基于环境减灾小卫星HJ_1B的济南市热力空间格局演变

摘要：指出了城市热环境是人类活动和周围环境在热力场下共同作用的复杂的综合场表现，研究城市地表温度的演变能够直接反应城市热环境变化和间接表现城镇化进程中城镇结构变化带来的影响。利用两期减灾小卫星J_1B影像，在对单窗算法修正的基础上反演济南市2009年和2014年地表温度，并对两期反演的地表温度做温度差，每隔 ℃划分为一个温度等级，将分形几何学基本理论引入热力景观空间格局分析，借鉴景观生态学研究方法，分别计算了两期地表温度及温度差的斑块数、斑块面积、破碎度、优势度等指标，对济南市近年来热力景观变化进行了研究分析。结果表明：2009年至2014年，济南市绝大部分地区温度升高0～10 ℃，其中，济南市东、南方向温度上升较为明显，局部山区地区温度增加10 ℃以上，这与济南市城市扩展过程中地表结构改变有关。

关键词：地表温度；单窗算法；J_1B

中图分类号：X21

文献标识码：A文章编号：1674-9944（2015）12-000-70

1引言

近年来，随着城镇化进程不断深入，地表结构也同时发生着变化。城市生活问题日益凸显，其中，城市热环境就是其中之一。人造地表表面不断增加，建筑、道路等城市市政建设是主要城市结构变化，从而城市地表温度随之变化，对居民生活和城市火灾安全问题都有着巨大的影响。研究城市地表温度的变化对城市建设具有重要的意义。

本文采用2009年月23日和2014年月28日成像的减灾小卫星J_1B影像，来源中国资源卫星应用中心。在ENVI中进行预处理，利用单窗算法，反演两期地表温度，在Fragstats软件的支持下，将分形几何学基本理论引入热力景观空间格局分析，借鉴景观生态学研究方法，对济南市热力空间格局进行定量研究分析。

3基于修正模型下的济南市地表温度反演

3.1研究区概况

济南市四季分明，日照充分，年平均气温14 ℃，最高气温记录为42.7 ℃，最低气温约为27 ℃。年平均降水量达66.7 mm，无霜期可达220 d左右。

济南市地势起伏，南高北低，南部为山区地区，山脉多为东西走向，中部为前平原地区，北部为临黄平原地区。市区内有河湖众多，河流主要包括小清河、黄河、玉符河、南北大沙河等水系；湖泊主要有白云湖、大明湖和东平湖等湖泊；此外还有卧虎山、锦绣川等大型水库。包括市中区、历下区、章丘市、长清区、平阴县等十个县级地区。

3.2济南市地表温度反演

本文利用2009年月23日和2014年月28日两期减灾环境卫星J_1B影像数据，反演济南市地表温度。从中国气象网（http：//）查询卫星当天过境时间济南市的水汽压，结合大气水汽含量经验模型，估算出大气水汽含量，利用卫星过境时间的近地面温度作为地面温度，再由公式（6）、公式（12）分别计算大气透过率和大气平均作用温度，水汽压、地面温度、大气透过率及大气平均作用温度详见表3。

利用上述参数及公式（1），最终反演得到济南市2009年月23和2014年月28两期地表温度，如图2、图3所示。

从表4中可以看出，对于本文假定的模拟方法，最小误差为0.0 ℃，最大误差为2.34 ℃。平均误差为0.86 ℃，说明理论上修正的单穿算法有较好的精度。

4济南市热力空间格局演变分析

4.1温度区间划分及热力景观参数

将两期反演地表温度的结果（分别记为）按取整后每隔 ℃的划分方式对温度差进行温度区间划分，按照温度区间划分对温度差进行重分类。然后将两期反演地表温度做温度差，即（温度差区间为-4.23～14.6 ℃），同样利用上述温度划分方法（图4）。

利用Fragstats软件对重分类结果分析，提取斑块信息，包括斑块数、斑块面积，再表评价指标[8]。

4.2热力景观演变分析

热力景观指数详见表～表7。表为将2009年和2014年对比，比较2014年出现局部高于4 ℃的高温地区，这也可从破碎度升高可以反应，济南市热力景观类型增加。2009年大部分地区温度集中在2～3 ℃，比例高达91.74%，而到了2014年主要集中在30～40 ℃。可从表6中看出，济南市2009年至2014年绝大部分地区温度为上升趋势，温度增加在0～10 ℃范围

内，商河县地区为下降趋势，这与近几年来商河县大规模植树造林有关。少数地区温度上升在10 ℃以上，由图4可以看出，主要集中在山区地区，这是山地植被覆盖减少的原因。

温度差优势度为0.2949，这与0～10 ℃之间的两类斑块占据优势的热力景观类型有关。

结合图2与图3对比可知，济南市植被覆盖大面积减少、城市扩区、人造地表建筑增加、山区开矿，再加上近几年来温室效应结果，是导致济南市地表温度普遍升高的主要原因。

5结语

从2009年至2014年年间，济南市建成区向东、南扩展，地表类型的改变致使热力景观类型发生较大的改变。无论从斑块的数据上还是指数上，这都与城市化扩展具有一致性，因此从热力景观研究分析的层面，对于直接分析城市温度变化研究和间接研究城市结构有一定的有效性。

J_1B环境小卫星热红外波段分辨率为10 m，可见光也只有30 m，进行的空间重采样，精度上有一定的影响。对于热力景观分析研究不够充分深入，在以后的研究将继续改进和深入。

参考文献：

[1]Qin Z，arnieli A，Berliner P，A Mono-window Algorithm for Retrieving Land urface emperature from Landsat M Date and Its Application to the Israce-Egypt Border Region[J].In-ternational Journal of Remoto ensing，2001，22（18）：3719～3746.

[2]UG.Landsat（LDCM） istory[EB/OL].http：//usgs.gov/about_ldcm.php，201-8-.

[3]CAC.Instraction of J-1-A、B[EB/OL].http：，201-8-2.

[4]段四波，阎广建，钱永刚.利用J_1B模拟数据反演地表温度的两种单通道算法[J].自然科学进展，2008，9（18）：1001～1008.

[5]杨景梅，邱金桓.利用地面湿度参量计算我国整层大气可降水量及有效水汽含量方法的研究[J].大气科学，2002，1（26）：9～22.

[6]覃志豪，李文娟，徐斌.陆地卫星M6波段范围内地表比辐射量的估计[J].国土资源遥感，2002（3）：29～37.

[7]覃志豪，李文娟，张明华，等.单窗算法的大气参数估计方法[J].国土资源遥感，2003，1（2）：37～43.

[8]邬建国.景观生态学―格局、过程、尺度与等级[M].北京：高等教育出版社，2011：107～116.