CN104406698A - 一种城市热岛空间分布的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种城市热岛空间分布的评价方法，利用遥感卫星获取待评价区域的热红外图像；制作城区亮温等级分布图和城区温度等级分布图；城区亮温等级分布图：通过所接收的待评价区域各处的热辐射值计算出对应的地面亮温，对地面亮温进行正规化处理；将正规化处理后的地面亮温按从低到高划分为N个等级，制成城区亮温等级分布图；城区温度等级分布图同理；分别计算城区亮温等级分布图和城区温度等级分布图的间隙度，间隙度越大，说明热岛的聚集度越高，反之则说明热岛聚集度越低。本发明能够有效的评估不同影像热岛空间分布的差异性，为城市热岛的研究提供了新的思路。

Description

一种城市热岛空间分布的评价方法

技术领域

本发明属于环境领域，具体涉及一种城市热岛空间分布的评价方法。

背景技术

随着全球城市化的进程加快，城市热岛问题变得越来越突出。由于传统的地面观测方式很难全面掌握城市地面热岛的空间分布情况，因此，利用遥感影像来研究城市热岛效应已成为主流方式。

为了研究城市热岛的发展变化，需要将不同时期的遥感影像的热红外波段加以比较。常规的做法是获取研究区域的热红外影像，根据地表地物的比辐射率来反演地表温度。由于地表地物的比辐射率随季节变化而变化，如何合理的确定地表地物的比辐射率是正确反演地表温度的关键。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种城市热岛空间分布的评价方法，能够有效的评估不同影像热岛空间分布的差异性，为城市热岛的研究提供了新的思路。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种城市热岛空间分布的评价方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、利用遥感卫星获取待评价区域的热红外图像；

S2、制作城区亮温等级分布图和城区温度等级分布图：

城区亮温等级分布图：通过所接收的待评价区域各处的热辐射值计算出对应的地面辐射温度，即地面亮温，对地面亮温进行正规化处理，将地面亮温分布统一到0～1之间；参考植被覆盖度分级体系和亮温等级体系，将正规化处理后的地面亮温按从低到高划分为N个等级，其中最高等级的地面亮温所对应的区域定义为热岛，制成城区亮温等级分布图；

城区温度等级分布图：对S1获得的热红外图像采用单窗算法进行地面温度反演，得到地面温度，对地面温度进行正规化处理，将地面温度分布统一到0～1之间；将正规化处理后的地面温度按从低到高划分为N个等级，其中最高等级的地面温度所对应的区域定义为热岛，制成城区温度等级分布图；

S3、热岛空间分布的评价：

分别计算城区亮温等级分布图和城区温度等级分布图的间隙度，间隙度越大，说明热岛的聚集度越高，反之则说明热岛聚集度越低。

按上述方案，所述的城区亮温等级分布图利用ENVI软件制成。

按上述方案，所述的单窗算法为NDVI(normalized difference vegetation index)阀值法。

按上述方案，所述的N个等级为0～25％、25％～50％、50％～75％、75％～100％4个等级。

按上述方案，所述的S1利用HJ-1B卫星在IRS-4波段获取待评价区域的热红外图像。

本发明的有益效果为：采用遥感卫星提供的热红外图像，采用单窗算法提取了地表温度，通过对温度和亮温进行正规化处理，采用多重分形理论建立了温度剖面图，利用间隙度的概念对城区热岛空间分布进行了定量比较，并将这种评价应用到亮温影像和温度影像中，为城区热岛效应的定量评价提供了新的参考依据。

附图说明

图1为本发明一实施例的城区亮温等级分布图。

图2为本发明一实施例的城区温度等级分布图。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明做进一步说明。

本实施例提供一种城市热岛空间分布的评价方法，包括以下步骤：

S1、利用遥感卫星获取待评价区域的热红外图像(本实施例选用HJ-1B卫星在IRS-4波段获取)；

S2、制作城区亮温等级分布图和城区温度等级分布图：

城区亮温等级分布图：通过所接收的待评价区域各处的热辐射值计算出对应的地面辐射温度，即地面亮温，对地面亮温进行正规化处理，将地面亮温分布统一到0～1之间；参考植被覆盖度分级体系和亮温等级体系，将正规化处理后的地面亮温按从低到高划分为N个等级(0～25％、25％～50％、50％～75％、75％～100％4个等级，分别代表低温、中温、次高温、高温)，其中最高等级的地面亮温所对应的区域定义为热岛，利用ENVI软件制成城区亮温等级分布图；

城区温度等级分布图：对S1获得的热红外图像采用单窗算法(对比辐射率的估算，采用NDVI(normalized difference vegetation index)阀值法)进行地面温度反演，得到地面温度，对地面温度进行正规化处理，将地面温度分布统一到0～1之间；将正规化处理后的地面温度按从低到高划分为N个等级，其中最高等级的地面温度所对应的区域定义为热岛，制成城区温度等级分布图；

S3、热岛空间分布的评价：

分别计算城区亮温等级分布图和城区温度等级分布图的间隙度，间隙度越大，说明热岛的聚集度越高，反之则说明热岛聚集度越低。

本发明的工作原理为：

1、通过IRS-4波段所接收的地面各处的热辐射值就可以算出对应的地面亮温。由于城市热岛关注的是温度相对强弱的空间分布特点，且城市辐射温度与低空气温呈显著线性关系，因此，可以用地面辐射温度(即地面亮温)来研究城市热岛。

由于城市热岛侧重研究的是温度强弱的空间分布特征，而季节改变的只是亮温的强度，不改变亮温的空间分布。因此，我们对地面亮温进行了正规化处理，将各自的亮温分布统一到0～1之间。正规化的公式如下：

$N_i=\frac{T_i-T_{\min }}{T_{\max }-T_{\min }}---\left(1\right),$

其中，N_i表示第i个像元正规化后的值；T_i为第i个像元的绝对亮温值；T_max为地面绝对亮温的最大值；T_min为地面绝对亮温的最小值。

2、间隙度被广泛地应用于景观质地分析和景观的分形研究中，由于其能衡量不同类型景观在空间上的聚集程度。因此，它可以揭示城区不同时期热岛在时空尺度上的变化，为城区热岛时空变化提供量化数据。

Mandelbrot于1983年在《自然界分形几何》一书中最早提出了间隙度概念。Plotnick在1993年将其引入到景观生态学研究中。该方法建立在格子图的基础上，不要求系统平稳假设，不受边界影响。一般的计算方法是：将采样网格大小记作R；不断移动采样网格模板，统计出不同高温区所占模板的像元的数量S；计算S在整个研究区域中的概率分布Q(S,R)；计算S的一阶原点矩Z(1)和二阶原点矩Z(2)，公式如下：

$Z\left(1\right)=\underset{S=0}{\overset{R^2}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{SQ}(S,R)---\left(2\right),$

$Z\left(2\right)=\underset{S=0}{\overset{R^2}{\mathrm{\Σ}}}{S}^{2}Q(S,R)---\left(3\right),$

Mandelbrot将间隙度∧(R)：定义为：

$^\left(R\right)=\frac{Z\left(2\right)}{{\left(Z\left(1\right)\right)}^2}---\left(4\right).$

上述表达式表明：间隙度是一个绝对值，它的大小受到网格尺度的影响，会产生尺度效应。也就是说，对相同的研究对象，采用不同的采样网格尺度来计算，可以得到一组随网格尺度变化的间隙度。这种“可塑性面积单元”对研究对象的聚集性解释是很不利的。

武汉市素有“三大火炉”之称，其热岛效应十分显著，因此，本发明以对武汉市为例，对武汉城市热岛的空间分布和变化进行研究。为了研究不同时期的武汉市热岛的空间分布特征，本发明选取HJ-1B卫星的热红外影像，采用间隙度对同一季节不同影像的热岛效应进行了空间评价。

利用本发明方法，获得武汉市城区亮温等级分布图如图1所示，武汉市城区温度等级分布图如图2所示。

实验过程中，我们将热高温区看作是武汉市的热岛，采用间隙度评价其在空间分布上的特点。为了深入比较亮温和温度所产生的热岛效应的区别，本研究采用间隙度进行了空间分布评价。本研究采用3*3的滑动窗口对武汉市城区亮温等级分布图和城区温度等级分布图进行处理。结果如表所示。

	城区亮温等级分布图	城区温度等级分布图
			间隙度	306.5110	256.3629

间隙度越大，说明武汉市的热岛的聚集度越高，反之则说明武汉市的热岛聚集度越低。也就是说，地面温度图代表的热岛较亮温图代表的热岛更为分散。

由于目前的热岛效应大都集中在夏季，对于其它季节的热岛效应考虑的比较少，这其中受到地物比辐射率的影像和地表温度反演的限制，因此，本发明提供了一种基于亮温影像的城市热岛空间分布分析方法，可以有效解决不同季节城市热岛分布的变化情况。除此之外，本研究对城市热岛的空间分布提供了一种新的评价方法，可以有效的评估不同影像热岛空间分布的差异性，为城市热岛的研究提供了新的思路。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

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[13]邓祥征,战金艳.中国北方农牧交错带土地利用变化驱动力的尺度效应分析[J].地理与地理信息科学,2004,20(3):63-68.

Claims (5)

1.一种城市热岛空间分布的评价方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、利用遥感卫星获取待评价区域的热红外图像；

S2、制作城区亮温等级分布图和城区温度等级分布图：

城区亮温等级分布图：通过所接收的待评价区域各处的热辐射值计算出对应的地面辐射温度，即地面亮温，对地面亮温进行正规化处理，将地面亮温分布统一到0～1之间；参考植被覆盖度分级体系和亮温等级体系，将正规化处理后的地面亮温按从低到高划分为N个等级，其中最高等级的地面亮温所对应的区域定义为热岛，制成城区亮温等级分布图；

城区温度等级分布图：对S1获得的热红外图像采用单窗算法进行地面温度反演，得到地面温度，对地面温度进行正规化处理，将地面温度分布统一到0～1之间；将正规化处理后的地面温度按从低到高划分为N个等级，其中最高等级的地面温度所对应的区域定义为热岛，制成城区温度等级分布图；

S3、热岛空间分布的评价：

分别计算城区亮温等级分布图和城区温度等级分布图的间隙度，间隙度越大，说明热岛的聚集度越高，反之则说明热岛聚集度越低。

2.根据权利要求1所述的一种城市热岛空间分布的评价方法，其特征在于：所述的城区亮温等级分布图利用ENVI软件制成。

3.根据权利要求1所述的一种城市热岛空间分布的评价方法，其特征在于：所述的单窗算法为NDVI(normalized difference vegetation index)阀值法。

4.根据权利要求1所述的一种城市热岛空间分布的评价方法，其特征在于：所述的N个等级为0～25％、25％～50％、50％～75％、75％～100％4个等级。

5.根据权利要求1所述的一种城市热岛空间分布的评价方法，其特征在于：所述的S1利用HJ-1B卫星在IRS-4波段获取待评价区域的热红外图像。