分幅裁剪和不規(guī)則分幅裁

14、剪。規(guī)則分幅裁剪是指裁剪圖 像的邊界范圍是一個矩形,通過左上角和右下角的兩點的坐標(biāo),就可以確定圖像的裁 剪位置。本文所使用遙感數(shù)據(jù)為整景的數(shù)據(jù),而要研究的區(qū)域是整景數(shù)據(jù)的一小部分,所 以利用分幅裁減工具對圖像進(jìn)行裁減,僅選擇石家莊市區(qū)及一小部分近效地區(qū)。 三、圖像解譯模塊圖像解譯功能主要包括:空間增強(Spatial Enhancement、輻射增強 (Radi衄etric Enhance眥nt、光譜增強(Spectral Enhanceent、高光譜工具(Hyper Spectral t001s、傅立時變換(Fourier Analysis、地形分析(Topographic Analysis

15、、地理信息系統(tǒng)分析(GIS Analysis、實用分析功能(utilities。分辨率融合(Resolution Merge是空間增強處理的一個功能,是對不同空間分 辨率的遙感圖像進(jìn)行融合處理,處理后的遙感圖像既具有較好的空間分辨率,又具有 圖42分類前地溫值象元分布情況圖專家分類器決策樹模型1987年、1993年、2000年分別見圖(43a、b、c:地沮丹曼墮嗣邑 圖a分類標(biāo)準(zhǔn)曼:=一竺竺卜一地掘分炎_硬瓴色 圖b 圖c圖43專家分類器模型流程圖一一一一一一一一一一一一掣 蘭蘭茹經(jīng)過上述專家分類器模型處理后,地表溫度圖的溫度值被分成5類,分類結(jié)果見 表41。表41經(jīng)專家分類器模型分類后的數(shù)據(jù)

16、表各分類溫度范圍見圖44A、B、C將分類結(jié)果繪制成圖,并將石家莊市內(nèi)主要標(biāo)示物如鐵路線、公園、工業(yè)區(qū)等標(biāo) 注在圖上,分類結(jié)果見圖44(1987年熱島分布圖、1993年熱島分布圖、2000年熱 島分布圖:從圖中看出,該市的熱島分布與城市延展輪廓基本一致。高溫區(qū)與較高溫度區(qū)(紅 色和粉紅色區(qū)域被低溫區(qū)與較低溫度區(qū)(褐色和綠色區(qū)域包圍著。城市中間零星 的分布著高溫的紅色區(qū)域,東北部有一條帶狀的紅色區(qū)域。從空間位置上分析:高溫區(qū)呈多中心分布,從郊區(qū)到城市區(qū)域熱島比例有增加的 趨勢。從時間尺度看:1987年高溫區(qū)與較高溫度區(qū)的面積分別5%和11%;1993年的 高溫區(qū)與較高溫度區(qū)的面積分別2%和6%;2

17、000年高溫區(qū)與較高溫度區(qū)的面積分別為3%和16%。(見圖44。1987年見圖45A,成片的高溫度區(qū)分布在東北部的滹沱河及其沿岸地區(qū)。 城市中心的高溫區(qū)主要分布于建設(shè)大街與體育大街之間,南到和平路北到光華路 (棉紡一廠、棉紡二廠、棉紡三廠、棉紡四廠、倉安路的紅旗紡織廠、勝利大街的 棉紡七廠、位于體育大街與談固大街之間(華北制藥廠、拖拉機制造廠、煤礦機械廠、 拖拉機配件廠、建筑機械配件廠、鋼鐵廠。較高溫度區(qū)主要分布在市中心的地區(qū),如柏林莊、義堂村,吳家村、北宋村、方 北村、西焦村等城中村附近。1987年熱島空間分布的主要規(guī)律是:中部偏北的城市中心地區(qū)僅分布很少的紅 北部延伸的滹沱河業(yè)已干涸,沙灘

18、和河床上裸露砂石,熱容量小,升溫較快。因此在 影像圖.L為紅色高溫?zé)彷椛鋮^(qū),呈現(xiàn)了帶狀分布。棉紡中心一直呈現(xiàn)高溫中心點的原 因是該工業(yè)中心為高大的廠房所覆蓋,廠房屋頂主要為水泥混凝土構(gòu)建,廠房周圍的 廠區(qū)基本沒有綠色植被,地面為水泥硬化路面,廠區(qū)外圍植被也很少且被柏油公路與 其它地區(qū)隔開。故造成該地區(qū)一直為高溫中心。石家J上市熱島【面積變化幽低溫區(qū)間區(qū) 4.3地表溫度分布場與歸一化植被指數(shù)之間的關(guān)系對反演生成地表溫度圖與歸一化差值植被指數(shù)(以下簡稱植被指數(shù)圖進(jìn)行對應(yīng) 采點,按采集順序依次記錄采集點的坐標(biāo)、輻溫度(T和植被指數(shù)(NDVI,見表 42和43。根據(jù)上述處理對地表溫度圖與植被指數(shù)圖對應(yīng)

19、選擇的地表溫度值和植被覆蓋指 數(shù)值用spss軟件曲線進(jìn)行擬合分析,該擬合分析選用一次和二次多項式進(jìn)行,從中 選取最優(yōu)模型。表421993年10月19日地溫與植被指數(shù)采集點數(shù)據(jù)表曲線擬合的結(jié)果見公式(41和42。相關(guān)關(guān)系的平方值(R2為O.694,顯著水平值(sigf達(dá)到O.ooO,故選用一次線 性擬合關(guān)系。1993年10月19日的地溫與植被覆蓋指數(shù)的相關(guān)關(guān)系式為:y=棚.0404x+22.8725“(42 其中x為自變量植被覆蓋指數(shù)(NDVI,y為地溫值。擬合前后的曲線見圖46。憫。根據(jù)采集的地溫樣點與植靛衽藍(lán)指數(shù)祥點生成的曲絨。繩進(jìn)一敬多墩戲越臺崔型處理所產(chǎn)生的曲線圖46石家莊市1993年l

20、O月19日地溫與植被指數(shù)的相關(guān)關(guān)系圖表432000年6月8同地溫與植被指數(shù)采集點數(shù)據(jù)表根據(jù)模型的擬合結(jié)果,一次與二次多項式多項式的平方值(R2均為0.794。顯 著水平值(sigf達(dá)到O.ooO,自變量與因變量呈現(xiàn)顯著的相關(guān)意義。但二次多項式 的系數(shù)為0.000019,對二次多項式影響很小,且考慮到1993年數(shù)據(jù)的分析結(jié)果,故 選擇一次多項式。因此選定2000年6月8日地溫與植被覆蓋指數(shù)的相關(guān)關(guān)系式為: y=-o.395x+31.805l(43 其中x為自變量植被覆蓋指數(shù)(NDVI,y為地溫值。擬合前后的曲線見圖4一L挺毓靜藏(唧vI 根據(jù)采囊的地洱祥點與植被授蓋指 數(shù)櫛煮生成的曲線經(jīng)過一、失

21、事疆式擬欖型魅理所產(chǎn) 生的曲鱧圖47石家莊市2000年6月8日地溫與植被指數(shù)的相關(guān)關(guān)系圖綜合1993年和2000年兩年的地溫與植被指數(shù)的關(guān)系可知,地溫與植被指數(shù)間存 在著一次線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。但由于所選取的樣本點、遙感圖像處理過程、反演模型以 及遙感圖片自身的限制(瞬時拍攝等方面的誤差,這一負(fù)相關(guān)關(guān)系尚不能準(zhǔn)確地確 定。但是地溫隨植被覆蓋率的增加而減小這一點在本文是可以確定的。目前對于地溫與植被覆蓋率的關(guān)系中存在著兩種不同的結(jié)論。一種是線性關(guān)系, 例如宋巍巍在研究廣水地區(qū)時得出結(jié)論:地溫與植被指數(shù)的關(guān)系是 y=一7.4124x+38.975。另一種結(jié)論是二次多相式,例如王才軍對重慶市研究后的出 的:地溫與植被指數(shù)的關(guān)系是y=o.0156x22.5355x+104.08。在本文中二次項影響 不顯著故本文研究區(qū)域的植被覆蓋指數(shù)與地表溫度的擬合關(guān)系選擇一次線性的。 4.4石家莊市熱島剖面分析為了更為詳細(xì)的研究植被覆蓋指數(shù)對地溫的影響。我們選擇植被覆蓋率高的長安 公園和植被覆蓋較低的高溫區(qū)(棉紡工業(yè)區(qū)來分析植被與地表溫度剖面的關(guān)系。 表551993年采樣數(shù)據(jù)統(tǒng)計表類別 所占采樣數(shù) 相對頻率(%根據(jù)上述分析熱力景觀的指標(biāo)計算公式,求得優(yōu)勢度、類分維數(shù)和類分離度的結(jié) 果見表57。表57熱力景觀指標(biāo)計算結(jié)果對比地表溫度分布圖和歸一化植被指數(shù)圖,結(jié)合熱力景觀指標(biāo)計算結(jié)果可知: 1類分維數(shù)分析。