全 文 ：第 26卷第 5期
2006年 5月
生 态 学 报
AC IIA ECOLOGICA SINICA
Vo1．26．No．5
May，2006
基于遥感影像的城市土地利用生态环境效应研究
以城市热环境和植被指数为例
岳文泽 ，徐建华 ’，徐丽华
(1．浙江大学东南土地管理学院，杭hi 310029；2．华东师范大学地理系，上海 200062；3．浙江林学院，临安 311300)
摘要：城市化过程中，农村的土壤、水面以及植被等土地覆被类型逐渐减少，取而代之的是由沥青、水泥以及金属等组成的不透
水表面，这个过程导致地表水分蒸腾减少 、径流加速、显热的存储和传输增加以及水质降低等一系列生态环境效应，其中最明显
的两个特征就是土地覆被的植被减少、城市热岛的出现。而城市土地利用类型及其空间结构的生态环境效应同时又是城市生
态学中的关键问题 ，其研究对优化城市功能分区和城市规划管理以及城市可持续发展等都具有重要意义。以上海市为例 ，采用
Landsat7的 ETM+为基本数据源，首先定量反演了每个像元内的陆地表面温度(I_ST)和植被指数(NDVI)，然后利用 GIS中的空间
分析功能，将由于城市土地覆被所形成的生态环境效应综合到土地利用的图斑中来 ，按照这个思路对城市土地利用的生态环境
效应进行研究。分析 LST、NDVI在不同土地利用类型之间的差异以及二者之间的定量关系，并引入多样性指数(SHDI)，讨论 了
不同土地利用的空间组合下，I_ST和 NDVI的空间差异及相互关系。研究结果显示：I_ST和 NDVI具有明显的相关性，I_ST大的区
域对应 NDVI一般都较小 ，反之亦然；中心城市 I_ST表现出热岛效应，而 NDVI则为低谷效应。通过 Tamhanee 3"2 post—h0c多重比
较发现，LST以及 NDVI在两两土地利用类型之间的差异不同。从土地利用斑块和类型两种尺度水平上建立了 I_ST和 NDVI的
定量关系，二者具有明显负相关的线性关系，但在不同土地利用类型3=-者关系并不同。其中工业仓储、交通用地与公园绿地、
农业 用地差异最为显著 。它们 和 SHDI之间的关系揭示 ，I_ST与土地 利用多 样性具有 正相关 关系 ，而 NDVI则 与 SHDI呈 负相关
关系 ，SHDI越大 的地 区 ，I_ST越大 ，而 NDVI越小。 由此 ，可 以将 I_ST、NDVI和 SHDI作为三 个基本 指标 ，来定 量评价 城市土地 利
用类型、结构对生态环境的影响，以此作为城市功能分区中生态环境影响评价的参考。也为高性价比的中等分辨率遥感数据与
GIS空间分析方法结合在城市规划中的应用提供了一种新的思路。
关键词：陆地表面温度；植被指数 ；城市土地利用；生态环境效应
文章编号：1000．0933(2006)05．1450．11 中图分类号：P463．3，Q143，F301．24；X171．1 文献标识码：A
An analysis on eco-environmental effect of urban land use based on remote sensing
images：a case study of urban thermal environm ent and NDVI
YUE Wen—Ze ，XU Jian—Hua2 ，XU Li—Hua (1
． So 7舢 t nd le眦，蚴 ，lg ，舶 如Ⅱ310029， M ；2．
Department ofGeography，East China Normal Unive~ity，Shangha~200062，China；3．Zhejiang Forest University，LinAn，311300，China)．Acta Ecologlca
Sinica，2006，26(5)：1450—1460．
Abstract：In urbanization process，greater consideration of the manner in which rural lands are developed for urban lands wil
become progressively more important．Removal of rural land cover types such as soil，water，and vegetation and their replacement
with common urban materials such as asphalt，concrete，and metal have significant environmental implications including reduction
in evapotranspiration，promotion of more rapid surface runof，increased storage and transfer of sensible heat，and reduction of air
and water quality．Thermal environment and vegetation cover are two important factors for urban eco—environment．
基金项目：国家自然科学基金资助项目(40371092)
收稿 日期 ：2005．07．08：修订 日期 ：2006。02．22
作者简介：岳文泽(1977 )，男，安徽风台人，博士 ，主要从事景观生态与GIS研究．E．mail：yuewenze@163．com
*通讯作者：Coresponding author．E-mail：jbxu@geo．G~nu．edu．cn
Foundation item：The project was supported by National Natural Science Foundation of China(No．40371092)
Received da te ：2005—07-08：Accepted da te ：2006-02 —22
Biography：YUE Wen-Ze，Ph．D．，mainly engaged in landscape ecology and GIS．E-mail：yu~ enze@163．tom
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5期 岳文泽 等：基于遥感影像的城市土地利用生态环境效应研究
Land Surface Temperature(LST)and Normalized Diference Vegetation Index(NDVI)associated with urban land use type
and land use patern are discussed in this paper，using the data collected by the I．andsat7 Enhanced Thematic Mapper Plus(ETM
+)and aerial photography remote sensing system in the city of Shanghai．Analysis of variance indicates statistically signifcant
diferences in mean I．ST and NDVI values．Mean LST and NDVI values associated with diferent land use type s are signifcantly
diferent．Th ere is an apparent correlativity between LST and NDVI from the profile line values of the two factors．Multiple
comparisons of mean LST and NDVI values associated with pairings of each land use type by Tamhane’S T2 pest—hoc tests are also
shown to he signifcantly diferent．Th e result of a regressive analysis shows a significant inverse correlation relationship between
LST and NDVI associated with all land use polygons，the same associated with each land type ， but correlation coefficients
associated with land use type s are diferent．Th en an analysis was pe rform ed about the relationship among I．ST，NDVI and Shannon
Diversity Index(SHDI)，which shows a positive correlation between LST and SHDI and a negative correlation between NDVI and
SHDI．As the SHDI continue to increase，it’S more sensitive of LST cha nge on the influence of NDVI．
According to the abo ve results，LST， SHDI and NDVI can be considered to be three basic indices to reflect urban eco．
environmental effect of urban land use／cover and to contribute to fuaher validation of the applicability of relatively low cost，
moderate spatial resolution satelite imagery(TM or ETM+)in evaluating environmental impacts of urban land function zoning．
then to examine the impact of urban land use／cover on the urban eco—environment in the city of Shangha i，China ．And this pape r
also provides an effective tool in evaluating environmental infl uences of zoning in urban ecosystems with remote sensing and
geographic information system． As higher resolution remote sensing imagery be comes more commonly available，the methods
presented in this research could be extended to more spe cific urban design considerations that impact the thermal and vegetation
components of urban ecosystems at finer spatial scales．
Key words：land SUrface tempe rature；NDVI，urban land use，eco—environmental efect
城市是人 口与产业集聚的空间载体 ，伴随着规模的扩大和产业结构 的变化 ，内部功能逐步趋于分化 ，科学
划分城市功能分区，是促进区域与城市经济现代化的重要内容 ¨。城市功能分区一般都是从土地利用角度进
行的，当前城市功能分区基本上都是不同土地利用类型所产生的经济效益、社会文化效益以及生态环境效益
相互博弈中效益最大化的结果 。因此对于城市土地利用功能分 区的合理性评价必须综合考虑上述 3个方 面
的内容，目前对于城市土地利用类型的经济和社会效益研究成果较多，而对其生态环境评价相关的研究还不
多见 · 。
随着城市化进程不断加速，对由农村土地利用方式转变为城市土地利用方式所形成的生态环境效应的研
究显得愈加重要 。在这个过程中，农村的土壤、水面以及植被等土地覆被类型逐渐减少，取而代之的是由沥
青、水泥以及金属等组成 的不透水表面，这个过程导致地表水分蒸腾减少 、径流加速 、显热的存储和传输增加
以及水质降低等一系列生态环境效应 。同时这些自然过程一般很难通过现场仪器监测，而星载仪器则可以
通过提供高空间和时间分辨率的定量物理数据，能很好地对环境效应进行定量的监测与分析。在所有的城市
化的环境效应中，热环境得到较为广泛的关注。城市热环境是城市环境中重要的代表指标之一，它受到地表
的物理性质和人类社会经济活动的共 同影响，是城市生态环境状况的综合概括与体现。植被是城市生态系统
中另外一个重要的组成成分。城市植被通过选择性吸收和反射太阳辐射能以及调节潜热和显热的交换，调节
城市空气，降低污染等影响着城市的各种自然环境过程 ～ ，成为城市生态环境评价的另外一个高度综合指
标。城市 中植被的空间分布和丰富度两项指标 ，一直被认为对城市生态环境演变具有重要影响作用 。
显然 ，城市化的生态环境效应主要直接与城市地表覆被变化相互作用 ，相对于城市土地利用并没有直接
的联系，而现实应用中，城市分区一般都按功能进行划分的。这样就需要将城市地表覆被产生的生态环境效
应与城市土地利用类型结合起来。Wilson等人在2003年首先利用遥感影像上提取的地面亮温与植被指数及
其关系对城市功能分区的合理性进行了评价研究，考虑到城市功能分区的影响因素较多，特别是城市规划的
影响，而对土地利用的评价则相对合理。本文就是在借鉴 Wilson等人研究思路的基础上，利用遥感反演城市
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地表覆被的生态环境指标，再利用空间分析方法将其与土地利用结合起来，来获取土地利用类型区及其空间
组合下的生态环境状况，这是一种改进后的思路n。。。当然，生态环境效应包括很多内容，本文的另一个出发
点是尝试探讨高性价比的中等分辨率的遥感影像与GIS空间分析结合在城市生态评价与城市规划中的应用
思路，因此只是选择了地表温度和植被指数两个直接可以从遥感影像上定量获取的生态环境指标。
上海是目前中国最大的城市之一，浦东开放以来 ，城市面貌发生了翻天覆地的变化。10多年来大规模的
旧城改造和城市基础设施建设，对城市生态环境演变以及今天的生态环境格局的形成都具有深远影响。本文
选择上海市为研究区域，并以旧城改造的高峰期．2000年为例(基础数据为2000年 6月 14日Landsat7ETM+影
像)，因此，具有很强的代表性。
1 技术与方法
1．1 城市土地利用类型划分
土地利用是从功能的角度来划分类型的。结合上海市土地利用现状和服务功能的差异将土地利用类型
划分为工业仓储、交通运输、商业与服务、居住、公园绿地、农业、水面、大学、CBD以及未利用和在建用地 10种
类型。其中商业和服务用地，包括各种商业设施、行政办公、文化娱乐等；居住用地包括老式住宅、新式住宅、
别墅以及农村居民点等。在杨浦区(新江湾城)以及在宝山区各有一个废弃机场，对应影像上植被覆盖很高，
本文将其作为城市绿地看待。土地利用数据是通过 2000年的彩色航空影像人工数字化获取的。
1．2 NDVI计算
城市热环境与植被覆被所引起的地表蒸腾减少是相关的，近来研究表明 NDVI是表征植被覆盖状况和陆
地辐射温度很好的指标lj 。利用大气校正软件对辐射定标后的 ETM+反射率影像进行校正 ，得到 3、4波段
的地表反射率，然后利用下面公式求得 NDVI。
NDVI： 二 f1)
104+ 103
式中，P，为 ETM+影像 的红色波段(0．63—0．69tm)反射率 ，P 为近红外波段 (0．63—0．69tm)反射率 “ 。
1．3 陆地表面温度计算
1．3．1 地表温度反演公式 地表温度是地表能量交换 的核心信息 ，它直接影 响着大气 、海洋 、陆地之 间的显
热和潜热交换。地表温度是环境温度的主体，是城市热岛的基本体现，本文利用地表温度代表城市热环境强
度。为计算地表温度，首先将预处理后的 ETM+热红外波段影像的 DN值转化为行星反射值，公式为：
L^ =gain×DN+offset (2)
式中， 为传感器获取的辐射值，gain为卫星的增益系数，ofset为偏移系数，这两个系数可以在原始影
像的头文件中获取u 。通过下式将 转化为辐射亮温：
Te：K2／(In(K ／ +1)) (3)
这里 为辐射亮温( )， 、 ：为标定常数 ，一般取 K．=666．09，K：：1282．71，L 为公式(2)得到的辐
射值 。
辐射亮温是假定地球为黑体的条件下求得 的，不能很好的反映地面不同覆盖状况 的差异 ，可 以进一步利
用不同地物的比辐射率(e)将辐射亮温反演为陆地表面温度 ，转化公式如下 ：
71
LST 瓜 (4)
式中 ， 为发射辐射的波长 ，一般取热红外波段的平均值 =11．5tm；P=h×c／a(1．438×10 mK)， 为
Boltzmann常数(1．38×10 J／K)，h为 Planck常数(6．626×10 Js)，c为光速 (2．998×10 m／s)[12 3。
1．3．2 比辐射率的测定 由于城市下垫面非常复杂，ETM+第六波段60m分辨率的像元大多数为混合像元，
对应的一个像元包含多种材料，因此对于中等分辨率的 ETM+影像而言，比辐射率 e是高度复杂、难以确定
的。因此，一般都采用间接方法来获取 e。根据 Weng等人研究，e与植被覆盖情况具有很好的响应关系，并
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5期 岳文泽 等：基于遥感影像的城市土地利用生态环境效应研究 l453
给出了一个经验值。通常情况下，粗略认为植被覆盖的地表 ￡=O．95，无植被覆盖的地表 ￡=0．92n 。显然对
于地表类型复杂多样的上海市区，这种方法过于简单。
Van通过实地测量一系列自然地表的热红外(8—14／．tm)比辐射率和 NDVI后发现，经过对数转换以后，它
们之间具有 良好 的相关性 ，其相关系数为 0．94，并提 出如下经验公式 ¨：
￡= 1．0094+0．047ln(NDVI) (5)
根据 Van 的经验公式，NDVI较高的地表比辐射率相应较高，裸土的NDVI低，相应比辐射率也较低。这在
一 定程度上反映地表比辐射率的变化规律。但是 Van的经验公式是在自然地表上总结出来的，要求 NDVI的
值介于 0．157～0．727之间，对于城市而言，很多小于 0．157的像元，主要是城市水泥、沥青路面或屋顶，根据宫
阿都等人的研究，将其比辐射率定为O．923n 。而水面，根据相关研究将其比辐射率定为 O．9925【26]。将 NDVI和
预处理后的上海市 2000年6月 14日ETM+6代人上述公式(4和5)，在ERDAS中建模，计算得到了地面温度。
1．4 多样性指数
对于不同土地利用类型的空间结构特征，引入景观多样性指数进行表征。多样性指数是基于信息论基础
之上 ，对不同类型丰富度和复杂度的反映。参考 Shannon．Wiener指数 ，可以表示为 ¨：
SHDI=一∑P ×log2 P (6)
i= l
式中，SHDI为Shannon多样性指数，P 是类型i所占的面积比例，m为类型数目。多样性大小取决于两个
因素 ：类型数和面积组合的均匀度 ，所以多样性指数是类型丰富度和组合复杂度的综合体现。
2 结果与讨论
2．1 LST与 NDVI计算结果与剖面变化 的对 比分析
为了更好 的理解 LST与 NDVI空间分布的对 比情况，图 1提供了上海市城市热环境和植被覆盖的遥感反
演以及计算结果 。图上显示 ，二者具有显著相反 的空间格 局，对于 LST，城市 中心区要远远高于城市边缘 区，
而NDVI则是城市边缘区要明显高于城市中心区。对于城市建筑，LST对应高值，NDVI则为低值。而对于农
业用地、公园绿地，则 NDVI表现为高值，LST则为低值。不过对应于水面则是一个特例，二者都是低值。从二
者的空间格局图上可 以看 出，LST与 NDVI在空间变化上总体上具有相反的趋势。
植被指数
NDⅥ
图 1 研究区域内 LST与 NDVI的空间格局(直线代表南北和东西方向的剖面线)
Fig．1 Land su／face temperature and Normalized difference vegetation index image of study region
地表温度
LST(K)
为了揭示 LST和 NDVI在不同方向上变化趋势的差异，分别提取 LST和 NDVI在东西和南北方向上的每
一 个像元的值，将这些值连起来就得到了不同剖面的剖面线，结果分别如图2和 3所示。
m 拼
[= 圈■■●■■
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5期 岳文泽 等：基于遥感影像的城市土地利用生态环境效应研究
从图2和 3可以看出，不论是东西方向，还是南北方向，LST和 NDVI的值都具有明显相反的变化趋势。
宏观上，对于 I．ST，在城市中央，形成一个高值区，也就是城市热岛的范围，结果说明上海市夏季具有明显的热
岛效应。这个区间恰好是 NDVI的低值区，形成低谷效应。在微观上，LST的高值“山峰”恰好对应 NDVI的低
值“山谷”，例如东西方向上的长风公园、人民广场绿地都具有这个特征，由此可以说明对于 I．ST和 NDVI来
说，植被越丰富的区域也就是二者对比越强烈的区域。对于水体来说是个例外，因为二者都是低值区，两个方
向上，当经过黄浦江水面时，I．ST和 NDVI都是“低谷”。相对于城市中心，I．ST、NDVI都表现为，东西方向的对
称性明显好 于南北方向。
2．2 I_ST与 NDVI的统计分析与 多重比较
(1)基于土地利用类型的统计分析 为了深入了解 I．ST、NDVI在不同土地类型上分布特征，每一种土地
利用类型上热环境和绿色覆被特征及其差异必须要了解。这里通过土地类型矢量图与 I．ST、NDVI栅格图的
叠加，利用GIS空间分析中的“Zonal Summary”操作，研究热环境与植被在土地利用类型上分布特征。图4就是
LST和 NDVI对应于每一种土地利用类型的中心分布(对应区域像元均值)。
图4反映了对应于不同的土地利用类型，I．ST与NDVI的平均值，误差线代表：±1标准差。工业用地由于
大量人 为热的释放 以及缺乏绿色植被而对应最高的 LST；商业，公共服务用地 以及 CBD也具有较高的 LST，它
们与工业仓储用地一起形成了城市热岛的主体。同时在公园绿地类型上由于主要以树林、草地以及其它植被
类型为主导，对应最大的 NDVI均值。因为较高的植被覆盖表明一个较高的水分蒸发与蒸腾率，有利于地表
和大气中潜热和感热的交换。但是平均 LST最低值并没有出现在公园绿地，也不是水面上。它反而出现在农
业用地上。这主要是因为所有的公园绿地以及大部分水体都散布在城市内部，受城市热岛效应的影响要高于
城市外 围的农业用地 。同时，主要分布在郊 区的农业用地类型单一，受城市热岛效应影 响较小使它具有最低
的 LST。对于 NDVI来说，缺乏植被的土地类型和水体往往具有较低的值，在大学和未利用以及在建用地中，
植被分布相对较多，值也较高。
图4 每一种土地利用类型所对应的LST和NDVI均值及标准差的分布
Fig．4 Mean values an d standard deviation of LST and NDVI associated with land use type
(2)多重比较分析 从图4可以清楚看到对应于不同的土地利用类型上平均LST和 NDVI具有明显差异。
但是它没有提供足够的信息说明土地利用类型两两之间差异的显著程度。为了深入了解 I．ST和 NDVI在任
意两种土地类型间的差异状况 ，采用 Tamhance T2 post．hoc多重 比较来揭示 I．ST和 NDVI在土地类型上的差异
显著度。其原理是对任意两种土地类型上 LST和 NDVI均值差进行多重比较，得到两两之间统计对象差异的
显著程度。Tamhane T2检验和学生T检验比较类似，但 Tamhane T2检验可以通过调节样本的大小和检验的次
数来减少犯第一类错误的概率，该检验方法比较适合样本大小不等的情况 ¨。
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* 均僵差在 0．0001的置信 厦水平 上是显著的 The mean diffemlce is啦 8nt at the 0．0001 level
表 1和2分别是对 LST和 NDVI在两两土地类型之间均值差的 post—hoc检验结果。带有 *标记的表明对
于给定的两种类型上均值差在 a=0．0001的置信水平上，具有统计意义的显著差异。在所有类型的45个组
合中，对于 LST来说有29对之间表现为显著差异；对于 NDVI则有 34对。对于 LST，16对差异不显著，例如大
学与工业仓储、CBD与工业仓储以及农业与交通运输等。相似的，对于NDVI，工业仓储与交通运输、大学与
CBD等差异都不显著。因为工业仓储、CBD、交通运输和居住用地的地表材料主要都是由沥青、水泥以及金属
等不透水材料构成，所以上述土地类型具有差异较小的地面比辐射率，这导致它们之间 LST和 NDVI的差异
都不显著。除了交通运输外，农业用地对应的 LST与其它所有类型的差异都是显著的。可以看出，农业、公园
绿地等类型由于下垫面性质差异与不透水材料为主的类型对热辐射的敏感程度具有显著差异，对城市热岛具
有明显的降温作用。同时，除了公园绿地外，农业用地的 NDVI与其它所有类型差异都是显著的。然而由于城
市热岛作用，公园绿地与农业的 LST具有显著差异。其原因是，城市地表温度除了受到下垫面性质(土地类
型)影响外，还会受到各种下垫面类型的空间分布和数量组合(土地利用格局)差异的影响。
2．3 基于土地利用的 LST与 NDVI定量关系分析
有许多文献讨论了城市地表温度和 NDVI的关系，例如 等研究发现，在美国的亨特维尔市，对于居住、
农业以及交通运输用地来说 NDVI与辐射亮温具有强的负相关关系，说明不同土地利用类型的长波辐射受地
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5期 岳文泽 等 ：基于遥感 影像 的城市土地利用生 态环境效应研究
表植被覆盖程度影 响较大⋯J。此外，大量研究发现 ，水
体具有特殊性，温度与 NDVI具有正的相关关系。因此
在从土地利用斑块 的尺度水平上研究温度与植被 的关
系时将水面分开对于结果无疑具有重要意义 。¨’“· j。
图5显示的是对水面进行掩膜处理后，各个土地利用斑
块内 LST与 NDVI的二 维散点 图以及线 性 回归结 果。
结果表明 ，对于土地利用斑块来说 ，LST和 NDVI具有显
著的负相关关系，相关系数在 0．01置信水平上是显著
的。对于土地利用来说，植被覆盖程度越高，将导致更
高的蒸腾率，同时加速陆地表面和大 层之间的潜热与 图
5 斑块水平上 Lsr和 NDvI均值的散点图和回归分析结果
显热的交换，而具有较低的地表温度 。 Fig
．5 sc t pl0t li ear gre i。 0f M— Lsr蚰d NDvI by ev叫 land
此外 ，从 土地 利用类 型水平 上 ，考察 了除水 面 外 鼬
LST与 NDVI的定量关 系，结果如表 3所示。其 中 y为 LST，X为 NDVI，Pearson相关 系数 以及显著度 系数
(sig．)也列出。回归函数中一次项系数最大的是农业用地 ，最小的是居住用地。也就是说随着 NDVI增加 ，农
业用地的地表温度降低最慢，而居住用地温度降低最快，随着植被覆盖的变化，城市居住用地的地表温度要远
比农业用地敏感。所有回归结果的相关系数检验发现，除了大学类型在 0．05置信水平上显著，其它的都是在
0．0l水平上显著。
表 3 基于土地利用类型的 LST与 NDVI的回归分析结果
Table 3 Linear re onsforthe relationship between LST and NDVI byland lIsetypes
** 在 0．O1的置信厦水 平上相关性是 显著 的 Corelation is signifcant at the 0．01 level(2-tailea)； 在 o．05的置信厦水 平上相关性是 显著 的
Correlation is significant at the 0．05 level(2-tailed)
基于土地利用的回归分析结果显示 ，不论是斑块水平 ，还是类型水平上 ，LST和 NDVI都具有显著 的负相
关关系。通过对回归函数系数的比较，揭示了居住 、工业仓储 、CBD、商业和公共服务以及交通运输的温度受
植被状况的影响与其它类型相比更剧烈，这样分布于这些土地利用类型周围的公园绿地对于减缓城市热岛效
应、改善城市热环境状况无疑更有效。
2．4 土地利用格局对 I_ST和 NDVI的影响
上文揭示 LST、NDVI与城市土地利用类型具有密切关系；不同类型上 LST与植被覆盖程度具有显著的负
相关关系。但是根据回归分析的结果，增加相同的植被覆盖量，对于城市中心居住用地和外围农业用地对地
表温度的影响差异明显，也就是说不同土地利用类型的空间分布和数量组合，也导致 LST和 NDVI存在差异。
而多样性指数是一定空间范围内土地利用类型和面积组合状况的指标 ，因此 ，SHDI被认 为是描述类型丰富度
和组分复杂性的综合格局指标。另据我们对上海城区的研究，SHDI与人类活动强度具有较大相关性，一般情
况下，人类活动强度越大，土地利用类型越复杂，破碎度越大，多样性就越大 。上海外环以外地区主要以农
业用地为主，类型单一，因此，选择外环以内的区域来研究土地利用多样性格局对 LST、NDVI及其关系的影
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1458 生 态 学 报 26卷
响 。
多样性指数须在一定空间范围内计算，为了衡量不同区域土地利用格局对 LST、NDVI及其关系的影响，
选用 lkm X 1km移动窗口与土地利用、LST、NDVI图层叠置，计算移动窗内的SHDI、并提取平均 LST和NDVI的
值，然后将移动窗作为基本空间样本(共 649个)，研究它们之间的关系。
在 lkm幅度内提取的平均 LST、NDVI以及计算的 SHDI空间分布格局如图6，图中给出了上海市的内外环
线，白色河流为黄浦江。上海浦东从 20世纪 90年代才开始大规模开发，目前在内外环之间仍然保存有大量
的农业用地。因此就外环以内区域看，城市规模空间分布具有不对称性。作为新城区，浦东新区在土地利用
多样性方面与浦西有很大差别 j。
从图 6的 LST图中可以看出，城市热岛中的高温区主要分布在浦西地区，特别是城市中心的一些老式住
宅区、CBD以及北部和西部的工业区上。而在浦东新 区，除了沿着黄浦江的几个窗 口温度较高外 ，其余区域温
度都很低。NDVI的分布则基本与 LST相反，高值主要分布在浦东的内外环之间和浦西西北、西南靠近外环线
的地方、还有城市内部的公园绿地 ，例如新江湾城、徐家汇等。而 SHDI的空 间分布与二者具有 明显 的差异 ，
SHDI高值窗口主要分布在两个区域，一个是 CBD的附近，另外一个是在东部、西南部内外环线之间的区域。
前者 由于具有最高的地价导致土地斑块破碎度较大 ；后者则由于处于城市扩展的前缘 ，类型较复杂所致 。
N
A
图例 Legend 口 内环线Inner ring road l黄浦江 HuangpuRiver 口 外环线 Outline road
地表温度 LST(K)
296．5-297．2 ● 300．1-300．6
_ 297-3～297．9 ● 300．7～301．3
黼 298．0-298．6 ● 301．4～302．0
● 298．7~299．3 ● 302．1-302．7
● 299．4~300．0 ● 302．8-303．4
植被指数 NDVI
- 0．25～一0．19
程珏 一0．18～一0．13
穑嚣 一0．12～一0．07
● -0．06～一0．02
● -0．01～一0．04
多样性指数 SI-IDI
¨¨ 0．06～ 0．16 ● 0．60～0．69
0．17～0．27 ● 0．70～0．80
觥 0．28～0-38 ● 0．81～0．91
● 0-39～0．48 ● 0．92～ 1．01
● 0．49～0．59 ● 1．02～ 1．12
图 6 外环线 内基于 lkm×1km移动窗的 LST、NDVI和 SHDI的空间分布格局
Fig．6 Spatial pattern of mean LST，NDVI and SHDI by 1×lkm moving windows within outline road
为了定量揭示 SHDI对 LST和 NDVI的影响 ，分别进行相关分析 。结果如表 4。可见在 1km幅度移动窗
内，SHDI与 LST具有较强的正相关，相关系数为0．5839，在0．01的置信度水平上是显著的，说明 LST不仅受土
地类型本身的影响，同时受到其空间组合影响，在不考虑其它因素下，这种影响是正 向的 ，即多样性越大 ，LST
越高；对于SHDI与 NDVI则存在负相关，说明 SHDI对 NDVI的影响是反向的。二者的相关系数为 一0．3555，
虽然在 0．01的置信度水平上也是显著的，但是显著度明显不如前者高。可见，受到人类活动影响不同，SHDI
增加的区域，植被覆盖度下降，地表温度上升。
但随着多样性变化，LST与 NDVI之间的关系是怎样的呢。对 SHDI按 4分位数法分类，然后在每一类上
建立 LST和 NDVI的线性回归模型，分析 LST和 NDVI的关系在不同多样性条件下的变化特征，结果如表 5所
示，所有相关系数在 0．01置信水平上都是高度显著的。
按照分位数原理，4类样本数应为总样本数的1／4，但是考虑到水面的特殊性，将包含水面的窗口去除，这
样四类的样本数有所差异。从表 5可以看出，对于不同大小的多样性指数，LST和NDVI都具有显著的负相关
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5期 岳文泽 等：基于遥感影像的城市土地利用生态环境效应研究 l459
关系。虽然 4类 回归结果的差异性并不大 ，但是规律
性明显：回归函数的常数项体现了不同多样性水平上
I．ST的本底值，发现随着多样性增加，常数项是单调
增加，说明了多样性对 I_ST贡献是正向的，在城市区
域多样性越高的区域一般对应的人类活动强度也较
大，I_ST基本水平也相应越高。而一次项系数决定了
地表温度对地表植被覆盖变化 的敏感程度 ，从表中可
见，系数绝对值单调减小，说明了在多样性越大的区
域地表温度对植被覆盖变化的响应较弱 。
3 结论
本文基于 ETM+遥感数据和 GIS空间分析方法，
首先分析了 LST和 NDVI的空间格局 ，发现上海市地
表温度具有 明显 中心 城 区高，郊 区低 的热 岛效应存
在 ，而对于 NDVI除了在个别公园绿地较大外 ，在城市
中心值总体偏小 ，城市植被覆盖度较低 ，在空 间变化
上与 LST具有相反的趋势 。
表 4 基于 lima移动窗的SHDI与 LST、NDVI之间的相关分析
Table 4 Correlation coefficients between SHDI and LST or NDVI by
竺 ：
相关系数检验 Corelation coeficient test
** 在 0．01的置信度水平上相关性是显著的 Correlati0n is
signifcant at the 0．01 level(2-tailed)
表 5 在不同多样性上LST与 NDVI的回归结果
Table 5 Linear 掣re Ons of Mean LST and NDVI by diferent SHDI
四分 数 回J月函数 样S
a
本
m p
数
le C
相
or
关
rel
系
ati
数
on R2
Quartil Regre i functi0n8
nuI|lber c。emcient
“
对于不同土地利用类型研究发现 ，在城市生态系统 内不同土地利用类型上陆地表面温度和植被指数具有
显著性差异 ，两两之 间的多重比较揭示 ，LST和 NDVI在大多数土地利用类型之间的差异是显著 的，其 中工业
仓储 、交通用地与工业绿地 、农业用地差异最为显著。对研究区内，就全部 土地利用斑块 ，平均 I_ST和 NDVI
之间存在一种显著的负相关关系。对于各种土地利用类型，这种相关关系也是存在的，其 中某些土地类型内，
相关系数的显著性要高于总体斑块水平上 的，这些结果反应 了城市不 同土地类型所产生 的生态环境效应 的
差异。
通过 1km的移动窗 ，进一步分析了城市 I_ST以及 NDVI对各种土地类 型的组合分布情况的关系。结果揭
示在 1km的移动窗的尺度上 ，I_ST与 SHDI具有显著 的正相关关系，土地利用的多样性 越高，I_ST值越大 。而
NDVI则与 SHDI呈负相关关系 ，只是相关性要明显弱于 SHDI与 I_ST之间的关 系。SHDI越大的地 区，I_ST越
大，而 NDVI越小 。
由此 ，可以将 I_ST、NDVI和 SHDI作为 3个基本指标 ，来定量评价城市土地利用结构及其对生态环境的影
响，以此作为城市功能分区生态环境影响评价的参考。另外 目前将遥感影像作为数据源，GIS作为手段已经
广泛应用到资源、环境等各个领域，但在城市规划中的应用还十分有限，且主要利用航空影像或者高分辨率的
航天影像提取城市土地利用边界，而使用高性价比中等分辨率的 ETM+影像在城市规划中的应用则更少。
从本文的研究，利用 ETM+数据将为城市规划中生态环境评价提供像元尺度上的定量指标，要比传统的行政
区统计数据精度大大提高，利用 GIS空间分析将城市土地覆被产生的生态环境效应和土地利用与覆被融合起
来，从数据提取和研究思路两个方面都为遥感、GIS在城市生态环境评价和城市规划中的应用提供了有益借
鉴。所以，可以看出，中等分辨率的遥感数据和 GIS空间分析方法在城市规划中应用具有广阔的应用前景。
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