1、本科毕业论文（20 届）基于 LANDSAT 数据的龙岩市新罗区热岛效应研究所在学院专业班级 测绘工程学生姓名指导教师完成日期目录中文摘要 .11 引言 .11.1 研究背景与目的 .11.2 国内外研究现状 .12 研究区概况 .23 地表温度反演算法及数据源介绍 .23.1 地表温度反演算法 .23.2 数据源 .34 数据预处理 .34.1 辐射定标 .44.2 大气校正 .44.3 裁剪与镶嵌 .45 地表温度反演 .45.1 归一化植被指数 .45.2 植被覆盖度 .45.3 地表比辐射率 .45.4 黑体辐射亮度 .55.5 地表真实温度 .56 热岛效应分析 .56.1 地表温度
2、反演结果分析 .56.1.1 研究区多光谱与热红外计算结果 .56.1.2 归一化植被指数计算结果 .66.1.3 植被覆盖度计算结果 .76.1.4 地表比辐射率计算结果 .86.1.5 同温度黑体辐射亮度计算结果 .86.1.6 研究区地表温度反演结果 .96.2 热岛空间分布分析 .106.3 热岛强度与植被覆盖率对比分析 .107 减缓热岛效应的措施 .128 研究过程中存在的不足 .12参考文献 .13英文摘要 .14致谢语 .151中文摘要：基于 LANDSAT 数据的龙岩市新罗区热岛效应研究摘要：随着城市化进程的加快，城市基础建设逐步替代植被，城市热岛问题日益突出，对城市环境、居
3、民健康造成极大危害。本文以福建省龙岩市新罗区为研究区域，使用 2013 年 8 月 11 日和 2014 年 8 月 30 日 Landsat8 影像数据，采用辐射传导方程法（即大气校正法）对研究区进行地表温度反演，并利用热岛强度指数对反演结果进行分析，根据分析结果提出缓解热岛效应的措施。研究结果表明，龙岩市新罗区主城区具有明显的热岛效应，2013 年 8 月 11 日和 2014 年 8 月 30日遥感数据反演得到的空间分布基本趋势一致。且热岛强度与植被覆盖度存在负相关关系。关键词：热岛效应；地表温度反演；大气校正法；Landsat8；热岛强度指数1 引言1.1 研究背景与目的城市热岛效应，
4、是指城市化步伐加快的过程中，城市基础设施逐步替代植被，使得城市温度升高，造成城市气温明显高于周边，形成“小岛屿”的现象。近年来，随着城市规模的逐渐扩大，各式各样的城市基础设施拔地而起，城市内植被逐渐减少，使得热岛效应愈发严重。同时，城市热岛效应引起各地城市生态环境的恶化，从而导致城市居民健康受到威胁。因此，开展对城市热岛效应成因、范围等方面的研究势在必行。本文以龙岩市新罗区为研究区，使用不同时相的 Landsat8 影像数据，采用大气校正法对龙岩市地表温度进行反演，并对反演结果进行热岛强度分析。旨在将热岛分析结果提供给新罗区环境保护及城市建设有关部门作参考，为新罗区城市化发展与热岛效应控制提供
5、帮助。1.2 国内外研究现状随着科学技术的不断进步与气候观测方式的日益现代化，国内外对城市热岛效应的研究不断加深，多种研究方法也被相继推出。以下是国内外城市热岛研究的部分方法：1）对比法。最为普遍使用的方法为通过对气象站提供的城市、郊区观测资料进行对比，进而分析研究热岛变化规律，这也是城市热岛最初的发现和研究 1,2。2）定点观测法。城市气候要素的分布特征研究有两个方向，一是通过对城市与郊区一定气候条件下的单项或多种气候要素的综合特征量进行比较 3，二是对城市中心剖线进行研究 4。城市常用空中科技产品对垂直结果进行研究 5。3）流动观测方法。流动观测法常被用于研究小区域气候，如，董韶伟 6运用
6、流动观测法对重庆市下垫面的热效应进行研究，李国栋 7运用便携式车载气象仪器进行兰州市四季的城市气候流动观测，郭勇 8采用车载气象观测仪器进行北京城区各个城市地表覆盖物对城市局地小气候影像的研究。流动观测法的优点在于可弥补固定观测站数量不足和反演温度精准度不高的缺点，可灵活观测城市不同区域小气候特2征。而其缺点在于，各观测区域观测要素不是同步观测，若要比较，则需要进行修订。再者，受到交通工具和环境的影响较大，存在观测费用较高、通用性差等困难。4）气候模型模拟。常用于进行城市气候的形成机制与变化机理研究。迄今为止应用较为广泛的是边界层模式，其以城市下垫面与空气间的能量交换为基础，较清楚地分析城市气
7、候的形成根源。气候模型模拟优点在于可减少大量现场观测，缺点在于通用性差、现场观测条件不易控制、参数设定具有较大的不确定性等。5）遥感反演。遥感技术观测资料具有监测范围广、时间同步性好、分辨率丰富等优势，迅速发展为城市热岛效应研究方法的主流 9。如孙亚光 10利用 TM 影像研究了青岛的城市热岛，陈颖锋 11利用MODIS 数据对成都市热岛时空变化进行研究，王宏博 12利用 TM/ETM+数据对沈阳市各区进行城市热岛特征的分析。国内外虽进行过许多热岛效应的研究，但研究区域无法覆盖到世界各地。目前未有文献对新罗区的热岛效应进行过分析。针对这一现象，本文收集新罗区数据，采用遥感反演方法对新罗区热岛效
8、应进行研究分析。2 研究区概况新罗区属龙岩市辖区，地处 244702N 至 253522N 、1164029E 至 1172000E 之间。新罗区平均海拔 685 米，四周被海拔 800 米的群山环绕，由于地形较为封闭，在一定程度上增强了城市热岛效应。改革开放 30 年来，新罗区经济快速发展，工业化进程稳步推进，建筑区域代替了大量的植被区域。3 地表温度反演算法及数据源介绍3.1 地表温度反演算法常用的地表温度反演方法有辐射传导方程法、单窗算法和单通道算法。本文采用辐射传导方程法进行龙岩市新罗区的地表温度反演。辐射传导方程法，即大气校正法，其工作原理是预先计算大气对地面热辐射的作用量，随后将该
9、作用量从总热辐射量中去除，继而得到地面的热辐射强度，最后将其转为对应的地表温度 13。反演流程如图 3-1 所示：3图 3-1 基于大气校正法的地表温度反演流程图3.2 数据源传感器工作波段限于红外波段范围之内的遥感，称之为热红外遥感。本文数据来自美国航空航天局（NASA ）的 Lantsat8 卫星。Landsat8 卫星共携带两个传感器，分别是 OLI 陆地成像仪和 TIRS 热红外传感器。Landsat7 共有 8 个波段，各波段辐射分辨率为 8bit。Landsat8 在 Landsat7 的基础上增加气溶胶、卷云和热红外波段，将波段数增加到 11 个，且将各波段辐射分辨率提高到 12
10、bit，使得影像信噪比提高 14。TIRS 具有两个热红外波段，使得大气校正更加容易。表 3-1 Landsat7 与 Landsat8 数据参照对比Landsat7 Landsat8传感器 波段序列 波段 波长/ m 空间分辨率/m 传感器 波段序列 波段 波长/m 空间分辨率/m1 气溶胶 0.430.45 301 蓝 0.450.52 30 2 蓝 0.450.51 30ETM+2 绿 0.520.60 30OLI3 绿 0.530.59 3043 红 0.630.69 30 4 红 0.640.67 304 近红外 0.770.90 30 5 近红外 0.850.88 305 短波红外
11、 1.551.75 30 6 短波红外 1.571.65 307 短波红外 2.092.35 30 7 短波红外 2.112.99 308 全色 0.520.90 15 8 全色 0.500.68 159 卷云 1.361.38 306 热红外 10.412.5 60 10 热红外 10.611.19 100TIRS11 热红外 11.512.51 100本文采用自地理空间数据云（http:/ ）下载的 2013 年 8 月 11 日与 2014 年 8 月 30 日四景 Landsat8 遥感影像，对龙岩市新罗区进行热岛效应研究。四景数据具体信息如表 3-2 所示：表 3-2 数据具体信息表
12、编号 数据标识 条带号 行编号 日期 云量% 经度 纬度太阳高度角太阳方位角1 LC81200422013223LGN00 120 42 2013-08-11 8.16 117.3620 25.9928 62.4617 110.93512 LC81200422014242LGN00 120 42 2014-08-30 11.72 117.3748 25.9925 62.4256 123.32393 LC81200432013223LGN00 120 43 2013-08-11 19.12 117.0094 24.5532 65.7194 107.67954 LC81200432014242LG
13、N00 120 43 2014-08-30 11.57 117.0219 24.5532 62.9901 120.62464 数据预处理数据预处理主要包含辐射定标、几何校正、大气校正以及裁剪与镶嵌四个步骤。其中，Landsat8 数据使用 UTM-WGS84 投影坐标系，产品类型为 level 1T 地形矫正影像，已进行系统辐射校正，消除了辐射导致的图像失真。同时已进行几何校正，可直接使用。4.1 辐射定标在 ENVI5.1 遥感图像处理平台上，用 Radiometric Calibration 定标工具对 Landsat8 数据影像的 OLI 多光谱波段及 TIRS 热红外波段进行辐射定标操
14、作，将像元灰度值（即 DN 值）转为热辐射强度值。54.2 大气校正大气校正过程可消除大气散射引起的辐射误差。用 ENVI5.1 的 FLAASH 模块对定标后的多光谱影像进行大气校正。FLAASH 辐射校正模型可针对高光谱数据和多光谱数据进行精度较高的大气校正分析。其作用是将影像获取时所受到的光照、大气等影响去除，得到较为精准的反射率和辐射率 15。用 Thermal Atm Correction 工具对定标后的热红外波段进行大气校正，可以近似去除热红外辐射数据中的大气影响。4.3 裁剪与镶嵌首先，在 ArcGIS9.3 平台上应用描绘功能制作新罗区的行政边界矢量图。其次，在 ENVI5.1
15、 平台上利用 ArcGIS9.3 制作的新罗区行政边界矢量图对影像进行裁剪与拼接。5 地表温度反演5.1 归一化植被指数归一化植被指数，是指遥感影像中近红外波段与红光波段的反射值之差与之和的比值。NDVI 值与对应影像中植被的数量、长势存在正相关关系。计算公式为如下：（1）RNIDV式中 NIR 和 R 分别是近红外波段和红光波段的地物反射率，对于 Landsat8 的 OLI 波段，波段 4 为红光波段，波段 5 为近红外波段。常规情况下，-10.7 时，VFC=1，反之，NDVI0.5，则可认为该像元为全植被覆盖区，地表比辐射率取植被的典型发射率 0.986。5.4 黑体辐射亮度辐射亮度值
16、 L 由以下 3 部分组成：大气上行辐射亮度 L （单位：Wm -2sr -1m -1），大气下行辐射亮度 L （单位：W m-2sr -1m -1）、地标发射辐射亮度。辐射传输方程公式为：（4）)1(TBLS式中， 为地表比辐射率，T S 为真实地表温度（单位为 K），B(T S)为黑体热辐射亮度， 为大气在热红外波段的透过率。则黑体辐射亮度 B(TS)为：（5）/)1(LLTB式中大气在热红外波段的透过率 、大气上行辐射亮度 L 与大气下行辐射亮度 L 三个参数可通过NASA 所属网站(http:/atmcorr.gsfc.nasa.gov/)取得。在该网址录入影像具体成影时间与中心经纬度
17、即可生成所需大气剖面参数。因 NASA 网站仅提供 Band 10 波段的大气剖面参数，故本文只研究 Band 10 波段。5.5 地表真实温度计算出与地表真实温度相同的黑体辐射亮度 B(TS)后，依据普朗克定律反函数 20，获得地面真实温度。公式为：（6）273)1(ln2BTKSS对于 TIRS Band10，K 1=774.89W/(m2 * m * sr)，K 2=1321.08K。6 热岛效应分析76.1 地表温度反演结果分析6.1.1 研究区多光谱与热红外计算结果根据上述预处理方法，对四景研究区影像图进行辐射定标、大气校正和裁剪镶嵌后得到图 6-1 所示的研究区多光谱图和图 6-2 所示的研究区热红外图。其中 (a)均为 2013 年研究区多光谱图，(b)均为 2014 年研究区多光谱图。图 6-1 研究区多光谱图Landsat8 多光谱图像由 OLI 传感器的 B1 到 B7 波段组合而成，图 6-1 采用 RGB 组合为 B4、B3、B2的真彩色合成显示。
