摘要：隨著社會的發展，城市化現象越來越普遍，城市規模不斷擴大，生態環境及人文景觀也隨著城市化進程而改變。本文通過RS和GIS結合的方法研究了陜西省漢中市近幾年來的城市發展狀況。根據2003年和2010年的LandSat5 TM影像提取了漢中市的NDVI值、土地利用狀況、亮度溫度值、地表溫度TS值，通過遙感影像解譯和GIS可視化分析得到了城市化與城市生態景觀變化的關系，對城市生態研究有一定指導意義。

　　關鍵詞：遙感,GIS,城市化,NDVI

　　1.研究背景

　　城市化也稱為城鎮化、都市化，隨著人類社會的發展，人類活動逐漸向城市集中，城市的規模也不斷擴張。合理的城市化可以改善環境，有利于提高人們生活水平，有利于經濟的發展。但城市化也會對生態環境產生一定程度的影響，相應產生的城市熱島效應也在潛移默化的影響人們的生活[1]。

　　近幾十年來，關于城市化進程的研究越來越受到人們的重視，持續加速的城市化對城市氣候及環境產生了深遠的影響,研究城市擴張有重要的意義。如何定量的監測和分析其進程已成為當前城市環境研究的重要內容。遙感影像可以真實的反演地面的變化，且LandSat5衛星的短周期觀測也為真實影像信息的提取提供了優勢條件[2]。LandSat5 的TM影像具有7個不同波段，其中3、4波段可以提取NDVI值，6波段(熱紅外波段)可以反映地表溫度，通過對3、4、5波段的解譯又可以得到土地利用信息，所以遙感圖像成為了研究城市化進程的有效手段。

　　本次實驗采用RS與GIS相結合的方法，分析陜西省漢中市城市擴張和植被覆蓋、土地利用及城市亮度溫度、地表真實溫度TS之間的關系。根據2003和2010年兩個時期的LandSat5 TM影像提取了研究區的土地利用情況、亮度溫度信息、地表真實溫度TS信息、NDVI信息。預期分析結果是：城市擴張與城區分布呈正相關，與城市亮度溫度及地表真實溫度TS呈正相關，與植被覆蓋呈負相關。

　　2.研究區概況與數據來源

　　漢中市位于陜西省西南部，漢江上游，北倚秦嶺、南屏大巴山，地勢南北高，中間低，中部是漢中盆地。面積27246平方千米，地處東經106°~107°與北緯33°2~33°22之間。氣候屬于亞熱帶氣候區，因北有秦嶺屏障，故寒流不易侵入，氣候溫和濕潤。

　　本研究采用2003年6月和2010年6月兩期的LandSat5 TM影像，其中TM6波段的空間分辨率為120m，其他6個波段空間分辨率為30m。漢中市地區共覆蓋6景影像，條帶號在127~129之間，行編號在36~38之間;從圖像上看，地面特征清晰明顯，基本無云，圖像干擾比較少，能夠較好地反映地面狀況。全文使用遙感影像處理軟件ENVI4.7和GIS圖像分析軟件ArcMap10.0對數據進行研究處理。

　　3.研究方法

　　3.1數據預處理

　　遙感影像來自國際科學數據共享平臺，在ENVI4.7中先后進行了：1至7波段融合(其中4、3、2波段研究植被，5、4、3波段研究土地利用，6波段為熱紅外波段，研究亮度溫度)[3];邊界裁剪;圖像增強;影像拼接;矢量格式行政界線影像裁剪。最終得到2003年和2010年漢中地區遙感影像。

　　3.2 NDVI提取

　　NDVI是歸一化植被指數。它和植物的蒸騰作用、光合作用密切相關。可以用來檢測植被生長狀態、植被覆蓋度等;取值-1<=NDVI<=1，負值表示地面覆蓋為云、水、雪等，對可見光高反射;0表示有巖石或裸土等;正值表示有植被覆蓋，且隨覆蓋度增大而增大;對于LandSat5 的TM影像，其計算公式為：

　　NDVI= (B4-B3) / (B4+B3) (1)

　　式中B3，B4分別是TM3，TM4波段的DN值(即TM數據的像元灰度值)，由于大氣反射和散射作用，在計算之前一般先進行大氣校正。但由于NDVI是經過歸一化處理的，大氣校正對NDVI的計算影響很大，會造成較大誤差。故我們直接使用TM3，TM4波段的DN值計算NDVI，而不必進行大氣校正，研究區2003年6月和2010年6月NDVI經ENVI提取，保存為*.bil格式，在ArcMap10.0中重分類得到圖1，其散點圖見圖2。

　　3.3土地利用狀況提取

　　根據研究需要，需要對兩個時相的TM影像進行土地利用狀況分類，本次研究以地球系統科學數據共享平臺中下載的陜西省2000年1:10萬土地利用分類為參照，并在對2010年影像行監督分類時對比最新一期的Google earth影像，最終將漢中市土地利用類型分為：耕地、林地、居民地、水體、裸地、草地6種類型。

　　在監督分類過程中，經Compute ROI Separability計算的ROI樣本的可分離性參數均>1.8，說明樣本選取較好。我們選擇最大似然法(Maximum Likelihood)分類且對結果進行了混淆矩陣精度評價[5]。得到本次的總體分類精度Overall Accuracy = (29953985/3467729) 86.9044%。得到的2003年6月和2010年6月這兩個時相的土地覆蓋分類結果見圖3 (其中紅色部分為居民地;綠色部分為林地、耕地、草地;黃色部分為裸地及道路;藍色部分為水體)。為了更加直觀的了解2003至2010年土地利用變化情況，在ENVI中將分類結果轉化為矢量數據，并進行求和統計，在excel中制作統計表如表1。

　　3.4城市亮度溫度提取

　　亮度溫度是遙感器所觀測到的熱輻射強度相對應的溫度，是地表溫度、地表比輻射率、大氣溫度以及大氣透過率等因素綜合的體現。真正的地表溫度因受到大氣狀況、地表比輻射率等多種因素的影響，相關參數不易計算，精度難以保證[6]。所以我們選擇亮度溫度來體現城市地表熱情況。

　　LandSat5第6段對熱非常敏感，可辨別地表溫度差異。故將6景影像第6波段進行裁剪和拼接，得到2003年和2010年band6的影像;對于TM數據，各像元所接收到的輻射強度L與其DN值的關系為[4]：

　　L=L min + (L max - L min)QDN/Q max (2)

　　其中：L為各像元所接收到的輻射強度;QDN即TM數據的像元灰度值，Q max為最大的QDN值;L max和L min為像元收到的最大和最小輻射強度值，是發射前已預設的第6波段常量。當L min=0.1238時，QDN=0，當L max=1.56時，QDN=255。故(2)式可簡化為：

　　L=0.1238+0.005632156QDN (3)

　　繼而，各像元的亮度溫度T與像元灰度值的關系為：

　　T=K2/In(1+K1/L) (4)

　　其中：K1、K2為衛星發射前預設的常量，具體參數見表2。故對于本實驗來說：

　　T=1260.56/In (1+60.776/ (0.1238+0.005632156*QDN) (5)

　　根據公式(5)，利用GIS圖像分析軟件ArcMap10.0對亮度溫度提取結果進行可視化，得到03、10年亮度溫度分布圖，見圖4。

　　3.5地表溫度TS反演

　　LandSat5第6波段也可以反映地表真實溫度TS，它是地球環境分析的重要指標，也是直觀體現城市熱島效應的重要手段，近年來基于遙感圖像的地表溫度反演的研究越來越多。主要的方法有：大氣校正法，單通道法等等。本文采用了輻射傳輸方程法對地表溫度進行反演。

　　在進行計算之前首先要將兩年的NDVI數據用ENVI軟件中的Resize Data重采樣為60m分辨率，與TM6 數據保持一致。首先采用混合像元分解法計算植被覆蓋度Fv，具體的計算公式如下：

　　FV = (NDVI- NDVIS)/(NDVIV - NDVIS) (6)

　　其中，NDVI 為歸一化植被指數，取NDVIV = 0.70 和NDVIS = 0.00，且當某個像元的NDVI 大于0.70 時，FV取值為1;當NDVI 小于0.00，FV取值為0。再用計算結果和NDVI值求出地表比輻射率，根據前人的研究，將遙感影像分為水體、城鎮和自然表面3 種類型。水體像元的比輻射率賦值為0.995，自然表面和城鎮像元的比輻射率分別根據下式計算：

　　ε surface = 0.9625 + 0.0614FV - 0.0461FV2 (7)

　　ε building = 0.9589 + 0.086FV - 0.0671FV2 (8)

　　接著再計算各種地物的黑體輻射亮度值，具體表達式是：

　　L λ = [ε*B(TS) + (1-ε)L↓]·τ + L↑ (9)

　　B(TS) = [L λ - L↑- τ·(1-ε)L↓]/τ*ε (10)

　　這里，ε為地表輻射率，TS 為地表真實溫度，B(TS)為普朗克定律得到的黑體在TS的熱輻射亮度，τ為大氣在熱紅外波段的透過率。在NASA (美國國家航空和宇宙航行局 )官網中輸入成像時間以及中心經緯度，則會提供上式中所需要的參數。在獲取溫度為TS 的黑體在熱紅外波段的輻射亮度后，求得地表真實溫度TS，單位是攝氏度：

　　TS = K2/ln (K1/ B (TS) + 1) (11)

　　以上具體計算都是用ENVI 的Band Math工具實現的。最終在ENVI窗體中對反演結果TS進行重分類，得到03、10年地表真實溫度TS分布圖，見圖5。

　　4.漢中市城市化進程分析

　　4.1城市化與植被覆蓋的關系

　　從之前提取的研究區NDVI分布圖(圖1)上可以看出，在03至10年中，漢中市植被覆蓋率有所下降，市中心覆蓋率低，且城市呈明顯擴張趨勢，城市分布與植被分布呈負相關。

　　將圖4、圖5與圖1比較，可以看出：研究區的地面植被與地面溫度分布也呈顯著的負相關關系。由于城市內部大量瀝青、水泥混凝土等人工構筑物具有較小的熱容，在相同的環境條件下比綠地升溫快，容易形成 “熱島效應”。而植被比熱容明顯大于城市建筑表面，可以緩解城市水泥建筑帶來的局部高溫，所以在城市建設中大力植樹可以減小城市熱島效應。

　　4.2城市化與土地利用變化的關系

　　經過觀察由監督分類得到的2003年和2010年的土地覆蓋圖(圖2) 可知，漢中市在這幾年的時間內城市化進程很快，建成區面積大幅度增加。易發現在03至10年中，紅色部分(居民地)范圍明顯擴大;綠色部分(林地、耕地、草地)隨著城市面積增大而減少;黃色部分(裸地及道路)隨著城市化加劇而擴大;藍色部分(水體)基本未變。

　　這說明在城市化進程中，大量的郊區農田等自然地表被房屋、道路等人工建筑取代。而土地覆蓋的變化導致了城市下墊面的變化，從而也改變了地表熱量分布狀況，造成熱島效應。將圖4、圖5與圖1比較，可以看出：高溫區域與城市區域有著很好的對應關系，即城市擴張和城市熱島效應加劇呈正相關。

　　4.3城市化與地表溫度變化的關系

　　由圖4、圖5看出，2003年時城市地表溫度分布較為均勻，各處溫差不大;到了2010年，市中心呈現出明顯的局部高溫區，居民地及建設用地集中的地區溫度明顯高于周邊地區，溫差很大，形成島嶼狀的高溫區域。我們可以推知：城市化進程的加劇導致了城市中心地區溫度升高，使城市與鄉村地區溫差增大，從而更易形成“熱島效應”[7]。

　　5.結論

　　本文利用LandSat5遙感數據結合GIS的空間分析技術，對漢中市2003—2010年城市化進程中的熱島效應進行了分析，及熱島效應和土地利用和NDVI的關系。結果表明：

　　(1)2003--2010年，漢中市城市化進程迅速。通過對兩年的遙感影像進行監督分類，我們可以明顯看出建設用地面積、居民地面積、裸地面積增大，林地及耕地減少。

　　(2)城市化與植被分布呈負相關，地表亮度溫度T值、地表真實溫度TS與植被覆蓋也有較強的負相關關系。通過對兩年遙感影像NDVI值的提取，可以看出市中心植被覆蓋率明顯降低;通過觀察城市亮度溫度、真實溫度TS和NDVI分布圖，可以看出溫度越高處NDVI值越低。因此增大城市綠化面積無疑對緩解城市熱島有非常積極的作用。

　　(3)城市化與城市亮度溫度和真實溫度TS呈正相關，與建筑用地及居民地的面積也呈正相關。 2003--2010年漢中市城市擴張明顯，城建用地面積增大，城市中心溫度也相應升高。

　　(4)收獲與展望：城市化程度加大是社會經濟和人類社會發展的必然過程，可以帶給我們經濟、文化、生活水平的提高;但是我們不可以忽略城市化程度加大對環境造成的影響。通過本次研究，我們對城市化進程及其影響有了一個粗淺了解，應以此為依據加強城市綠化建設，加強土地利用合理化管理，增大城市綠地面積，減少城市熱島效應的不良影響。讓城市化更好的造福大眾。

　　參考文獻

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　　本文選自《電子科技》。  《電子科技》是由中華人民共和國工業和信息化部主管，西安電子科技大學主辦的學術、技術類專業期刊。國際刊號ISSN:1007-7820;國內統一刊號CN:61-1291/TN。創刊于1987年，國家新聞出版總署出版規范首批A類期刊，陜西省優秀期刊。