于 臻，許君一，劉佳傳

（1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266000； 2.海島（礁）測繪技術(shù)國家測繪局重點實驗室,山東 青島266000）

基于MODIS數(shù)據(jù)的青島市城市熱島效應(yīng)非一致性分析

于 臻1,2，許君一1,2，劉佳傳1

（1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266000； 2.海島（礁）測繪技術(shù)國家測繪局重點實驗室,山東 青島266000）

利用2011年各月的MODIS數(shù)據(jù),反演得到青島地區(qū)地表溫度數(shù)據(jù)和植被覆蓋數(shù)據(jù)，對其地表溫度與植被覆蓋的分布狀況及相互關(guān)系進(jìn)行定量研究。實驗表明，青島市存在熱島效應(yīng)，且熱島效應(yīng)夏秋季節(jié)在市區(qū)表現(xiàn)較為明顯，在夏秋季節(jié)內(nèi)地表溫度與植被覆蓋之間呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外，還對比了青島市與上海市的城市熱島效應(yīng)的不同，對青島市熱島效應(yīng)非一致性作出進(jìn)一步分析。

城市熱島；MODIS；地表溫度；植被覆蓋

持續(xù)的高溫或低溫、劇烈的溫度波動、巨大的地區(qū)溫度差異等熱效應(yīng)是改變地球環(huán)境的重要推動力。這類熱現(xiàn)象的共同特點是時間與空間上的熱分布的非均勻性和熱運動的非平穩(wěn)性。這類熱現(xiàn)象本質(zhì)上是由熱分布和熱運動的復(fù)雜因素引起的。Jones[1]等的研究表明，城市的熱效應(yīng)隨著地理位置、氣候環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造、城市規(guī)模及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等的不同而不同。Peng[2]等通過多城市的氣候、熱效應(yīng)等的對比指出，城市之間的熱效應(yīng)在時間和空間上有明顯的特征差異。本文把城市之間的熱效應(yīng)差異問題統(tǒng)稱為熱效應(yīng)的時空非一致性問題。Weng[3]等分析了不同的環(huán)境因素與熱島效應(yīng)之間的關(guān)系，進(jìn)而預(yù)測熱島效應(yīng)的發(fā)展趨勢，以期尋找解決熱島效應(yīng)的有效途徑。

本文只針對城市環(huán)境下的城市熱島效應(yīng)非一致性問題進(jìn)行探討。本文采用MODIS數(shù)據(jù)，利用劈窗算法反演地表溫度，并對青島城市熱島的空間分布及季節(jié)特征進(jìn)行分析研究，定量地分析了青島市LST與NDVI的相互關(guān)系，結(jié)合薛丹所做的上海市LST與NDVI的相互關(guān)系進(jìn)行對比分析，對造成青島城市熱島效應(yīng)非一致性原因作出具體分析。

1 研究區(qū)域數(shù)據(jù)選擇和方法

青島位于北緯35°35'～37°09'，東經(jīng)119°30'～121°00'，總面積約為10 654 km2，其位于北溫帶季風(fēng)區(qū)，又受海洋調(diào)節(jié)，氣候具有明顯的海洋性。夏季平均氣溫24 ℃，冬季平均氣溫0 ℃以上，年平均降雨量662 mm，冬暖夏涼，四季分明。

1.1 所用資料

本文所采用的地表溫度（LST）數(shù)據(jù)是由美國航天局NASA提供的1 km空間分辨率、8 d合成的MOD11A2產(chǎn)品。歸一化植被指數(shù)（NDVI）采用的是NASA提供的1 km空間分辨率、16 d合成的MOD13A1產(chǎn)品。采用青島市2011年1月、4月、7月、12月的數(shù)據(jù)代表春夏秋冬四季的特征。數(shù)據(jù)下載完畢后兩種產(chǎn)品均通過NASA自己開發(fā)的處理MODIS產(chǎn)品軟件MRT進(jìn)行重投影，統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為Albers投影。

1.2 LST與NDVI的計算

運用分裂窗算法采用MODIS數(shù)據(jù)反演LST的公式如下[4]：

式中，ε和Δ ε分別為MODIS 第31通道和第32通道的地表比輻射率的平均值和差值；T31和T32分別為這2個通道的亮度溫度；C，Ai和Bi為系數(shù)，i=1, 2, 3，系數(shù)值可通過查多維查詢表獲得：

式中，ρn和ρr分別代表了近紅外波段和紅光波段的反射率。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 青島市MODIS 11數(shù)據(jù)處理

對MODIS 11數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像預(yù)處理，通過ENVI波段運算，將地表溫度轉(zhuǎn)換為實際地表溫度值，整理所得數(shù)據(jù)，去除有異常值和表面缺失數(shù)據(jù)，得到2011年1月、4月、7月、10月4個月的溫度值，選取各月最高、最低溫度，并同時計算各月平均溫度，進(jìn)行溫差計算。所得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 2011年各月地表溫度表

圖1 地表溫度圖

圖2 NDVI圖

由圖可得，2011年夏秋季節(jié)熱島效應(yīng)明顯，熱島主要分布在青島市內(nèi)市北區(qū)和李滄區(qū)以及城陽中部地區(qū)，呈環(huán)狀分布，其溫度明顯高于當(dāng)月平均溫度。這些區(qū)域人口密度大，工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，其溫度明顯高于其他地方，形成城市熱島。而東部嶗山地區(qū)由于植被覆蓋比較高，因此溫度相對較低。這也說明了下墊面的植被覆蓋對地表溫度有一定影響。

從地表溫度分布來看，青島沿海地區(qū)春夏季節(jié)受海洋氣候調(diào)節(jié)，沿海溫度明顯低于內(nèi)陸，東部嶗山地區(qū)由于是山地迎風(fēng)坡，暖濕氣流對氣候調(diào)節(jié)起了一定作用，因此春夏季節(jié)溫差大于秋冬季節(jié)。

2.2 MOD13數(shù)據(jù)處理

MOD13數(shù)據(jù)通過圖像預(yù)處理進(jìn)行波段運算可以得到圖2。

研究表明[5]，植被覆蓋的分布與降水量有密切關(guān)系。冬季降水量少，NDVI低，夏季降水量多，NDVI高。2011年夏秋季，NDVI指數(shù)在青島南部和東部綠色區(qū)域可以達(dá)到0．6～0．8以上，此季節(jié)正值青島雨季，降水較多，植被長勢比較好，東部嶗山地區(qū)尤為明顯，而與此相對應(yīng)的LST溫度相對較低。但是在青島市內(nèi)城區(qū)，NDVI指數(shù)分布在0．2～0．4左右，LST溫度相對較高，造成這種現(xiàn)象的原因與城市中心建設(shè)發(fā)展導(dǎo)致植被覆蓋降低有很大關(guān)系。2011年冬春季節(jié)正值青島旱季，降水較少，植被覆蓋率較低，大部分地區(qū)的NDVI指數(shù)保持在0．2～0．3內(nèi)，而中部和東部嶗山地區(qū)在0．4以上。

2.3 LST與NDVI的關(guān)系

由前述分析可以看出，青島市的植被覆蓋度對地表溫度有一定的影響。為了定量描述青島市NDVI對LST的影響，對2011年1月、4月、7月、10月的NDVI與LST關(guān)系進(jìn)行定量分析。在前述反演LST和NDVI遙感信息的基礎(chǔ)上，選取整個青島地區(qū)作為對應(yīng)的樣本點，利用ENVI對其進(jìn)行讀值統(tǒng)計，用MATLAB制出LST-NDVI散點系列圖（如圖3），并建立相應(yīng)的統(tǒng)計回歸方程和擬合系數(shù)，如表2所示。

表2 2011年各月回歸方程及相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計

由圖可以看出，青島市LST和NDVI呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與文獻(xiàn)[4,6-8]結(jié)論一致，而在其置信區(qū)間95%以內(nèi)，表2建立了LST與NDVI的線性函數(shù)關(guān)系。由表可見，在夏秋季節(jié)LST和NDVI的負(fù)相關(guān)系數(shù)數(shù)值都比較高（R2＞0．65），說明LST與NDVI具有較好的線性關(guān)系。隨著NDVI的增加，LST隨之降低。而冬春季節(jié)負(fù)相關(guān)系數(shù)相對較低（R2＜0．65），說明LST的增加不僅僅受NDVI這一個因素的影響，單從植被覆蓋面積這個因素來分析影響熱島效應(yīng)是不夠的。

2.4 青島市LST與NDVI非一致性分析

圖3 LST-NDVI散點圖

在眾多對LST與NDVI關(guān)系的研究中，薛丹[9]等分析了上海市熱島效應(yīng)的四季變化，并且給出了2011年1月、4月、7月、10月的NDVI與LST的回歸方程。本文結(jié)合上海市數(shù)據(jù)與青島市城市熱到效應(yīng)作對比分析，結(jié)論如圖4所示。

3 結(jié) 語

本文對青島市城市熱島空間分布狀況、季節(jié)變化情況以及影響城市熱島的因素進(jìn)行分析探討，并對地表溫度與植被覆蓋的相關(guān)關(guān)系作定量分析。可以看出，青島城市熱島范圍與市區(qū)范圍大致相同，且夏秋季節(jié)熱島效應(yīng)強(qiáng)烈。而地表溫度與植被覆蓋呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明增加植被覆蓋，擴(kuò)大城市綠化，改善城市下墊面的類型，合理布局，可以起到對熱島效應(yīng)的有效緩解。由于條件所限，關(guān)于青島熱島效應(yīng)的年際變化規(guī)律，如何進(jìn)一步提高地表溫度的反演精度，以及造成熱島效應(yīng)的人為因素等問題，還需在日后進(jìn)一步探索。

圖4 青島市與上海市非一致性原因?qū)Ρ确治?/p>

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P237.9

B

1672-4623（2015）02-0114-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.041

于臻，碩士，主要研究方向為遙感科學(xué)技術(shù)與應(yīng)用。

2014-08-04。

項目來源：現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室開放課題資助項目(20111204W)。