基于ETM+遥感数据的城市热岛效应现状研究的解决方案

1.引言

    城市热岛效应（Urban Heat Island Effect）是指城市中的气温明显高于外围郊区的现象。在近地面温度图上，郊区气温变化很小，而城区则是一个高温区，就像突出海面的岛屿，由于这种岛屿代表高温的城市区域，所以就被形象地称为城市热岛。由于城市热岛效应，城市与郊区形成了一个昼夜相反的热力环流。 随着城市化进程的加快，我国城市热岛效应越来越明显，已成为影像城市可持续发展的八大环境问题之一。

    目前已有许多围绕城市热岛的研究，并随着 RS 和 GIS 手段的进步，学者们开始通过 RS 及 GIS软件分析出城市热力环境状况信息，调查城市热岛效应。至今遥感用于城市热到效应研究已有近 40年的历史。

    本方案以香港九龙及港岛部分地区为例，运用 RS 和 GIS 技术，利用 ETM+影像，分析香港九龙及港岛地区热岛效应的分布及其与相应下垫面类型的对比关系，针对改善城市夏季酷暑环境及未来城市发展提出建议，并展望了城市热岛效应的研究方向。

图 1 城市热岛效应现状及评价技术路线

2.数据准备及预处理

    DEM 数据，以及 ETM+两期影像，分别为 1999 年和 2003 年，对影像进行几何精校正。

3.研究方法

    3.1 地表温度计算

    根据史蒂芬-波尔茨曼定律,  地物的辐射强度与温度的 4 次方成正比， 所以地物温度的微小差异就会引起热红外辐射的明显变化。热红外波段(8-14μm)  是研究地表热辐射特性的一般窗口,  该波段内太阳辐射能量很小， 地物反射的太阳能量可忽略不记， 故遥感在热红外波段内所响应的主要是地物本身的热辐射。本方案利用 ETM+热红外亮温计算公式将第六波段影像灰度值转换成像元亮温值。

    由于大气辐射和地表热特性的影响，卫星高度的亮温与实际地表温度有较大差距。因此对于要求精度较高的地面热量空间分析，需要进行精确的地温反演。本方案采用单通道算法计算地表温度。

    3.1.1 像元灰度值转换为辐射亮度

    首先将像元灰度值转换为大气上界传感器的辐射亮度，计算公式如下：

L = 0.0370588 × DN + 3.2

    其中 L 为辐射亮度（W·m^-2·sr-1·μm^-1），DN 为像元灰度值。

    3.1.2 辐射亮度转换为亮温值

    再利用 ETM+的热红外亮温模式计算出像元的亮温值，公式如下：

    其中 K1=666.09（W·m^-2·sr^-1·μm^-1），  K2=1282.71（K）。

    3.1.3 比辐射率反演

    由于研究区域有大量水体，因此本方案采用 1996 年 Valor 提出的使用 NDVI 计算植被覆盖率，从而推出比辐射率的计算方法。

    3.1.4 地表温度反演

    式中，λ为波段 6 的中心波长 11.5μm；ρ= h·c/σ= 1.438·10^-2mK  （其中σ为斯特潘-波尔茨曼常数，h 为普朗克常数，c 为光速）；ε为比辐射率。

    3.2  土地利用类型分类

    遥感解译的 LUCC 数据为以遥感图像计算机屏幕人机交互直接判读为核心的全国土地利用遥感制图技术方案，同时采用基于遥感监测的土地利用/土地覆被分类系统，从而保证了遥感人工解译的精度。

    3.3  回归分析

    通过遥感影像不同波段计算出 NDVI，MNDWI 和 NDBI 等指数，并分别与地表温度进行回归分析。

4.模拟结果与分析

    基于以上分析，得到香港九龙及港岛地区城市热岛现状的结果并对结果进行分析。主要分析如下：

    （1）  研究区热岛效应的空间分布状况（图 2）

    （2）  研究区热岛效应与下垫面性质的关系

    （3）  研究区热岛效应与各指数之间的关系

    （4）  研究区热岛效应的发展趋势及改善措施

 图 2 香港九龙及港岛地区 2003 年城市热岛状况的空间分布