基于MODIS数据的青岛市城市热岛效应非一致性分析

于 臻，许君一，刘佳传

（1.山东科技大学，山东 青岛 266000； 2.海岛（礁）测绘技术国家测绘局重点实验室,山东 青岛266000）

基于MODIS数据的青岛市城市热岛效应非一致性分析

于 臻1,2，许君一1,2，刘佳传1

（1.山东科技大学，山东 青岛 266000； 2.海岛（礁）测绘技术国家测绘局重点实验室,山东 青岛266000）

利用2011年各月的MODIS数据,反演得到青岛地区地表温度数据和植被覆盖数据，对其地表温度与植被覆盖的分布状况及相互关系进行定量研究。实验表明，青岛市存在热岛效应，且热岛效应夏秋季节在市区表现较为明显，在夏秋季节内地表温度与植被覆盖之间呈现显著的负相关关系。此外，还对比了青岛市与上海市的城市热岛效应的不同，对青岛市热岛效应非一致性作出进一步分析。

城市热岛；MODIS；地表温度；植被覆盖

持续的高温或低温、剧烈的温度波动、巨大的地区温度差异等热效应是改变地球环境的重要推动力。这类热现象的共同特点是时间与空间上的热分布的非均匀性和热运动的非平稳性。这类热现象本质上是由热分布和热运动的复杂因素引起的。Jones[1]等的研究表明，城市的热效应随着地理位置、气候环境、地质构造、城市规模及产业结构等的不同而不同。Peng[2]等通过多城市的气候、热效应等的对比指出，城市之间的热效应在时间和空间上有明显的特征差异。本文把城市之间的热效应差异问题统称为热效应的时空非一致性问题。Weng[3]等分析了不同的环境因素与热岛效应之间的关系，进而预测热岛效应的发展趋势，以期寻找解决热岛效应的有效途径。

本文只针对城市环境下的城市热岛效应非一致性问题进行探讨。本文采用MODIS数据，利用劈窗算法反演地表温度，并对青岛城市热岛的空间分布及季节特征进行分析研究，定量地分析了青岛市LST与NDVI的相互关系，结合薛丹所做的上海市LST与NDVI的相互关系进行对比分析，对造成青岛城市热岛效应非一致性原因作出具体分析。

1 研究区域数据选择和方法

青岛位于北纬35°35'～37°09'，东经119°30'～121°00'，总面积约为10 654 km2，其位于北温带季风区，又受海洋调节，气候具有明显的海洋性。夏季平均气温24 ℃，冬季平均气温0 ℃以上，年平均降雨量662 mm，冬暖夏凉，四季分明。

1.1 所用资料

本文所采用的地表温度（LST）数据是由美国航天局NASA提供的1 km空间分辨率、8 d合成的MOD11A2产品。归一化植被指数（NDVI）采用的是NASA提供的1 km空间分辨率、16 d合成的MOD13A1产品。采用青岛市2011年1月、4月、7月、12月的数据代表春夏秋冬四季的特征。数据下载完毕后两种产品均通过NASA自己开发的处理MODIS产品软件MRT进行重投影，统一转化为Albers投影。

1.2 LST与NDVI的计算

运用分裂窗算法采用MODIS数据反演LST的公式如下[4]：

式中，ε和Δ ε分别为MODIS 第31通道和第32通道的地表比辐射率的平均值和差值；T31和T32分别为这2个通道的亮度温度；C，Ai和Bi为系数，i=1, 2, 3，系数值可通过查多维查询表获得：

式中，ρn和ρr分别代表了近红外波段和红光波段的反射率。

2 数据处理

2.1 青岛市MODIS 11数据处理

对MODIS 11数据进行图像预处理，通过ENVI波段运算，将地表温度转换为实际地表温度值，整理所得数据，去除有异常值和表面缺失数据，得到2011年1月、4月、7月、10月4个月的温度值，选取各月最高、最低温度，并同时计算各月平均温度，进行温差计算。所得数据如表1所示。

表1 2011年各月地表温度表

图1 地表温度图

图2 NDVI图

由图可得，2011年夏秋季节热岛效应明显，热岛主要分布在青岛市内市北区和李沧区以及城阳中部地区，呈环状分布，其温度明显高于当月平均温度。这些区域人口密度大，工业经济发达，其温度明显高于其他地方，形成城市热岛。而东部崂山地区由于植被覆盖比较高，因此温度相对较低。这也说明了下垫面的植被覆盖对地表温度有一定影响。

从地表温度分布来看，青岛沿海地区春夏季节受海洋气候调节，沿海温度明显低于内陆，东部崂山地区由于是山地迎风坡，暖湿气流对气候调节起了一定作用，因此春夏季节温差大于秋冬季节。

2.2 MOD13数据处理

MOD13数据通过图像预处理进行波段运算可以得到图2。

研究表明[5]，植被覆盖的分布与降水量有密切关系。冬季降水量少，NDVI低，夏季降水量多，NDVI高。2011年夏秋季，NDVI指数在青岛南部和东部绿色区域可以达到0．6～0．8以上，此季节正值青岛雨季，降水较多，植被长势比较好，东部崂山地区尤为明显，而与此相对应的LST温度相对较低。但是在青岛市内城区，NDVI指数分布在0．2～0．4左右，LST温度相对较高，造成这种现象的原因与城市中心建设发展导致植被覆盖降低有很大关系。2011年冬春季节正值青岛旱季，降水较少，植被覆盖率较低，大部分地区的NDVI指数保持在0．2～0．3内，而中部和东部崂山地区在0．4以上。

2.3 LST与NDVI的关系

由前述分析可以看出，青岛市的植被覆盖度对地表温度有一定的影响。为了定量描述青岛市NDVI对LST的影响，对2011年1月、4月、7月、10月的NDVI与LST关系进行定量分析。在前述反演LST和NDVI遥感信息的基础上，选取整个青岛地区作为对应的样本点，利用ENVI对其进行读值统计，用MATLAB制出LST-NDVI散点系列图（如图3），并建立相应的统计回归方程和拟合系数，如表2所示。

表2 2011年各月回归方程及相关系数统计

由图可以看出，青岛市LST和NDVI呈现显著负相关关系，与文献[4,6-8]结论一致，而在其置信区间95%以内，表2建立了LST与NDVI的线性函数关系。由表可见，在夏秋季节LST和NDVI的负相关系数数值都比较高（R2＞0．65），说明LST与NDVI具有较好的线性关系。随着NDVI的增加，LST随之降低。而冬春季节负相关系数相对较低（R2＜0．65），说明LST的增加不仅仅受NDVI这一个因素的影响，单从植被覆盖面积这个因素来分析影响热岛效应是不够的。

2.4 青岛市LST与NDVI非一致性分析

图3 LST-NDVI散点图

在众多对LST与NDVI关系的研究中，薛丹[9]等分析了上海市热岛效应的四季变化，并且给出了2011年1月、4月、7月、10月的NDVI与LST的回归方程。本文结合上海市数据与青岛市城市热到效应作对比分析，结论如图4所示。

3 结 语

本文对青岛市城市热岛空间分布状况、季节变化情况以及影响城市热岛的因素进行分析探讨，并对地表温度与植被覆盖的相关关系作定量分析。可以看出，青岛城市热岛范围与市区范围大致相同，且夏秋季节热岛效应强烈。而地表温度与植被覆盖呈负相关关系，说明增加植被覆盖，扩大城市绿化，改善城市下垫面的类型，合理布局，可以起到对热岛效应的有效缓解。由于条件所限，关于青岛热岛效应的年际变化规律，如何进一步提高地表温度的反演精度，以及造成热岛效应的人为因素等问题，还需在日后进一步探索。

图4 青岛市与上海市非一致性原因对比分析

[1] Jones P D, Lister D H, Li Q． Urbanization Effects in large-scale Temperature Records, with an Emphasis on China[J]． Journal of Geophysical Research,2008,113:D16122

[2] Peng S, Piao S, Ciais P, et al． Surface Urban Heat Island Across 419 Global Big Cities[J]．Environmental Science & Technology,2012(46):696-703

[3] Weng Qihao,Lu Dengsheng,Schubring J．Estimation of Land Surface Temperature-Vegetation Abundance Relationship for Urban Heat Island Studies[J]． Remote Sensing of Environment, 2004(89):467-483

[4] 王艳姣,张培群,董文杰,等．基于MODIS数据的重庆市地表热环境效应研究[J]．环境科学研究，2008,21(3):98-103

[5] Lo C P, Quattrochi D A, Luvall J C． Application of High-Resolutionthermal Infrared Remote Sensing and GIS to Assess the Urban Heatisland Effect[J]． International Journal of Remote Sensing, 1997(18):287-303

[6] Gallo K P, McNabal, Karl T R, et al． The Use of Vegetation Index for Assessment of the Urban Heat IslandEffect[J]．International Journal of Remote Sensing,1993(14):2 223-2 230

[7] Nichol J E． High Resolution Surface TemperaturePatterns Related to Urban Morphology in a TropicalCity: a Satellite-Based Study [J]．Journal of Applied Meteorology, 1996(35):135-146

[8] 郭红,龚文峰,李雁,等．哈尔滨市热岛效应与植被关系——基于RS和GIS的定量研究[J]．自然灾害学报，2007,16(2):22-26

[9] 薛丹,李成范,雷鸣,等．基于 MODIS 数据的上海市热岛效应的遥感研究[J]．测绘与空间地理信息，2013,36(4):1-3

P237.9

B

1672-4623（2015）02-0114-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.041

于臻，硕士，主要研究方向为遥感科学技术与应用。

2014-08-04。

项目来源：现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室开放课题资助项目(20111204W)。