城市水体空间分布与地表温度之间的关系研究

龚　珍，胡友健，黎　华

(1. 中国地质大学，湖北 武汉 430079； 2. 武汉理工大学，湖北 武汉 430079)

Quantitative Analysis of the Relationship between the Spatial Distribution

of Water and Surface Temperature

GONG Zhen，HU Youjian，LI Hua



城市水体空间分布与地表温度之间的关系研究

龚珍1,2，胡友健2，黎华2

(1. 中国地质大学，湖北 武汉 430079； 2. 武汉理工大学，湖北 武汉 430079)

Quantitative Analysis of the Relationship between the Spatial Distribution

of Water and Surface Temperature

GONG Zhen，HU Youjian，LI Hua

摘要：城市热岛效应影响着城市的气候变化和居民的生活环境，是目前快速城市化进程中最具代表性的区域生态环境问题之一。本文以“百湖之市”武汉为例，采用HJ-1B卫星的遥感影像，提取了城市地表温度，利用景观生态学方法分析了城市水体的空间分布。研究结果表明：地表平均温度受到研究区域内水体面积比重的影响，地表温度的标准差受到水体面积比重和水体离散度的影响。

关键词：城市温度；水体面积比；温度标准差；水体离散度

一、引言

随着全球城市建设的高速发展，城市热岛效应也变得越来越明显。城市热岛效应不仅给城市的生态环境带来了严重的影响，而且也影响着城市居民的生活环境。如何合理规划城市布局，减缓城市热岛效应，已经成为国内外研究的热点。

植被是城市生态系统的组要组成部分，植被指数很早就被用于城市热岛效应的研究[1]。1993年，Gallo等首次指出了植被指数与城市气温之间存在明显的线性关系[2]。随后，NDVI指数被广泛应用于地表温度与城市热岛的研究中[3]。徐涵秋的研究表明，城市水体对城市地表有降温作用[4]。

由于城市中水体的形状、大小、面积不一样，因此缓解热岛效应的效果也不同。研究城市不同水体对缓解城市热岛效应的作用，改变城市局部生态环境具有重要意义[5]。但目前，从区域角度研究水体对于城市热岛效应的研究还非常缺乏。本文以“百湖之市”武汉为例，采用HJ-1B卫星的遥感影像，提取城市地表温度，引入间隙度维数描述城市水体的空间分布，为缓解城市热岛效应、优化人居环境、合理进行城市规划提供了科学依据。

二、研究区域与研究方法

1. 研究区域概况

武汉市(113.41°E—115.05°E，29.58°N—31.22°N)属于亚热带湿润气候，7月进入盛夏，最高气温达到37℃~39℃。近年来，武汉市植被覆盖度虽不断增加，但城市面积快速扩张，高密度的人口增加，导致了武汉市热岛效应仍然突出。

2. 数据来源及预处理

本文采用的遥感影像是环境与灾害监测B星(HJ-1B)的2级产品，采集时间为2011年7月9日2：52，当日温度为25℃~34℃。影像已进行了初步的辐射校正和几何校正处理，利用武汉市矢量图截取了研究区域，采用ENVI自带的FLaash大气校正模型对多光谱影像进行了大气校正。

3. 地表温度反演

相对于传统的定点观测，遥感监测能够获得空间上连续的热环境状况。本文采用单窗算法反演地表温度。首先将HJ-1B影像的DN值转化为辐射值，公式为

Lλ=DN-b/g

(1)

式中，Lλ为下垫面的辐射值；DN为HJ-1B卫星IRS-4波段的灰度值；g为绝对定标系数增益；b为偏移量。

通过下式将L转化为辐射亮温

TB=K2/[ln(K1/Lλ+1)]

(2)

式中，K1和K2为常数，其值分别为607.766 W·m-2·sr-1·um-1和1 260.56 K。

TS=TB/1+(λ×TB/C)lnε

(3)

式中，TS为地表温度；TB为亮度温度；λ为有效中心波长；C为常数(C=hc/σ，h为普朗克常数，c为光速，σ为波尔兹曼常数)，值为1.438 768 69×10-2m·K；ε为地表比辐射率。

对比辐射率ε的估算，为简便起见，采用NDVI阈值法[6-8]，最终得到武汉市的地标温度如图1所示。

图1　武汉市地表温度

4. 水体提取

本文利用LBV[9]变换对HJ-1B卫星的多光谱影像进行了处理，利用B波段能监测水体和地表层的潮湿程度，并能区分云、雪和冰的特性，采用阈值法[10]提取了研究区域的水体，如图2所示。

图2　武汉市水体空间分布

三、研究方法与结果

1. 水体和温度参数提取

本文选取武汉市的矢量重心为圆心，以半径步长2 km来建立圆形缓冲区，以南北、东西方向为中心轴，建立半径为2的缓冲区，并对缓冲区中的同心圆中的温度平均值、温度方差、水体的总面积比重、水体的平均面积、水体的离散度进行了提取，其中水体的离散度按照景观格局的定义进行计算[11-12]，如图3所示。

图3　温度和水体提取方法

2. 地表温度与水体空间格局的定量研究

将得到的水平和垂直方向的温度和水体数据共20组用SPSS软件进行Pearson相关性分析，结果见表1。

表1　相关性

注：*表示在0.05水平(双侧)上显著相关；**表示在0.01水平(双侧)上显著相关。

由表1可以看出，地表平均温度与水体的面积比重具有显著的相关性，地表温度的方差与水体的离散度、水体的总面积比重具有显著相关性。

3. 地表温度与水体空间格局的多因子回归分析

为了进一步弄清水体空间格局与对地表温度的影响，本文将水平方向和垂直方向的水体数据放在一起，利用SPSS进行了多元数据回归分析，结果见表2—表4。

表2　模型汇总

注：a为预测变量；常量为水体面积比重、水体离散度、水体平均面积。

表3　Anovab

注：变量为水体比重、水体离散度、水体平均面积；因变量为温度方差。

表4　系数a

注：因变量为标准方差。

得到的公式如下

T=302.612-0.044PLAND

(4)

ΔT=1.209+0.005PLANJ+0.005PLAND

(5)

式中，PLADJ表示水体的离散度；PLAND表示水体的面积比重。由公式可以看出，地表平均温度受到研究区域内的水体面积比重的影响，地表温度的标准差受到水体面积比重和水体离散度的影响。

四、结束语

本文以HJ-1B遥感数据为基础，利用GIS空间分析方法和景观分析方法，以“百湖之市”武汉为例，重点研究了城市水体对地表温度的影响，发现地表平均温度受到研究区域内的水体面积比重的影响，地表温度的标准差受到水体面积比重和水体离散度的影响。

在城市规划中，通过建设不同的水体，可以有效地降低城市的热环境效应，但是如何合理地布局水体的空间结果，使其生态效应最大化是值得进一步研究的课题[13]。本文为解决这一问题提供了一定的参考依据。

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作者简介：龚珍(1981—)，女，博士生，研究方向为城市变化遥感监测。E-mail：doudouzhen@126.com

基金项目：十二五国家科技支撑计划(2012BAJ11B00)；国家自然科学基金青年基金(41301588)；中国博士后科学基金(2013M531749)

收稿日期：2014-12-08； 修回日期： 2015-11-03

中图分类号：P237

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2015)12-0034-03

引文格式： 龚珍，胡友健，黎华. 城市水体空间分布与地表温度之间的关系研究[J].测绘通报，2015(12)：34-36.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.372