第３１卷第２期 ２０１５年２月 科技通报 ＢＵＬＬＥＴＩＮ ０Ｆ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ Ｖｏｌ＿３ｌ Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２０１５ 基于遥感的自贡市热岛效应时空变化特征分析 邓琮’，杨武年 （１．成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都６１００５９； ２．成都理工大学地学空间信息技术国土资源部重点实验室，成都６１００５９） 摘要：自从卫星遥感技术诞生以来，在世界范围内城市热岛效应得到了广泛的研究。在反演了自贡 市２０００年和２００９年城区地表温度的基础上，提取了研究区的植被覆盖度（Ｆｖ）和不透水面（ＩｓＡ）。通过回 归分析发现，自贡市的不透水面对城区的地表温度呈正相关关系而植被覆盖度呈负相关关系。时间上 两大因素所起的作用也有差别，２００９年不透水面对地表温度起的升温作用较２０００年更大，２００９年植被 覆盖度对地表温度产生的降温作用更小。说明随着时间的推移自贡市还需加大城市绿化才能有效缓 解城市热岛效应。 关键词：热岛；地表温度；植被；不透水面 中图分类号：Ｐ２８３ Ｆ２９１．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—７１１９（２０１５）０２－００１３－０３ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｐａｔｉａｌ Ｔｅｍｐｏｒａｌ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｕｒｂａｎ Ｈｅａｔ Ｉｓｌａｎｄ Ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ Ｚｉｇｏｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｄｅｎｇ ｃｏｎｇ ，Ｙａｎｇ Ｗｕｎｉａｎ ｆ１．Ｓｉｃｈｕａｎ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｇｅｏ—ｈａｚａｒｄ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ Ｇｅｏ—ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００５９．Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｉｃｈｕａｎ Ｍｉｎｉｓｔｅｒｉａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌａｎｄ ａｎｄ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ／Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ＆ＧＩＳ，Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００５９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ ｂｉｒｔｈ ｏｆ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｕｒｂａｎ ｈｅａｔ ｉｓｌａｎｄ ｅｆｆｅｃｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｉｄｅｌｙ ａｎｄ ｔｈｏｒ— ｏｕｇｈｌｙ ｗｏｒｌｄｗｉｄｅ．Ｃｏｍｂｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ Ｚｉｇｏｎｇ ｃｉｔｙ ｉｎ ２０００ ａｎｄ ２００９，ａｎｄ ｒｅｔｒｉｅｖｉｎｇ Ｆｖ ａｎｄ ＩＳＡ ｏｆ ｓｔｕｄｙ ａｒｅａ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｆｉｎｄ ｔｈａｔ，Ｚｉｇｏｎｇ ｉｍｐｅｒｖｉｏｕｓ ｆａｃｉｎｇ ｕｒｂａｎ ｌａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｅｒｅ ｐｏｓｉｔｉｖｅｌｙ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｎｅｇａｔｉｖｅｌｙ ｒｅｌａｔｅｄ ａｎｄ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｃｏｖｅｒａｇｅ．Ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｆａｃｔｏｒｓ ａｌｓｏ ｈａｖｅ ｄｉｆ— ｆｅｒｅｎｅｅｓ，Ｉｎ ２００９，ｔｈｅ ｗａｒｍｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｉｍｐｅｒｖｉｏｕｓ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｓ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ｉｎ ２０００．Ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｅｆ－ ｆｅｃｔ ｏｆ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ｉｎ ２０００．Ａｓ ｔｉｍｅ ｇｏｅｓ Ｉｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｉｎ ｔｈｅ ｃｉｔｙ ｏｆ Ｚｉｇｏｎｇ ｓｔｉｌｌ ｎｅｅｄ ｔｏ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ ｕｒｂａｎ ｌａｎｄｓｃａｐｉｎｇ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ａｌｌｅｖｉａｔｅ ｔｈｅ ｕｒｂａｎ ｈｅａｔ ｉｓｌａｎｄ ｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｒｂａｎ ｈｅａｔ ｉｓｌａｎｄ；ｌａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ；ｉｍｐｅｒｖｉｏｕｓ ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅａ ０引言 质性导致了地表温度的多样性。同时同一种地物之间 因为分布上的不同也会产生较大的温度差异。为了更 在较为稳定的气象环境下，土地覆被和景观因素 好的研究土地覆被和地表温度之间的关系，需要考虑 ｌ一１。ｗｕ创 是城市地表温度最为主要的两个影响因素。过去的研 两个重要的地表参数，不透水面和植被覆盖【低反照率和高反照 究也表明了土地覆被对地表温度的影响，其中包括草 造性地将城市地表分成植被、土壤、ｄｄ提出了ｖ—Ｉ—Ｓ（Ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ—ｉｍｐｅｒｖｉｏｕｓ ｓｕｒ— 地、森林和公园对地表温度的冷却效应，以及建筑物对 率地物，Ｒｉｏｉｌ）模型，简化了城市地表组成的成分 １。 热岛增加的影响。不管怎样，正是源于土地覆被的异 ｆａｃｅ—ｓ收稿日期：２０１４—０４—１２ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（４１０７１２６５，４１３７２３４０）；２０１０年度高等学校博士学科点专项科研基金（２０１０５１２２１ １ ０００６）； 作者简介：邓琮（１９８６一），男，博士，研究方向：３Ｓ技术及应用研究。 １４ 科技通报 第３１卷 最近十多年来，国内外对城市热岛效应的研究愈 回归模型的方法。其中线性回归模型更是被广泛地用 于研究地表温度和各种社会经济指标诸如人口活动强 将ＴＭ／ＥＴＭ＋热红外波段的辐射强度值转换为辐射 加重视，主要采取了在地表温度和光谱指数之间建立 亮温，得： ＝ ／Ｌｎ（１＋ ）一２７３．１５ （２） 式中， 为辐射亮温，单位为℃； 为辐射强度值； 度、地面高层建筑以及各种地表参数之间的关系 １。 Ｋ】、 为修订系数，对于ＥＴＭ＋热红外波段， 为 近年来研究表明城市下垫面性质与研究区热岛效应密 ６６６．０９３ Ｗ・ｍ～・ｓ～・Ｉｘｍ～， 为１２８２．７０８ Ｋ；对于ＴＭ热红 切相关，通过研究城市下垫面性质变化进而研究城市气 外波段，Ｋ。为６０．７６６ Ｗ－ｍ～・ｓ～・Ｉｘｍ～，／（２为１２６０．５６ Ｋ。 候，对提高城市规划的宜居性都有重要作用。本文研 ３．２地表真实温度反演 究的主要目的是探讨植被、不透水面对研究区地表温 地表温度，５ 像元亮度温度计算是在假设地球为黑 度的影响。 体状态下，所以不能准确的反演出地表真实温度差 异。可以利用地物的比辐射率，反演陆地表面温度， 为： ｓ １ ６ （３） １研究区概述 研究区自贡市位于四川省南部，沱江支流釜溪河 畔。地理位置为东经１０４。１６ ～１０５。２６ ，北纬２８。９３ ～２９。 其中Ａ为发射辐射波长，取热红外波段平均值， ６４ ，与内江、宜宾、泸州、乐山等地相邻；全市幅员面积 Ａ＝１１．５ Ｉ－￣ｍ；Ｐ为地物比辐射率，Ｐ＝０．０１４３８ ｍＫ； 为 ４３７２．６ ｋｍ。。自贡属川中丘陵区地貌，境内中、浅丘陵 地表比辐射率。地表比辐射率占根据Ｆ 阈值法进行 起伏，地势由西北向东南倾斜，一般海拔标高在２５０— 计算。 ５００ｍ之间，城区海拔高度为２８０～４００ｍ，随着城乡一体 ３＿３地表覆被参数提取 化进程的加快，自贡市四城区的建成区不断扩大，人口 在本文的研究中，ＩＳＡ通过完全约束最小二乘法进 迅速增长。２０１１年末，建成区面积较２０００年增长 行混合像元分解。在Ｒｉｄｄ发展的Ｖ—Ｉ—ｓ模型中地表由 ２１８．５％，四城区总人口较２０００年增长４１．７％。１０年来 不透水面、植被和土壤三类组成，然后通过ＬＳＭＭ法结 大量人工建筑的出现导致城市下垫面的持续变化，热 合Ｒｉｄｄ的Ｖ—Ｉ—ｓ模型估算每个像元的不透水面和植被 岛效应显著，因此对于研究城市的热岛效应具有一定 覆盖度。前提假设是每个混合像元的反射率是三种主 的代表性。 分反射率之和如下式所示： Ｒ 一Ｃ＋ ｎ （４） ２数据源 其中 是第ｉ个像元的反射值，令Ｃ 为端元ｋ在 是像元ｉ中端元ｋ所占的百分 本文研究采用ＴＭ／ＥＴＭ＋影像数据，本文采用ＴＭ５ 波段Ａ上的反射值。影像数据，成像时间为２００９年８月３１日，轨道号为１２９／ 比。ｓ 是第ｉ个像元在波段Ａ对应的残差。ｎ为端元 ０４０。通过最近邻体法重采样，再将图像的ＤＮ值转换 总数。为各波段的星上反射率。 ３研究区地表温度提取 ３．１地表温度反演 利用遥感影像热红外波段反演温度，需要经过两 个步骤，首先进行辐射定标，将像素灰度值（ｄｉｇｉｔａｌ ｎｕｍｂｅｒ）转换为热辐射强度值，然后再把热辐射强度值 转换为辐射亮温。 对于Ｌａｎｄｓａｔ７ ＥＴＭ＋热红外波段辐射定标，采用下 式： 图１端元提取图及均方根误差图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｉｇｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｏｏｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ ｅｒｒｏｒ 通过地表参数的提取，研究区ＲＭＳ最大值为 ０．０６２７，最小值为０，平均值为０．００２５３７。结果显示不透 水面的均方根误差为０．０７６，植被的均方根误差为 ０．０８２。 Ｌ＾＝ｇａｉｎｌＤＮ＋ｂｉａｓ （１） 式中，￡ 为辐射强度值，单位为Ｗ・ｍ～・ｓ～・ ｍ ； ４地表参数反演结果及分析 ４．１地表温度反演 ＤＮ为影像的灰度值；ｇａｉｎ和ｂｉａｓ分别为增益和偏移，在 影像头文件中获取。