城市热岛效应的遥感和地理信息系统方法

第３６卷第１０期哈尔滨工业大学学报

２ｏｏ４年ｌｏ月ＪｏＵＲＮＡＬＯＦＨＡＲＢＩＮＩＮｓ唧ＩｒＩ＇ＥｖｏＩ．３６Ｎｏ．１０

ＯＦＴＥＣＨＮＯＭＩＧＹ嘶．２００４

城市热岛效应的遥感和地理信息系统方法

王霓虹，周洪泽，范艳芳

（东北林业大学信息与计算机工程学院，哈尔滨１５００４０，Ｅ—Ｉｌｌａｉｌ：ｗ１１Ｉｌ＠删．Ｉ劬．ｅｄｕ．ｃｎ）

摘要：以哈尔滨市为例，对遥感和地理信息系统相结合提取城市热力场信息的方法进行了研究．在地理信

息系统胁Ｖｉｅｗ中通过对遥感图象进行密度分割和多光谱合成，得到了能够较好反映城市热力场信息的

ｎ蕾６３２合成图象，并通过Ｂ６波段进行温度反演，得到了哈尔滨市的地表辐射温度专题图．在地理信息系统

Ａｒｃｖｉｅｗ中将该专题图与其他专题图进行叠加分析、统计分析等，不仅可以显示出市区热力场空间分布格局，

还可以得到影响热岛效应的各因素及其与城市热岛效应的关系，为城市综合评价和生态建设提供依据．

关键词：遥感；地理信息系统；城市；热岛效应

中图分类号：ｒＩＨｌ３２．４２５文献标识码：Ａ文章编号：０３６７—６２３４（２００４）１０—１４２０一０４

ＡｍｅｔｈｏｄｏｆｓｔｕｄｙｉｎｇｕｒｂａｎｈｅａｔｉｓｌａｎｄｅｆｆｅｃｔｂａｓｅｄｏｎＲＳａｎｄＧＩＳ

ＷＡＮＧＮｉ—ｈｏｎｇ，ＺＨＯＵＨｏｎｇ－ｚｅ，ｎ州ＹａＩｌ一胁ｇ

（Ｓｃ｝础０ｆｌ矗脚“０ｎａｎｄＣ０ｒＩ】ｐｔｌｔｅｒＢ辱ＩｌｅｅｒｉＩｌｇ，Ｎ０ｒｔｈｅ蕊ｔＦ０ｒ啷Ｕ描ｖ镪畸，Ｈａ出ｎ１５００４０，Ｃ拉ｎａ，Ｅ一衄ｉｌ：ｗｎｈ＠瑚ｉｌ．ｎ出．幽．ｃｎ）

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Ｈａｒｂｉｎｉｓｓｔｕｄｉｅｄ．ＩｎＡｒｃＶｉｅｗＧＩＳ，出姒ｌ曲ｄｅｎｓｉｔｙｓｌｉｃｉｎｇａｎｄＨ姐ｔｉ—ｓｐｅｃｔｒａｌｓｙｎｔ｝ｌｅｓｉｚｉｎｇ，ｗｅｉ啪ｇｅ，

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ｇｅｔｔｈｅｈｅａｔ瑚ｌｄｉａｔｉｏｎ山ｅｍａｔｉｃｉｍａｇｅｏｆＨａｒｂｉｎ．０～ｅｒｌａｙａＪｌａｌｙｓｉｓａＩｌｄｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ诵ｔｈｏｔ｝ｌｅｒｔｌｌｅ—

ｉｍａｇｅｓｃａｎｎｏｔｏｎ王ｙｄｉｓｐｌａｙｔ１１ｅｔｈｅｍｌｏｄｙ涮ｃｆｉｅｌｄｏｆＨａｒｂｉｎ，ｂｕｔａｌｓｏｇｅｔｉⅢ１ｕｅｎｃｉｎｇｆ如慨ａｎｄｒ｛ｅｌａｔｉｏｎｕｒｂａＪｌｈｅａｔｉｓｌａｎｄ胡＆ｔ．ＡＵ《ｔｈｅｓｅｏｆｌｆｅｒｔｈｅｂａｓｉｓｆｏｒｃ时印ｐｒａｉｓｉｎｇａｎｄｅｃｏｌｏ舀ｃａｌｃｏｎｓｔｍｃｔｉｏｎ．

ｗｏｒｄｓ：ｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ；寥唧ｐｈｉｃｉⅢｂｍｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ｃｉ哆；ｈｅａｔｉｓｌａＪｌｄｅｆｆ＆ｔ

随着全球城市化进程的不断加快，由其引起线路观测不可能同步进行，观测点位的密度也不的城市热岛现象及其对全球气候变暖的影响已经可能太高，试图细致地研究城市热岛的平面展布、引起了广泛的关注［１－２｜．城市热岛效应（｝｜ｅａｔｉｓ—内部结构特征有一定困难【３ｊ．现代遥感和地理信

ｅｆｆｅｃｔ）是指由于城区过密的人口、建筑物、各息系统的发展为完成这方面的研究提供了强有力种能源和污染源所引起的城区温度比周围高的现的工具．通过遥感方法可获得城市下垫面的热力象．城市热力场格局和热岛效应的强弱在很大程场信息，应用地理信息系统可对遥感数据进行图度上反映出城市生态环境的质量，由此可以作为象处理、空间分析及对城市地理、人文信息进行综城市综合评价和生态建设的重要信息．合．遥感和地理信息系统一体化用于研究城市热

由于城市热岛效应对周围环境最明显的影响岛效应具有快速、准确、宏观性强、一致性好等优是温度的变化，所以可以通过温度变化来反映一势，克服了常规方法的不足．本文以哈尔滨市为个城市的热力场状况．常规的城市热岛监测方法例，探讨在研究和评价城市热岛效应中使用遥感是采用线路观测和定点观测相结合的方法．由于和地理信息系统一体化的技术方法．

收稿日期：２００Ｂ一０３—１０．

作者简介：王霓虹（１９５２一），女，教授

万　方数据Ａｌ舔打神ｔ：Ａｗｈｉｃｈｗ“ｅ，ｗｅｍａｔｉｅ诵ｔｈＫｅｙｌ肌ｄ

第ｌＯ期

王霓虹，等：城市热岛效应的遥感和地理信息系统方法

１

应用遥感图象提取城市热力场信息的技术方法

本文使用了具有３０ｍ分辨率的美国陆地资

源卫星‰ｄｓａｔ’ＩＭ图象１９９８年１０月８日１２８／２８

景幅（哈尔滨地区）的数据．ｒＩＭ图象的７个波段

Ｂｌ～Ｂ７，波长分别为０．４５～０．５２肿、０．５２～Ｏ．６０微米、０．６３～０．６９耻、０．７６—０．９０胛、１．５５～

１．７５肿、１０．４０一１２．５０舯、２．０８～２．３５—４｜．其中，

Ｂ１．为蓝光，Ｂ２为绿光，Ｂ３为红光，Ｂ６为热红外波段．本文研究以地物光谱特性为基础，由于热红外波段主要用来反映地物发射电磁波的能量，可通过反演地表温度来研究热岛效应．地理信息系统选择桌面系统ＡｒｃＶｉｅｗ作为平台．

１．１删影象的预处理

由于地球自转、地球曲率、大气折射、地形起伏、传感器姿态变化及传感器成象的投影方式不同等多种因素的影响，使遥感图象产生辐射失真和几何变形，因此在使用前必须先进行处理．首先用ＥＲＤＡｓ遥感图象处理软件对，ＩＭ影象进行几何校正、图象增强、合成与分类等过程，产生出包含该景幅的２、３、４、５、６、７波段的复合图象，（ＩＭＧ数据格式），为进一步应用地理信息系统（ＡｒｃＶｉｅｗＧＩＳ）进行空间数据处理与分析提供基础数据源．

１．２确定图象的空间范围

在ＡｒｃＶｉｅｗ中调人经过预处理的的多波段复合图象，作为一个图象专题．由于一幅卫星图象地域范围很大，而遥感数据为海量数据，为了操作方便快捷，常常只选择研究区域范围内的卫星图象（以哈尔滨市为例），所以在使用前要先对卫星图象进行裁减．在ＡｒｃＶｉｅｗ中识别出哈尔滨市区周边的范围，在坐标框中读出并记录下该周边范围框架（左下角和右上角的ｘ、ｙ坐标）．然后在专

题屙陛菜单（ｎｅｍｅ／Ｐｍｐｅｒｔｉｅｓ）中定义（Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ）

应用视图范围，在坐标框中改写坐标ｂＪ．此时该专题显示的图象缩小为所选择的区域框架范围。

１．３对遥感图象进行多光谱合成

遥感图象的多光谱合成的分析方法是根据所研究地物或现象的光谱分析结果，选定同一景幅不同波段的ＴＭ图象，根据加色法原理进行滤光组合，形成假彩色影象，然后对合成的图象根据地物光谱反射特性来识别、分析地物．通过多光谱合成可以把只有灰度差异的一组单波段图象合成为一幅假彩色图象，可以增加可视信息量，增强目标与背景或不同地物之间的对比，从而使图象的判

万　

方数据读性能得到改善．

由于同～地物对不同波段的电磁波反射能力不同，在有些波段各种地物反射电磁波的能力差

别不大，而在有些波段这种差别很大．为了能够更

加容易的识别地物，需要进行不同波段的组合以更好的突出判读对象．由于本文研究的目的是要提取热力场信息，因而Ｂ６波段是必不可少的．此外，考虑到更多的反映地面信息，又加人了Ｂ２，Ｂ３

波段．

选定了不同的波段组合后，还需要选择表达各种波段的颜色以更符合人们的视觉效果．本文采用数字处理合成的方法，即将三幅图的像元亮度值变换为红、绿、蓝三基色的彩色编码去控制彩色显示设备，形成彩色图像．在ＡｒｃＶｉｅｗ中采用滤光片来达到这一目的．经过滤光片与波段组合所形成的图象反映的不是地物的真实颜色，故称为假彩色图象．在Ａｒｃｖｉｅｗ中，通过图象编辑器（ｈＹＩ．

ａｇｅ

ｋｇｅｎｄＥｄｉｔｏｒ），可以对卫星图象进行专题波段

合成实验和选择，通过对Ｍｕｌｔｉ－ｂａｎｄ（多波段）配置，进行比较实验．结果发现，对于显示城市下垫面的热辐射信息，按照Ｂ６、Ｂ３、Ｂ２的顺序合成的１Ｍ图象效果最好（见图１）．

图ｌ聊６３２合成图象表达热辐射信息

１．４遥感图象的密度分割

遥感图象是物体亮度的记录．物体亮度在光学图象上表现为密度．在正片上，物体亮度较大，其影象密度较小，而在负片上则相反．密度分割是将所选择的单波段的卫星图象的光学密度分割成若干等级，并以不同颜色、色调表达形成伪彩色影象，从而突出判读地物的特征以更好的根据地物光谱反射特性来识别地物．一方面密度分割增强了判读地物的光谱反射性，使地物更易于识别；另一方面为下一步进行热力场的温度反演奠定基

础．

在舭Ｖｉｅｗ中，将‘．ｉＩＩｌｇ’图象变成‘．矛ｄ’格式

‘１４２２’

哈尔滨工业大学学报

第３６卷

添加到视图中．通过图例编辑器，根据需要按“ｖａｌ．ｕｅ”字段划分等级，还可进行彩色表达．图２是

１Ｍ６单波段图象及相应的密度分割产生的图象．

图２哈尔滨景幅的ｒＩＭ６波段图象及相应的密度分割图象

１．５地理坐标配准

为了把遥感图象和哈尔滨矢量地图联合起来

进行空间分析，需要把遥感图象和矢量地图进行

值．对于’Ⅳ６，Ｌ一＝１．５６０

０，￡。ｉ。＝Ｏ．１２３８．

２）在不考虑大气影响的情况下，通过辐射亮

度（ｋ）推算亮度温度（巩）．所谓亮度温度是指当

地理坐标配准．本例是和ＡｕｔｏＣＡＤ的‘．ｄ】【ｆ’数据格式的哈尔滨市街区图进行配准．数据配准需要在两个数据图层上选择公共点及相应的坐标建立一个大地坐标文件，可以根据被配准图层情况选取一个或两个公共点．建立的大地坐标文件是规定后缀为‘．ｗｌｄ’的文本文件．文件格式为：

（在ｃＡＤ数据专题图层上公共点的ｘ、ｙ坐标）＜空格＞（ＴＭ图象上相应公共点的Ｘ、ｙ坐标＞．

大地坐标文件最好和遥感图象文件及哈尔滨矢量地图位于同一目录下，以方便调用．１．６用遥感数据反演城市热力场基础信息

在建立密度分割及多光谱合成专题后，可以通过遥感数据反演来分析城市热力场及空间分

物体辐射的功率等于某一黑体辐射功率时，该黑体的绝对温度即为物体的亮度温度．其方程式为

ＺＩｂ＝后ｌ／（１ｎ（五２／￡ｂ＋１）．

其中｜ｊ｝。和｜｜｝２为校正系数，对于，ＩＭ６为已知常数，

矗ｌ－１２６０．５６，＿ｊｃ２＝６０．７６６．

３）通过亮度温度（ｒｈ）推算地物的真实温度．由于任何物体的辐射率都小于黑体的辐射率，所

以地物的真实温度低于亮度温度．亮度温度与地

物表面的真实温度之间的关系为

ｒ＝巩。ｅ．

其中：丁为地表真实温度（Ｋ），￡为比辐射率，一般

＜１．

实际上比辐射率很难测定，因此通过上式计算的地物真实温度与实际温度之间还存在着差异．由于本文的研究对象主要是下垫面的热场分布特征，对地面的真实温度并不关心．在实际应用中，由于气候条件的影响、资料采集时刻的不同，其地面亮温和气温值都有明显的不同。但变化的只是热力强度，其热场分布特征却是恒定的【６Ｊ．因此可以通过上述办法来研究热力场分布状况．

在ＡＩ℃Ｖｉｅｗ中将Ｂ６波段的影象图转换为鲥ｄ格式的栅格图，再通过上述公式进行计算，得到哈尔滨热力场空间分布图象如图３所示．

１．７空间分析与查询

布．‰ｄｓａｔ

ＴＭ６为热红外波段，覆盖的范围为

１０．４。１２．５舢，地面分辨率为１２０ｎ∥ｐｉｘ．由于这个

波段的图象接收的是与地表温度高低相对应的强

度不等的热红外辐射，因而可以通过伽６通道获

取的地表热辐射的遥感数据定量估算地表温度高低与分布．

１）将图象亮度值ＤＮ６转换为辐射亮度氏（ＴＭ６）．ＴＭ６中栅格图象所存储的为地物辐射亮度值，在经过采样量化后变成了图象亮度存储于计算机中．计算地表温度时应首先将图象亮度还原为辐射亮度．其方程式为

￡ｂ（‘ＩＭ６）＝Ｌ。ｉ。（‘ｒＭ６）＋ＤＮ６（三。。一￡。ｉ。）／２５５．

在胁Ｖｉｅｗ平台上，通过对已有的热力场空

间分布图象进行各种处理，如：叠加分析，缓冲区分析，统计分析，再分类等，可以得到关于城市热

岛效应的更多信息．

其中，￡一为传感器可探测的最大辐射亮度，Ｌ。ｔ。为最小辐射亮度，与所使用的传感器有关，为固定

万方数据　

第１０期

王霓虹，等：城市热岛效应的遥感和地理信息系统方法

?１４２３?

市热岛效应的研究方法，通过对遥感影象进行密度分割和多光谱合成可以得到可视性的城市热岛信息．遥感和地理信息系统的引入，突破了采用路线观测和定点观测相结合的常规方法，使城市热岛效应信息的获取更为方便、快捷和准确，可对由热岛效应引起的温度差异进行定量的分析，有助于了鳃城市热力场的空间分布特征，分析引起城市热岛效应的各种因素，为建设生态城市提供依据．

图３哈尔滨市热力场空间分布专题图象

研究证明在将遥感和地理信息系统应用于城市热岛信息的提取时，热红外波段（Ｂ６）是必不可少的，通过它可以在地理信息系统平台上进行温度反演，并通过空间分析，得到城市热力场分布

格局．

１）可以和城市用地类型图进行叠加分析，得到城市用地类型和热岛效应的关系；和城市街区图进行叠加，可查询市区内任意一点的地表辐射温度以及各分区热力场分布格局．

２）对哈尔滨市各行政区地表热辐射进行空间查询和抽样统计估计；对各种地类的热辐射进行空间查询和统计估计；对过热辐射斑块组合空间复合体的平均热辐射温度进行抽样统计估计；对各种绿地率和不同面积斑块的平均热辐射温度进行抽样统计估计和回归估计．

３）对哈尔滨市热力场空间分布专题的地表热辐射属性进行再分类，把连续的热辐射数据分类成低、中、高三个等级的离散数据，进行统计分析．

４）在再分类的基础上，把具有栅格数据格式的过热辐射分布专题（由热力场空间分布专题进行再分类分析产生的专题）转化成矢量专题，产生出反映哈尔滨市区过热辐射斑块数据．对这些数据进行热力景观指标的统计分析，以获得过热辐射斑块的总块数、平均面积、最大与最小斑块面积、形状指数、平均破碎度，并按斑块面积进行再分类，对各分类等级的斑块进行统计分析．

通过以上分析，得到了哈尔滨市热力场分布的重要信息，为进一步研究哈尔滨热力场分布格局、影响因素及调节对策提供了依据．

２

随着遥感技术的发展，定期的通过遥感影象提取城市热力场信息，对热力场信息库进行动态更新，可实现对城市热岛效应的动态监测，实现从静态描述向动态研究和预测发展，建立统一的城市地理信息系统（ｕＧＩｓ），逐步实现城市热环境分析的自动化、定量化、动态化、模型化．

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结语

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１９７．

本文探讨了将遥感和地理信息系统应用于城

（编辑王小唯，姚向红）

航天学院设立马祖光学生科技创新基金

航天学院日前设立马祖光学生科技创新基金，激励学生从事科研，献身国防，做新时期马祖光式的航天人。

该基金主要用于学生的科学启蒙、学生集体立项和单独立项的科学研究，包括各种科技竞赛、科技活动等。基金旨在鼓励更多的学生从事科学研究，增强科研动手能力，普及推广航天领域高新技术知

识，推出科技创新成果，为各级科技大赛选拔优秀人才。

万方数据　

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城市热岛效应的遥感和地理信息系统方法

作者：

作者单位：

刊名：

英文刊名：

年，卷(期)：

被引用次数：王霓虹， 周洪泽， 范艳芳东北林业大学,信息与计算机工程学院,哈尔滨,150040哈尔滨工业大学学报JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY2004,36(10)10次

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