作品编号：D1755（三等奖）

作品名称：基于Landsat-8影像的城市地温反演及组分效应分解与验证-以武汉市为例

作者单位：中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院

小组成员：张天巍，徐红欣，翟富祥，徐健明

指导老师：田玉刚

1、课题背景：

·  城市热岛伴随城市建设产生,并随城市扩展而增强,已成为影响城市居民生活质量的重要因素。近年来，国家越来越重视生态文明建设，一个城市的发展也应该向着绿色生态环保的方向前进，而城市热岛效应在很大程度上是因为城市的不平衡的扩张和发展造成的。合理的设计城市及其周边地区的建筑、植被、湖泊等基础组分的分布占比情况，可以有效的减弱热岛效应，同时对于政府规划未来城区建设有很大的参考价值。
·  地表温度模型是一个复杂的混合模型，复杂地表的各种组分成分对温度的贡献程度具有较大的差异性，但地物类型大致由四种组分组成：不透水层、土壤、水体、植被。研究不同组分对于区域内不同占比时与地表温度的关系，能够作为进行城市的生态规划建设较好的理论依据，辅助绿色生态城市规划建设，促进“冷岛效应”，带给市民们更舒适的生活条件。
 
因此，本课题着重研究地表组成成分与其对应占比对地表温度的影响，以不同实验区为研究对象，通过多种方法得到地表组分及其对应比例与地表温度之间的关系，并对研究成果进行分析归纳，并针对多种典型实验样本区合理提出了相关规划建设方案，建立了基于地表温度组分分解的整体化研究流程，能够针对不同城市的绿色生态规划建设提供分析思路和理论参考。

2、研究目标：

·  反演武汉市及其周边地区夏季地表温度
·  研究城市地表主要组成成分，建立地表温度的组分分解模型
·  确立地表温度组分分解模型解算方法，通过不断改进模型，得到更具有可行性、准确性          的建立及解算模型的方法，开发ENVI扩展工具
·  应用高分辨率影像数据在亚像元尺度进行像元叠加嵌套分析，进行模型的精度评价与可行性验证
·  根据实验样本的实际地表组分占比情况，基于统计进行分析归纳后得到地表组分占比与地表温度的相关性分析，根据所得结果进行关于生态城市规划的理论分析
·  以武汉市为例建立完整的分析流程，使该研究流程更具有通用性，能够为中国各城市的规划建设理论依据的获取提供分析思路和研究技术路线

3、主要技术流程：

4、关键技术：

·  单窗算法地表温度反演：

 
·  纯净组分选取以及地表温度组分分解模型的建立：
——选取纯净组分像元
    纯净组分像元的选取在建立模型后进行组分比例的求解时具有关键性作用，因此选择样本时应选择成较大面积聚集分布的组分像元点，防止错误样本点的出现，会影响整体求解结果
               
·  基于IDL编程的实验区样本的模型解算：

    使用拉格朗日乘数法解算带有约束条件的超定方程组，关于模型结算方法的改进过程以及影响解算结果的因素分析详见D1755作品制作过程
 
·  基于GF-2影像面向对象分类的模型验证：
    在对GF-2影像数据进行影像融合，将1m高分辨率的全色波段影像与多光谱影像数据进行彩色融合，便于基于样本的面向对象分类时进行样本的选取，提高分类精度，因此选取控制点时需保证较高精度
 
·  研究成果分析：
——部分典型实验样本区的模型验证结果如图表所示：

——实验区实际地表组分占比与地表平均温度相关性分析部分结果：

 
置信度分析：

5、结论分析：

·  对于所选取的30个实验样本区平均温度进行不同阈值区间进行分段划分，并与其地表各组分平均占比绘制统计饼图，分析二者相关性并得出相应结论

 

·  为了城市的全面发展，不仅需要降低城区温度，提高居民舒适度，又要保证一定的经济使用区占比，保证城市稳定的发展，如何均衡两者的发展，需要在城市建设规划阶段合理设计各种地物占比。因此可以根据城市发展情况以及相应需求，结合所得的实验统计数据以及相应的理论结果，自行进行城市规划方案的设计，举例如下：
方案一（平均温度39.6℃）：

该方案可以用来对工业园区的规划。工业园区需要大面积的建筑，温度相对较高，另一方面，工业园区人口较少，可以合理减少植被覆盖面积扩大水体面积，从而更有效的对该区域进行降温。该方案既保证了较高的经济效益，又有效的降低夏季该地区温度。
方案二（平均温度35.6℃）：

    该方案可以用于对高校的规划设计。学校中建筑大约占比1/5，满足教学需求；另一方面学校所在地大多不临近湖泊河流等地，水体覆盖面积较小，但是可以有人工池塘等地；最后，学校人口密集，较高的植被覆盖度会给学生学习生活带来舒适感，美化校园环境。