谈谈遥感图像信息容量及地表热环境关系
第一章绪论
1.1研究背景
1.1.1区域热环境特征
在城市中由于人工地表的不透水性、建筑物高大密集耗能高和交通量大、碳排放高等原因，造城市气候条件与周围非城市区域的巨大差异。这种差异的最显著表现是城市的热环境与周围地区在温度上的差距。同时城市是独自一人口密度大、生活和经济活动强度高的区域，使得温度差更大，所以造成了城市农村地区气候截然不同的城区气候。
区域热环境是指区域内热量分布与热量交换流动，表现为温度的高低与变化。城市热环境受城市规模快速增长下垫面结构与理化性质的异向变化、人类出行方式的改变以及人工建筑热量排放等因素的影响而逐渐恶化热岛现象;及其负面作用对人类活动造成的不利影响变得不可忽视。热岛;是指同一地表区域中的子区域（以城市为主要代表）的气温高比周围区域高的现象，研究中以热岛强度作为衡量标准，热岛强度是通过计算城市区域有代表性的气象点温度与非城市区域的气象点温度的差值来衡量的。
城市化是人类社会的发文明向前发展的过程而城市热岛效应是这个过程所带来的一个不可避免的后果，并随城市化的加快而强度增强。温度分不均带来城市热岛效应因为对城市气候理化性质的改变和对城市生态环境产生多种负面影响进而成为城市热环境系统研究的热点关注问题。由于城市景观的人为痕迹的增加的和城市面积的迅速扩长带来的城市热岛效应己成为学者们研究的焦点。城市化的最显著表现之一就是自然地表向人工地表的转化，使得地表物理特征变化，地表温度的变化是地表理化性质的改变对环境的影响的一个重要方面。地表温度对于研究城市气候至关重要，相对于大气温度而言，由于地表结构复杂和地表多数物质比热容比空气低估而温度的变化更快。热岛效应在日与季节两个时间尺度上都有变化，白天的强度变化小于夜间，在夏天天气较好的无风夜间其强度变化最大。值得注意的是热岛;现象在夏天的出现，还会促使了光化学烟雾的形成、加重污染，给环境来负面影响。
地表温度是地表热量平衡最直观的表现形式，蕴含着地气、海陆之间能量交换的核心信息，同时温度的空间属而饱含了丰富的地学信息。在城市中，因其下垫面性质、复杂的人类活动的、局地小气候的多变，造成地表温度同时受到多种因素作用。地表温度是研究城市热环境的最有效手段之一，其定量反演的结果将对城市生态环境过程、城市生态环境评价和城市规划等方面的研究具有不可忽视的作用。
1.2研究现状
区域地表热环境的研究的主要以地表温度为基础的地表热量分布情况研究和分析地表温度在生态模型中的作用；在城市中其温度的分布不均所造成的不同区域温度场的差异的具体表现就是城市热岛效应了，故而城市热岛效应成为地表温度研究的重要课题之一。
城市热岛效应是首先由英国人Lue Howard用来描述城市中心的温度比郊区高的现象，在《伦敦的气候》中第一次出现热岛效应这个名称。此后，学者们幵始广泛关注城市热岛效应，并对其开展了不同方面的研究。Voogt将城市热岛效应定义为城市景观中如房屋，道路，停车场和其他一些人工设施，因为其材质多为石质或人工材料，这些材料的比热容较小白天能够吸收在吸收相同的太阳福射能量下升温更快，在夜间释放白天储存的热量降温更加迅速，而导致城市与郊区的温度有明显差异。城市热岛效应显著改变了区域地表热环境，也是气候变化的诱因之一。认为热岛效应几乎存在于每个城镇中。乂等在对城镇的各类土地利用类型温度研究中论证了，地表温度的高低与地土地利用类型关于，在同样的能量吸收的前提下地表温度的高度为森林小于交通用地，居住和商业地区等人类活动频繁的地表温度最高；城市热岛效应产生的另外一个重要因素是城市区域地表水分蒸发量大于非城市区域。发现了在夏天白天生态环境的对于热岛效应强度影响很大，特别是那些处于温带大陆气候环境的城市。在城市中不透水面面积的扩大是造成温度快速变化的加剧了热岛效应，认为城市结构与人为热排放也是城市热岛的主要影响因素。
热岛效应的研究主要有两种方法传统地面观测法。该方法是以散布在城区和郊区有限的气象站或人工地面布点观测资料为研究对象，大多使用统计方法和大气相关模型来描述城市气温比郊区气温高的现象遥感监测法。即通过遥感热红外影响来反演地表温度来监测热岛效应，该方法能够的连续、完整性和实时的获取数据、弥补和克服了传统方法的不足既能从宏观上揭示城市热岛的空间分布与变化规律又能从微观层面揭示热岛效应的时空变异特征，比传统方法有更强的理论依据覃志豪利用数据推到出了仅有一个热红外波段的地表温度单窗算法。
第二章研究区概况与方法
2.1研究区概况及数据来源
2.1.1研究区概况
以陕西省关中地区作为研究区域；行政区范围包括西安市13个区县、咸阳市2区10县、渭南市、铜川市、宝鸡市部分地区县。该地区包括平原，丘陵，山地河流等多种地貌类型，地表覆盖类多样：林地，农田，水体，城市人工地面。
陕西省地处我国西北地区，大陆性季风气候全省横跨三个气候带，关中是暖温带半干旱、半湿润气候区差别大该区域植被种类多，地区间植被覆盖状况差别较大，区分度良好。西安市地处关中平原秦岭北麓，暖温带大陆性季风气候，干湿季明显，夏秋多雨，春冬干旱，温度季节较差大。年平均气温为平均降雨量在500-720mm之间，4至8月为雨季集中了全年的降雨。年最低气温在一月份出现中，其平均气温为-0.9-1.7°，7月份为气温最高，各地均温在26°以上，无显著差异。
全省地形多变，地势南北高中间低中部地区以平原为主，间有源地，丘陵多种地貌类，山地以秦岭为主。秦岭是我国天人然的南北分界线秦岭一淮河，总面积20.58万平方公里。陕西省华夏民族的最主要的发样地，历史绵延千年，人文自然资源均十分丰富，是我国西部最为重要的经济地区，西北五省的门户，其中省会城市西安是关中一天水经济区核心，是关大经济区域的经济发展的核心动力区域。该区域处于渭河秦岭之间地势平坦，工农业发达，是重要的粮食和经济作物的产地，同时也是全省经济、政治、文化教育、科技的中心。截至2021年12月陕西共有人口约为3761万人，西安市总人口达到857.63万人，国民生产总值达2780.83亿元，人均分别为26259元人。
2.2研究方法与理论
本文选用实证研究的方法，对所提出的科学问题进行探讨创新。并运用多种数据分析方法力图使结果更具科学性说服力。主要利用遥感地学分析理论、遥感数据挖掘理论，设计实验思路，实验技术上主要利用遥感波段计算相关性分析，地理信息系统空间分析，数理统计方法。
2.2.1遥感地学分析
随着科技的进步与技术的发展，遥感技术也有飞速的进步；航空航天图像成为地球表面研究的一种重要的数据来源。遥感数据急剧增加，多波段，多时像，高分辨率图像为地学研究提供了大量的图像，不仅从空间上拓宽了地学研究大的空间，也从时间序列上扩展了研究的范围，使研究有了更多，更充分，时效性强，精度高的一手数据，研究结果更具先进性，客观性。遥感地学分析的研究重点之一，既是研究时空的转换，利用时间上的差异来分析空间分布的变化，和空间痕迹追溯估算时间序列上的变化的过程如遥感在植被，地质，环境，全球变化等研究上的应用。这些应用不仅对研究自身带了很高的科学价值，也推动了遥感数据分析的发展。
2.2.2遥感数据信息研究方法
目前遥感数据极大丰富，尽管现在人们对信息量需求量十分巨大，但是绝大对数遥感数据还未被利用，现在我们所能利用的数据只有很少一部分，甚至只有1%，所以还有极为可观量的遥感数据有待处理发掘应用，或者是充分利用到。1989年第11届国际联合人工智能学术会议上从数据库中发现知识被定义为：从数据中发现隐含的以前不知道的，具有非凡意义的，潜在有用信息的非凡的过程在遥感信息处理的过程中重新发现的过程叫遥感图像数据挖掘技术。它是将如计算机自动化，数字图像处理，GIS，空间数据分析和人工智等不同领域的技术和方法理论应用在发掘隐含在遥感图像中尚未发现的信息的技术，它是把图像数据挖掘技术应用在遥感领域中，许多新兴领域的技术手段在其中有应用，其中具有代表性的有：空间数据的可视化表述、空间数据库设计管理、多源数据筛选、计算机自动学习。遥感数据挖掘是尚未得到并且急需得到充分研究的一个新领域，也是重要的空间数据挖掘技术研究领域的分支。
第三章遥感数字信息容量模型构建与分析........23
3.1模型构建..........23
3.1.1遥感图像直方图........23
3.1.2遥感数字图像信息容量模型构建.......24
3.1.3信息容量约束区间......25
第四章信息容量与植被指数关系分析..........37
4.1植被指数......38
4.1.1植被指数概述........38
4.1.1植被指数选择.........38
第五章地表热环境空间特征分析.....50
5.1地表温度反演过程........50
5.1.2亮度温度........51
第五章地表热环境空间特征分析
我国正在处于快速的城镇化过程中，城市区域急速扩大，地表景观类型趋于复杂化，其中人工景观数量增加最多。地表覆盖结构多样化，在城区扩大的区域中地表覆盖类型主要由自然地表（未利用地，或农业用地）向城市人工地表转化，故而区域内不透水面面积增加。随着地表类型和空间特征的变化，区域内部地表的理化性质也随之发生了改变，进而使地表的电磁波的辖射发生性质变化，对太阳福射和大气福射的响应特征也产生了变化，地表热环境也相应遍变化。这些变化的因子正式影响遥感与遥感成像质量的主要因子，所以对地表热环境与信息容量之间的关系研究是十分必要的，本章将对这两者之间的关系从不同的角度来探讨。
5.1地表温度反演过程
传统的地表温度测量是根据实际气象站点，通过温度计等工具实际测量的。对于观测值都是以点形式存储的局部温度。对于大面积的二维地表温度表现力较差，同时区域整体温度情况的反应是气象站点的多少来决定的，所以大范围温度的检测需要更多的气象站点来观测。遥感技术可以大范围连续性的获取地表信息，其中热红外成像技术使得快速同步会的大范围区域的地表温度成为可能。遥感获取温度既能保证观测的同步性，又能保证地表温度的空间上的相关性，不破坏地表热力学现实。
第六章结论与展望
6.1研究结论
本文以西安市建成区为周围地区的如山地丘陵和平原等地貌类型区作为研究区，选取质量较好的多种传感器图像，以Landsat 8图像为主要数据。在论述了遥感信息容量模型的构建与约束区间的设置的基础上，通过改变约束区间，论证了信息容量对图像质量的评价，和地表复杂程度的表征能力。以影响地表温度的重要因子之一的植被作为切入点，讨论信息容量与植被指数之间的关系，进而探讨了信息容量与地表温度之间的相关性，取得了以下结论：
1）信息容量模型分析：将约束区间一设置为T1=128，T2=2的情况下对TM与sopt5图像的全色波段，进行退化处理论证了信息容量能够评价图像质量。对与原始数据分辨率更高的图像退化后图像质量仍然高于相同尺度的原始分辨率低的图像。并且通过对经过辐射增强和、大气校正和直方图均衡化的图像的信息容量计算和对比，说明了信息容量能够反映这些图像处理方法对图像质量的提高。约束区间二的信息容量多地表复杂程度有很好的表征。并且认为信息容量对图像的质量和地表复杂程度表征上，两种约束区间有一定的统一性。
2）信息容量与植被之间相关性：通过单因子方差分析法选取了DV1、EV1、NDV1、TNDV1、植被指数和植被盖度，在计算了这六种植被指数的均值与平方差和对应区域的信息容量，通过对信息容量与植被指数之间的回归分析后发现、植被盖度均方差与信息容量之间的趋势拟合效果很好，置信度为时，其确定系数均大于0.84，相关性高于0.93，说明了NDV1和植被盖度有相类似的变化趋势，在多项式拟合下确定指数最高，表征信息容量与这两者之间有很强的相关性。
参考文献（略）