基于遙感影像的城市熱島效應(yīng)分析

許兆軍，胡娟

(1.湖南省遙感中心，湖南長沙 410007； 2.湖南省國土資源規(guī)劃院，湖南長沙 410007)

基于遙感影像的城市熱島效應(yīng)分析

許兆軍1?，胡娟2

(1.湖南省遙感中心，湖南長沙 410007； 2.湖南省國土資源規(guī)劃院，湖南長沙 410007)

以婁底市區(qū)為例，基于LandSat5 TM定量反演了城市亮度溫度，采用Quick Bird數(shù)據(jù)解譯了城市綠化現(xiàn)狀，通過研究亮度溫度與綠化覆蓋率的關(guān)系，對城市綠化規(guī)劃布局進(jìn)行了探討。研究表明:婁底市城區(qū)熱島效應(yīng)顯著，熱島中心主要分布在舊城區(qū)，最高溫度為30.78℃；城市亮度溫度與綠化覆蓋率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為－0.9，通過提高城市綠化率等方法可以有效緩解城市熱島效應(yīng)；城市綠地系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)婁底城市熱場分布的特點，有重點、有針對性地進(jìn)行規(guī)劃布局，建立完善的城市綠地系統(tǒng)是改善城市熱環(huán)境的根本保證。

熱島效應(yīng)；亮度溫度；綠化覆蓋率；綠地系統(tǒng)規(guī)劃；婁底市

1 引 言

城市熱島效應(yīng)也稱“大氣熱污染現(xiàn)象”，是城市化的發(fā)展導(dǎo)致城市中的氣溫高于外圍郊區(qū)的現(xiàn)象。在氣象學(xué)近地面大氣等溫線圖上，郊外的廣闊地區(qū)氣溫變化很小，如同一個平靜的海面，而城區(qū)則是一個明顯的高溫區(qū)，如同突出海面的島嶼。由于這種島嶼代表著高溫的城市區(qū)域，所以就被形象地稱為“城市熱島”[1]。其成因在于人類對原有自然下墊面的人為改造并以城區(qū)溫度明顯增高為主要標(biāo)志。它的出現(xiàn)加強(qiáng)了城市夏季高溫的酷熱程度，同時還伴隨有植被覆蓋空洞、城市干島、城市霾島等現(xiàn)象，影響城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

由于遙感技術(shù)具有快速、全方位地獲取不同空間分辨率、多光譜信息的特征，已成為對城市熱島效應(yīng)影響因素的監(jiān)測與分析的有效手段。在已有的相關(guān)研究——土地覆蓋變化狀況和城市熱島的關(guān)系[3～5]，或城市下墊面與城市熱島的關(guān)系[6～10]中，絕大多數(shù)都是利用TM影像研究大區(qū)域內(nèi)城市熱島與NDVI(標(biāo)準(zhǔn)差異植被指數(shù))的關(guān)系。關(guān)于城區(qū)內(nèi)城市熱島與城市綠化覆蓋率的關(guān)系，以及城市熱島對城市綠化布局的影響很少有專門的研究。本文采用兩種遙感影像，分別用TM影像反演了城市地表亮度溫度，用Quick Bird影像解譯了城市綠化覆蓋情況，通過研究分析亮度溫度與綠化覆蓋率的關(guān)系，對城市綠化的規(guī)劃布局進(jìn)行了探討。

2 城市概況及數(shù)據(jù)源選擇

婁底市城區(qū)位于湖南省中部，婁底市東北部，漣水中游，滬昆鐵路與洛湛鐵路交會處。面積428 km2，其中建城區(qū)面積約32 km2，人口29萬。婁底市屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，雨量充沛，四季分明。年內(nèi)最高氣溫41.2℃，最低－1.6℃。

目前，常用于熱紅外衛(wèi)星遙感的信息源主要有NOAA氣象衛(wèi)星AVHRR的第4通道(10.5 μm～11.3 μm)、第5通道(11.5 μm～12.5 μm)以及陸地衛(wèi)星TM/ETM＋的第6通道(10.4 μm～12.5 μm)數(shù)據(jù)[2]。雖然TM6波段的噪聲等效溫差(NETD即溫度分辨率)為0.5K比NOAA衛(wèi)星熱紅外通道(NETD為0.1 K～0.3 K)低，但是其地面分辨率為120 m(ETM＋為60 m)，遠(yuǎn)高于NOAA氣象衛(wèi)星的1.1 km。由于LandSat7于2003年5月31日后無法獲取合格的數(shù)據(jù)，因此本次調(diào)查采用2006年9月5日獲取的124/41景LandSat5 TM數(shù)據(jù)，其熱紅外波段為120 m，可見光、近紅外的空間分辨率為30 m，更適宜分析研究城市熱環(huán)境的細(xì)部特征，有利于研究熱島的空間分布。城市綠化解譯采用2006年7月的Quick Bird數(shù)據(jù)，其分辨率達(dá)0.61 m，完全能滿足城市綠化現(xiàn)狀解譯要求。

3 研究方法

3.1 數(shù)據(jù)處理

遙感數(shù)據(jù)的具體處理過程如下:

(1)輻射校正:根據(jù)124/41景影像頭文件提供的波段增益參數(shù)，采用式(1)對TM6進(jìn)行入瞳輻照度還原(或還原地面反射P輻射量)和大氣校正。

(2)數(shù)據(jù)配準(zhǔn):因為熱紅外波段數(shù)據(jù)地理信息相對較弱，應(yīng)用ENVI軟件對124/41景熱紅外波段數(shù)據(jù)與高分辨率可見光波段數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，達(dá)到地理信息的一致性。經(jīng)校正后生成了熱紅外6波段圖像，可與高分辨率可見光波段數(shù)據(jù)匹配、融合，融合后的圖像具有參照地理信息，可用于校正選點。

(3)數(shù)據(jù)校正:采用實測控制點，對Quick Bird數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。采用1∶5萬DRG對124/41景熱紅外波段數(shù)據(jù)與進(jìn)行校正，達(dá)到幾何位置的一致性。

(4)密度分割:因遙感探測到的是城市下墊面地物的輻射溫度，表現(xiàn)為熱紅外波段的灰度值，這種輻射溫度與氣溫具有很好的相關(guān)性，可近似反映城市地表溫度。對經(jīng)校正后的熱紅外波段值進(jìn)行統(tǒng)計分析，分10個等級進(jìn)行密度分割。

3.2 地表亮度溫度

TM/ETM＋的熱紅外波段接收的是與地表溫度高低相對應(yīng)的熱紅外輻射強(qiáng)度。由于地表比輻射率與地表溫度的耦合性、大氣下行輻射效應(yīng)(環(huán)境輻照度)以及陸面上方氣溶膠的局地變化、比輻射率方向性及非同溫混合像元的普遍存在，使得準(zhǔn)確反演地表真實溫度較復(fù)雜。而城市熱島研究大多注重的是溫度相對強(qiáng)弱的空間分布特點，且城市下墊面輻射溫度與低空(1.5 m)氣溫呈現(xiàn)顯著線性關(guān)系，因此可以用地面輻射溫度(亮度溫度)來研究城市熱島效應(yīng)[11～13]。加之城市區(qū)域范圍有限，可認(rèn)為區(qū)域水汽狀況一致，在晴空無云狀態(tài)下，可直接用亮溫表征城市熱場的空間相對分布。研究表明[13]，利用TM熱紅外亮溫計算模式，可得到TM6圖像數(shù)值和下墊面像元亮度溫度定量關(guān)系:

其中，L為下墊面輻射值(mw·cm－2·sr－1· μm－1)，G為增益系數(shù)(w·cm－2·sr－1·μm－1)，DN為TM6的像元量化灰度級別，B為偏移系數(shù)(w·cm－2· sr－1·μm－1)。然后，采用普朗克函數(shù)計算星上亮度溫度

其中，T為亮溫(℃)；K1＝1260.56(K)；K2＝60.766(mw·cm－2·sr－1·μm－1)，亮度溫度反演結(jié)果如圖1所示。

3.3 綠化覆蓋率

綠化覆蓋率是城市綠化種植中的喬木、灌木、草坪等所有植被的垂直投影面積占城市總面積的百分比。計算公式:城市綠化覆蓋率(%)＝(城市內(nèi)全部綠化種植垂直投影面積÷城市總面積)×100%。利用面向?qū)ο蠓诸愜浖Cognition進(jìn)行解譯，解譯結(jié)果如圖2所示。

圖1 婁底市區(qū)亮度溫度反演圖

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 亮度溫度

對亮溫反演結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示:城區(qū)亮度溫度分布較集中，最高溫度為30.78℃，低溫中心主要分布在公園、水域等水體和植被覆蓋密集區(qū)，如珠山森林公園、婁星廣場、石馬公園等地；郊區(qū)最低溫度為25.27℃。低溫中心主要分布在永光洲、城區(qū)東南的山區(qū)等地。

婁底市區(qū)亮溫反演圖表明，婁底市城區(qū)(圖1中黑線為城區(qū)范圍線)整體溫度明顯比周邊偏高，呈現(xiàn)高溫區(qū)。城區(qū)內(nèi)溫度水平梯度小，不到1℃，城區(qū)邊緣氣溫水平梯度大，約為2℃。婁底市城區(qū)是一個由眾多熱島組成的大熱島，強(qiáng)熱島和二級熱島占整個城區(qū)面積的三分之二以上。中心城區(qū)范圍內(nèi)熱島分布更加普遍，除幾個大型公園周圍呈現(xiàn)較低溫區(qū)以外，其他地區(qū)均為二級熱島以上區(qū)域。經(jīng)統(tǒng)計，婁底市內(nèi)有大小強(qiáng)熱島區(qū)域81個，面積達(dá)327.88 km2，占城區(qū)總面積的10%。其中面積大于10 km2的強(qiáng)熱島區(qū)域有:華達(dá)機(jī)械總廠區(qū)域(26.28 km2)，漣鋼電爐分廠(23.56 km2)，城區(qū)西南市食品廠、市皮革廠、外貿(mào)局汽車隊區(qū)域(23.47 km2)，漣鋼鋼渣堆放場(20.51 km2)，火車站內(nèi)車站軌道區(qū)域(14.73 km2)，市一中操場及其西側(cè)單位(16.58 km2)，熱軋薄板廠西邊工廠(11.02 km2)，熱軋薄板廠南邊工廠(10.46 km2)等8處；面積小于10 km2的強(qiáng)熱島區(qū)域有73處。

經(jīng)過分析可以看出，婁底市熱島中心并不在市中心，而是分布于漣鋼廠區(qū)、中心城區(qū)西南以及城區(qū)鐵路沿線，呈現(xiàn)出多中心分布特征。

4.2 城市綠化覆蓋率

婁底市城區(qū)總面積為32.32 km2，各類綠化覆蓋面積之和為11.59 km2，計算得婁底市的城市綠化覆蓋率為35.85%。從圖2可以看出，漣鋼集團(tuán)內(nèi)各廠區(qū)，火車站站臺，城區(qū)西南食品廠、皮革廠、外貿(mào)局區(qū)域等地，綠化覆蓋率較低。各大公園及城區(qū)邊緣綠化覆蓋率較高。通過婁底市區(qū)綠化現(xiàn)狀圖與亮度溫度的對比分析，可以進(jìn)一步研究城市內(nèi)部植被覆蓋與亮度溫度之間的關(guān)系，即隨著綠化覆蓋率的降低，亮度溫度逐漸增高。這是由于城市中綠地改變了下墊面的性質(zhì)，從而影響地表的熱量平衡狀況，綠地因反射和吸收部分太陽輻射，使得地表所得凈輻射減少，而所得凈輻射又有大部分用于植物蒸騰耗熱和在光合作用中轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，使增加環(huán)境溫度的熱量大大減少。大面積綠地光合作用，吸收空氣中的二氧化碳，可削弱城市溫室效應(yīng)，進(jìn)一步緩解熱島效應(yīng)。可見，提高城市綠化率對緩解城市熱島效應(yīng)是有利的。

圖2 婁底市區(qū)綠化現(xiàn)狀解譯圖

4.3 亮溫值與綠化覆蓋率相關(guān)關(guān)系

為了研究亮溫值與綠化覆蓋率相關(guān)關(guān)系，需將亮溫值轉(zhuǎn)化為服從正態(tài)分布的亮溫偏移值，一定程度上消除了部分大氣及幾何參數(shù)的影響，轉(zhuǎn)化公式為:

其中:i為像元序號，Zi為轉(zhuǎn)換后的亮溫偏移值為市區(qū)內(nèi)像元亮溫的平均值，σ為市區(qū)像元亮溫的標(biāo)準(zhǔn)差。

圖3為綠化覆蓋率與亮溫偏移值的散點圖，圖中為植被覆蓋率與亮溫偏移值的數(shù)據(jù)。通過線性擬合后得出，城區(qū)內(nèi)的亮溫偏移值與植被覆蓋率之間的相關(guān)系數(shù)為－0.9，二者呈較強(qiáng)負(fù)相關(guān)，說明植被覆蓋率的增加可以明顯減緩城市熱島效應(yīng)。

圖3 植被覆蓋率與亮溫偏移值的散點圖

由此可見，下墊面的亮溫分布總體上表現(xiàn)出與地面覆蓋類型很強(qiáng)的相關(guān)性。具有水泥等結(jié)構(gòu)的城鎮(zhèn)用地亮溫較高，而植被覆蓋率較高的水田和林地以及各類坑塘等介質(zhì)的亮溫低于城鎮(zhèn)，亮溫最低的介質(zhì)是較深的水體。陳峰、解修平等一些學(xué)者對北京、上海、西安等城市的熱島效應(yīng)進(jìn)行研究時也得出過類似結(jié)論[8，9，13，14]。

5 討 論

城市熱島效應(yīng)危害很大。熱島現(xiàn)象可加劇大氣污染，同時，可能造成一些地質(zhì)災(zāi)害，另外，酷熱的天氣給人們生活和健康造成嚴(yán)重的影響。通過婁底市區(qū)綠化現(xiàn)狀解譯圖與城市熱島分布圖的對比分析，認(rèn)為城市綠化、水面是削減城市熱島效應(yīng)的有效因素。通過增加城市綠地，改善城市下墊面的熱特性，是消減城市熱島效應(yīng)有效和切實可行的途徑。

(1)加強(qiáng)城市綠化，提高城市綠化的總體水平，是削減城市熱島效應(yīng)的關(guān)鍵措施。研究表明，綠化覆蓋率與熱島強(qiáng)度成反比，綠化覆蓋率越高，則熱島強(qiáng)度越低。當(dāng)覆蓋率達(dá)到一定程度后，綠地對熱島有較明顯的削弱作用，且達(dá)到在其中生活舒適度令人滿意的程度，如石馬公園、春園公園、青山公園、月琴公園、珠山公園、婁星廣場等公園，綠化覆蓋率高達(dá)70%以上，整個地域消除了熱島現(xiàn)象。由于綠地對熱島有明顯的削弱作用，區(qū)域內(nèi)無大范圍的熱島。而城區(qū)內(nèi)市食品廠、市皮革制品廠等單位，漣鋼集團(tuán)內(nèi)各工廠廠區(qū)，以及火車站等單位，綠化植物少，熱量集聚，形成高強(qiáng)熱島區(qū)。

(2)合理增加城市水面，水面不僅能夠有效地緩解城市內(nèi)的熱島效應(yīng)，而且也是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。漣水流域及婁星廣場內(nèi)的水體地表溫度明顯低于城市用地地表溫度。在500 m×500 m尺度下，水面積比例與地表溫度成線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，水面積比例越高，降溫越明顯[8]。根據(jù)婁底市的自然條件和城市特點，在有條件的地區(qū)，利用天然水逐步增加水體面積，對于建設(shè)生態(tài)完善、環(huán)境優(yōu)美的城市空間，具有積極的意義。

(3)建立規(guī)模化的集中綠地，減低熱島的影響。綠化覆蓋率達(dá)到一定程度后，綠地因蒸騰作用散失的熱量高于所得到的太陽輻射能，溫度降低，空氣冷卻收縮下沉，地面氣壓升高，氣流從綠地吹向非綠地，形成局部環(huán)流，在地面導(dǎo)致綠地的“可透性現(xiàn)象”，客觀上起到了降低周圍環(huán)境氣溫的作用。研究表明[3]，規(guī)模大于3 km2而且綠化覆蓋率達(dá)到60%以上的集中綠地，其內(nèi)部的熱輻射強(qiáng)度有明顯的降低，基本上與郊區(qū)的熱輻射強(qiáng)度相當(dāng)，即可以形成城市中心綠地為中心的低溫區(qū)域。在當(dāng)前整個城市普遍高溫，熱島效應(yīng)嚴(yán)重的情況下，這些低溫區(qū)域，可以為城市居民提供可貴的戶外活動場所。珠山公園以及其周邊的大片綠地，使得該區(qū)域內(nèi)無城市熱島出現(xiàn)。城市中心區(qū)中市林業(yè)局等單位內(nèi)有大范圍綠地，呈現(xiàn)低溫區(qū)域。

(4)采用合理的綠化結(jié)構(gòu)，提高單位面積綠地削減熱島的效益。喬灌草復(fù)層種植結(jié)構(gòu)的綠地降溫效果最好，其次為喬草型和灌草型綠地，草坪型綠地最低。市一中操場，綠化較好，也較美觀，但其綠化植物結(jié)構(gòu)全部為草坪，所以降溫效果不好，圖像上呈現(xiàn)部分強(qiáng)熱島區(qū)。又如，市廣電中心，其綠地占單位總面積的比例達(dá)到30%以上，但全部為草坪，在熱島效應(yīng)分布影像圖上呈現(xiàn)二級熱島區(qū)。合理布置綠化結(jié)構(gòu)，才能達(dá)到削減熱島效應(yīng)的目的。

6 結(jié) 語

本文采用遙感方法研究城市熱島效應(yīng)，定量反演婁底市亮度溫度，解譯了城市綠化覆蓋現(xiàn)狀，分析了二者之間的關(guān)系，得到如下結(jié)論:

(1)城區(qū)亮度溫度分布較集中，主要分布在舊城區(qū)，最高溫度為30.78℃，比郊區(qū)最低溫高5.51℃。緩解舊城區(qū)的熱島效應(yīng)，是目前的當(dāng)務(wù)之急。

(2)婁底市亮溫偏移值與植被覆蓋率呈明顯負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為－0.9，因此，通過提高城市綠化率等方法可以在一定程度上緩解城市熱島效應(yīng)，減少城市熱島效應(yīng)所帶來的危害。

(3)城市綠地系統(tǒng)的規(guī)劃應(yīng)根據(jù)婁底城市熱場分布的特點，從可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略出發(fā)，合理布局集中綠地、建立生態(tài)廊道、增加水面等，有重點、有針對性地進(jìn)行綠地建設(shè)，轉(zhuǎn)變城市綠化工作“見縫插綠”的局面，實現(xiàn)“規(guī)劃建綠”。建立完善的城市綠地系統(tǒng)是改善城市熱環(huán)境的根本保證。

[1] 楊士弘.城市生態(tài)環(huán)境學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社，2002，75～84

[2] 胡華浪，陳云浩，宮阿都.城市熱島的遙感研究進(jìn)展[J].國土資源遙感，2005(3):5～9

[3] 歷華，曾永年，柳欽火.基于遙感的長沙市城市熱島與土地利用/覆蓋變化研究[J].國土資源遙感，2008(4):47～52

[4] 溫興平，胡光道，楊曉峰.基于LandSat影像下廣州市植被覆蓋變化對城市熱島的影響[J].生態(tài)環(huán)境2008，17 (3):985～988

[5] 武佳衛(wèi)，徐建華，談文琦.上海城市熱場與植被覆蓋的關(guān)系研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2007，22(1):26～30

[6] 李成范，劉嵐.山地城市熱島效應(yīng)的遙感研究——以重慶市北碚區(qū)為例[J].測繪工程，2009，18(1):45～49

[7] 杜靈通.基于LandSat ETM＋數(shù)據(jù)的銀川城市熱島研究[J].測繪科學(xué)，2008，33(4):169～171

[8] 李東海，艾彬，黎夏.基于遙感和GIS的城市水體緩解熱島效應(yīng)的研究——以東莞市為例[J].熱帶地理，2008，28 (5):414～418

[9] 陳峰，何報寅，龍占勇等.利用LandSat ETM＋分析城市熱島與下墊面的空間分布關(guān)系[J].國土資源遙感，2008 (2):51～56

[10] 解修平，周杰，張海龍等.基于LandSat TM的西安市城市熱島效應(yīng)研究[J].河北師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007，31(3):397～399

[11] 江樟焰，陳云浩，李京.基于LandSat TM數(shù)據(jù)的北京城市熱島研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報:信息科學(xué)版，2006，31 (2):120～123

[12] 宮阿都，江樟焰，李京等.基于LandSat TM圖像的北京城市地表溫度遙感反演研究[J].遙感信息，2005，3:18～20

[13] 王文杰，申文明，劉曉曼等.基于遙感的北京市城市化發(fā)展與城市熱島效應(yīng)變化關(guān)系研究[J].環(huán)境科學(xué)研究，2006，19(2):44～48

[14] 周紅妹，周成虎，葛偉強(qiáng)等.基于遙感和GIS的城市熱場分布規(guī)律研究[J].地理學(xué)報，2001，56(2):189～196

Urban Thermal Island Analysis by Remote Sensing Images

Xu ZhaoJun1，Hu Juan2
(1.Remote Sensing Center of Hunan Province，Changsha 410007，China；2.Hunan Planning Institute of Land and Resources，Changesha 410007，China)

Taking Loudi as an example，based on LandSat5 TM image data，quantitative inversion of the city's brightness temperature，based on Quick Bird data，interpretation of the status quo of urban greening.By analyzing the relationship between brightness temperature and green coverage，study the Urban Thermal Island effect.The layout of urban greening are discussed.Studies have shown that:Urban Thermal Island effect significant Thermal Island centers are mainly located in the old city.The maximum temperature reached 30.78℃，higher than the rural minimum temperature 5. 51℃.Priority is to alleviate the Thermal Island effect the old city.The district brightness temperature deviation mean value was positively correlated with the vegetation cover ratio and the correlation coefficient is－0.9，by improving the urban greening and other methods can effectively alleviate the Urban Thermal Island effect，reduce the Urban Thermal Island effect caused harm.Loudi urban green space system should be based on the characteristics of urban thermal field distribution to carry out a focused，targeted planning.To improve the environment of the urban heat the fundamental guarantee is the establishment of a sound urban green space system.

Urban Thermal Island；Lightness Temperature；Green Coverage；Green Space System Planning；Loudi City

1672－8262(2010)06－71－05

P237

A

2010—03—16

許兆軍(1978—)，男，工程師，研究方向:國土資源遙感、環(huán)境遙感。

湖南省建設(shè)廳“園林城市遙感調(diào)查示范研究項目”(2007－10)