1.一种城市热力景观定量描述及多尺度特征分析方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1,获取研究区域Landsat‑8 OLI/TIRS遥感卫星影像数据;
步骤S2,遥感影像数据预处理:对步骤S1获取到的Landsat‑8 OLI/TIRS遥感影像数据进行包括辐射定标、大气校正、几何校正及裁剪在内的预处理;
步骤S3,反演地表温度:对步骤S2经过预处理的遥感影像数据采用经典的辐射传输方程法反演地表温度,得到研究区地表温度数据;
步骤S4,热力景观级别划分:利用随机采样获取植被区域地表温度最高值,再采用均值‑标准差方法制定热力景观分级标准;
步骤S5,景观格局指数的选择:针对研究区域的地理环境和研究需求,从斑块、类别、景观三种水平选取所需的指数,将步骤S4中获取到的热力景观数据代入计算并得到结果,根据结果定量分析城市热岛的空间分布特征;
步骤S6,尺度变化:从空间粒度上对步骤S4获取到的热力景观数据进行粒度变换,从空间幅度上对步骤S4获取到的热力景观数据进行幅度变化;
步骤S7,多尺度特征分析,依据步骤S5所选取的景观格局指数和步骤S6进行的尺度变化,从空间粒度和空间幅度上计算不同粒度和幅度的数据在斑块、类别、景观三种水平的指数结果,根据景观指数表征的城市热岛景观分析指数随空间尺度变化的响应关系,得到城市热岛景观的多尺度特征;
所述步骤S4利用随机采样获取植被区域地表温度最高值,再采用均值‑标准差方法制定热力景观分级标准,具体包括:
对于单波段灰度图像的分类,选取分割区间为地表温度最大值与最小值,将地表温度图像分级划分,并以此反映热力景观类型,分类公式为: 其中,RLST为计算出的温度阈值范围, 为研究区所选植被样本区域的最高温度,SD为地表温度标准差,n为标准差的倍数,依据分类公式将研究区域划分为4种热力景观类型,依次为无热岛Non heat island、弱热岛Weak heat island、热岛Heat island和强热岛Strong heat island,阈值表示如下公式所述:
2.根据权利要求1所述的一种城市热力景观定量描述及多尺度特征分析方法,其特征在于,所述步骤S2遥感影像数据预处理具体包括:借助包括ENVI5.3在内的现有软件,以其他高分辨率卫星影像为参考影像,选取30~40个道路交叉口、河流拐弯和交汇处同名地物点作为控制点,对Landsat 8OLI/TIRS影像中包括热红外波段的所有波段进行两次多项式几何精校正,随后利用ENVI 5.3软件中自带的辐射定标工具和FLAASH工具对各波段进行辐射定标和大气校正,获取经过预处理的数据根据需求将数据进行裁剪以获取到最终的研究区数据。
3.根据权利要求2所述的一种城市热力景观定量描述及多尺度特征分析方法,其特征在于,所述步骤S3利用经典的辐射传输方程法进行地表温度的反演,包括步骤:根据步骤S2获取的研究区预处理数据,首先将研究区的地物类别分为自然表面、城镇、水体三大类,根据归一化植被指数NDVI反演地表比辐射率,水体像元往往为单一的水体,因此考虑自然表面与城镇的地表比辐射率ε,ε计算如公式:ε=PVRVεV+(1‑PV)RXεX+dε式中,PV表示植被覆盖度,RV为植被的温度比率,εV为植被的比辐射率,RX为裸土或者建筑表面的温度比率,εX为裸土或者建筑表面的比辐射率,dε为热辐射相互作用,根据植被覆盖度,估计地物温度比率,植被、裸土、建筑表面温度比率;其次估计大气对地表热辐射的影响,计算卫星传感器所接收到的热红外辐射亮度值:Lλ=[εB(Tsurface)+(1‑ε)Ldown]τ+Lupper,式中,Lλ表示卫星传感器所接收到的热红外辐射亮度;ε表示地表比辐射率;τ表示大气在热红外波段的透过率;
Tsurface表示地表真实温度(K);B(Tsurface)表示温度为Ts的黑体辐射亮度;Lupper和Ldown分别表示大气向上和向下辐射亮度,最后利用普朗克公式1.3获取地表温度Tsruface:Tsurface=K2/[ln(1+K1/B(Tsurface))],式中K1,K2均为常数,可以从对应数据的头文件中获取。
4.根据权利要求3所述的一种城市热力景观定量描述及多尺度特征分析方法,其特征在于,所述步骤S5选取景观格局指数具体包括:运用Fragstats 4.2计算景观格局指数,结合研究区域的景观特点,从斑块、类别、景观三种水平选取所需的指数进行计算,根据指数的结果从面积、密度、形状、聚散性及多样性方面分析城市热力景观的空间分布特征。
5.根据权利要求4所述的一种城市热力景观定量描述及多尺度特征分析方法,其特征在于,从面积、密度、形状、聚散性及多样性五个方面选取最大斑块指数LPI、景观所占斑块面积百分比PLAND、斑块数量NP、斑块密度PD、景观形状指数LSI、聚集度指数AI、蔓延度指数CONTAG、香农多样性指数SHDI。
6.根据权利要求4所述的一种城市热力景观定量描述及多尺度特征分析方法,其特征在于,所述步骤S6根据步骤S4获取到的热力景观数据,从空间粒度上对其进行粒度变换,从空间幅度上对其进行幅度变化,具体包括:研究区域的总面积决定该研究的空间幅度,采用改变空间尺度的景观格局多尺度分析法,以研究区域以30m原始分辨率为起点,按照30m为步长依次将图像重采样至300m,之后按照60m为步长重采样至600m,最后按照120m为步长重采样至960m,完成空间粒度的变换;以
6km为半径的圆作初始区间按3km的步长将研究范围依次扩展至24km,完成空间幅度的变化。
7.根据权利要求6所述的一种城市热力景观定量描述及多尺度特征分析方法,其特征在于,所述步骤S7多尺度特征分析具体包括:沿用步骤S5选取的景观格局指数,从步骤S6获取到完成空间粒度变换和空间幅度变化的数据,在Fragstats 4.2软件中从斑块、类别、景观三种水平计算所选取指数,通过计算不同尺度下的景观格局指数,从而进行城市热岛景观格局的多尺度特征分析。