基于Landsat TM/ETM＋的西安市城市熱島效應時空演變

蘇雅麗，張艷芳

（陜西師范大學 旅游與環境學院，陜西 西安710062）

城市熱島效應是城市化的結果，是指城市發展到一定規模，由于城市下墊面性質的改變、大氣污染以及人工廢熱的排放等導致熱量在城市空間范圍內聚集，使得城區氣溫明顯高于周圍郊區氣溫，在城市熱場分布圖上顯示出城區好像一個溫暖島嶼的現象［1］，成為城市不同于其以外地域氣候最明顯的特征之一［2］。近年來，大規模城市化對于城市局部氣候的影響日益增強，因此對城市熱島效應的研究已成為諸多學者研究的熱點問題。在研究內容上，目前利用Landsat T M/ET M＋數據研究城市熱島主要集中于城市熱島的形成機制、形態結構及時空變化特征3個方面［3－4］。形成城市熱島效應的主要驅動因素是城市下墊面性質的改變和大量人為熱排放，此外，風速、大氣穩定度等外部因素也對城市熱島效應的強度有重要影響［5－9］。有研究已證明植被覆蓋與城市熱島效應的關系呈現出負相關性的特點［10－12］。一些學者對南京、蘭州、江蘇等地的城市熱島效應進行的分析研究表明市區存在比較明顯的城市熱島效應，并且城市熱島效應都有增強的趨勢［13－15］。在研究方法上，早期的城市熱島遙感研究主要是利用美國氣象衛星NOAA/AV HRR進行城市熱島分布特征及動態變化分析，Landsat T M/ET M＋基本是在20世紀90年代后的熱島研究中得到廣泛應用的［4］。對西安熱島效應的研究表明，作為西北地區最大的中心城市，西安因城市熱島效應平均氣溫上升了1.07℃［16］。一些學者對西安城市熱島效應做了研究［17－19］，但從方法來看，主要是基于氣象資料的整理分析，這種方法通過選取空間上離散的點信息計算城市熱島，存在空間尺度轉換的問題，較難全面地掌握城市熱島效應的空間分布情況。本文則主要是以Landsat T M/ET M＋遙感影像為基礎，通過對不同時期的遙感影像進行對比分析，研究西安市城市熱島效應的時空演變特征。

1 研究區概況

西安市位于黃河流域中部的關中平原，地理坐標為107°40′—109°49′E 和33°39′—34°45′N，北臨渭河，南依秦嶺，東西長約204 k m，南北寬約116 k m，平均海拔424 m，面積9 983 k m2。西安屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫13.6℃，年平均降雨量553.3 mm。轄區范圍包括蓮湖區、新城區、碑林區、雁塔區、未央區、灞橋區、閻良區、臨潼區、長安區9區和藍田縣、周至縣、戶縣、高陵縣4縣。近年來隨著西部大開發的推進，西安市經濟快速發展，城鎮建設急劇擴大，由于城市周圍地理環境、下墊面因素以及人為因素的影響，熱島效應十分明顯［20］。

西安市的蓮湖區、新城區、碑林區、雁塔區、未央區、灞橋區6區，是西安市經濟最為發達和人口最為稠密的地區，因此，本文以城6區為研究重點區域，分析西安市城市熱島強度和空間分布特征。

2 數據來源和預處理

2.1 數據來源

本研究采用了三景Landsat T M/ET M＋遙感數據，第6波段空間分辨率為120 m，其余6個多光譜波段空間分辨率為30 m，成像時間分別為1990年8月23日，2002年6月2日，2007年8月12日。

2.2 土地覆蓋分類

根據研究區的實際情況，采用監督分類將1990，2002年和2007年西安市土地覆蓋類型分為6類：水體、耕地、林地、草地、建設用地和未利用地，得到3個時期的土地覆蓋類型情況。

3 研究方法

3.1 亮度溫度反演

在研究城市熱島效應時，許多學者利用單窗算法或單通道算法反演地表溫度的方法來研究城市熱島效應。雖然亮度溫度和地表溫度在數值上并不相等，但二者具有很強的相關性，亮度溫度的空間分布可以很好地擬合地表溫度在空間上的分布［10］。本研究的目的是獲得城市熱島的相對強度和空間分布格局，因此可以不反演出地表的真實溫度，只需要反演出和地表真實溫度具有同一強弱趨勢變化的亮度溫度。

在求算亮度溫度的過程中，首先要將Landsat T M/ET M＋數據第6波段的灰度值（DN值）轉化為相應的熱輻射亮度值，其次，再將熱輻射亮度值轉換成亮度溫度。公式如下：

式中：L——輻射亮度；DN——像元灰度值；Gain——增益；Bias——偏移值，計算得到的輻射亮度〔W/（m2·sr·μm）〕。求得熱輻射亮度L后，再利用如下公式將其轉化為亮度溫度：

式中：TB——亮度溫度；K1，K2——亮度反演常量。計算得到的亮度溫度單位為K。

將式（1）和式（2）合并，得到亮度溫度的計算公式：

Landsat T M/ET M＋的相關參數見表1。

表1 Landsat TM/ETM＋熱紅外波段相關參數值

3.2 城市熱島比例指數

由于客觀條件的限制，難以獲得一個地區不同時期的同時相遙感影像圖，為了減少不同時期遙感影像圖之間的差異，引入城市熱島比例指數（URI）［21］。城市熱島比例指數是通過計算城市熱島面積與建成區面積的比例，并賦于權重來表征熱島在城市建成區的發育程度。公式如下：

式中：URI——城市熱島比例指數；m——正規化等級指數；i——城區高于郊區的溫度等級；n——城區高于郊區的溫度等級數；W——權重值，取第i級的級值；P——第i級的百分比。城市熱島比例指數值越大，熱島現象越嚴重。

3.3 歸一化植被指數

植被通過光合作用、蒸騰和蒸散作用降低溫度，增加濕度，調節城市溫度［11］。歸一化植被指數（normalized difference vegetation index，NDVI）是反映土地覆蓋植被狀況的一種遙感指標，主要用于檢測植被生長狀態和植被覆蓋度。

式中：B4，B3——第4波段和第3波段的像元灰度值（DN 值）。

4 結果與分析

4.1 城市熱島效應時間演變特征

為了定量分析西安市城市熱島效應，根據式（3）分別反演出1990，2002和2007年西安市的亮度溫度。由于3期的遙感影像不是同一季的，為了提高研究的可比性，對這3期的亮度溫度進行極值歸一化處理，并對歸一化后的亮溫進行等級分類，將亮溫劃分為6個等級（圖1），并統計出各個等級的比例（表2）。從圖1中可以看出，城區中心主要是4—6級，而外圍區域的亮溫主要位于1—3級，所以，本研究將4—6級確定為城市熱島范圍。通過式（4）計算得到1990，2002，2007年西安市城市熱島比例指數分別為：0.007，0.201，0.572。從城市熱島比例指數的逐年變化看出，1990年至今，西安市城市熱島效應逐年增加。這主要是由于自改革開放，城市中土地利用結構和能源消耗結構發生了變化，城市下墊面除少量綠地和水體外，絕大多數為人工鋪砌的導熱率和熱容量較大的道路和建筑物，再加之人類活動所產生的熱量，使得西安市城市熱島效應在1990—2007年呈增加趨勢。其中，又因自2000年西部大開發戰略的實施，西安作為西北地區最大的中心城市，經濟進入快速發展時期，特別是從2001年開始，西安市生產總值連續8 a保持了13%以上的速度［22］，城市化進程加快，所以，在經濟快速發展下城市熱島效應也較以前有大幅增加，表現在2002—2007年僅5 a的城市熱島比例指數就增加了0.371，增幅遠遠大于1990—2002年的增幅0.194。

表2 1990－2007年西安市城市熱島強度等級比例 %

4.2 城市熱島效應空間演變特征

分析西安市熱島強度空間分布圖（圖1）可知：1990—2007年西安市熱島效應逐年增強，且呈現出由中央向四周擴散的現象。具體來說，1990年西安市城市熱島效應呈散點狀分布在蓮湖區和新城區，且范圍很小，僅占到0.99%。這與這一時期計劃經濟下經濟發展緩慢有很大關系。2002年西安市熱島效應凸現，熱島效應范圍由散點分布變為片狀分布，主要集中在蓮湖區、新城區、碑林區和雁塔區，且分布范圍也開始由蓮湖區、新城區、碑林區和雁塔區向未央區、灞橋區蔓延。到2007年，熱島效應已基本呈連片狀覆蓋西安城區，熱島效應占到城區總面積的83.87%，并且5，6級的熱島效應分布范圍較2002年有大幅增加。這主要是由于實施西部大開發戰略后，西安市土地利用類型發生了很大的變化，1990—2007年建設用地面積逐漸擴大，耕地和未利用地逐漸減少。其中2000—2007年，耕地減少2 599.8 h m2，未利用地減少2 016.0 h m2，建設用地增加3 410.0 h m2［23］，大量以磚石、水泥和瀝青等材料為主的高熱容量，高導熱率，低保水性的下墊層的出現，以及城市天穹減少，人類活動增加帶來的大量人為熱，造成了城市熱島效應的加劇。其中，又以未央區和灞橋區的熱島效應變化最為顯著，5，6級熱島效應主要分布于此。究其原因是未央區和灞橋區自“十一五”開始，大量農業用地轉變為非農用地，加之一些工業重點項目的引入，人為熱大幅增加，加劇了熱島效應。比較3個時期的土地覆蓋類型情況和圖1還可以看出熱島效應呈現出與城市建設用地相同的變化態勢。

土地利用類型的變化導致土地覆被的變化，從而導致諸如植被覆蓋、生物物種量等物理特性的變化，而植被通過光合作用、蒸騰和蒸散調節城市溫度。通過比較1990，2002和2007年3 a的NDVI分布圖（圖2）和熱島強度空間分布圖（圖1）可知，NDVI值較低的區域，城市熱島強度往往高，諸如蓮湖區、新城區、碑林林區，相反，NDVI值高的區域，城市熱島強度反而低，例如未央區。但有一例外，灞橋區雖然有較高的NDVI值，但其城市熱島強度也較高，二者之間并沒有呈現較好的負相關關系，這主要有兩方面的原因。一方面，灞橋區是西安集紡織、印染、航天、航空、農副生產為一體的近郊區，有西北地區最大的紡織工業基地，此外，灞橋熱電廠、西安市硅酸鹽廠等多家大中型企業也位于灞橋區。另一方面，城市熱島效應與NDVI相關性的顯著程度呈現由中心向邊緣遞減的格局。此外，城市熱島效應與DNVI的相關性還受到下墊面復雜性的影響，下墊面土地結構越復雜，剖面上亮度溫度與NDVI的相關性越顯著，植被對溫度的調節作用越強［10］。

圖1 西安市城6區熱島強度空間分布

圖2 西安市城6區NDVI分布圖

為了定量說明NDVI與城市熱島效應的相關性，以1990年為例，將西安市NDVI分布圖與西安市亮溫分布圖進行空間相關性分析，得到相關系數－0.654 40，可見西安市NDVI與亮溫有顯著負相關，即NDVI與城市熱島效應有顯著負相關。增加植被覆蓋對于減少城市熱島效應具有一定的積極作用。

5 結論

本文利用3個時期的Landsat T M/ET M＋數據，對西安市1990—2007年城市熱島效應的時空演變進行了分析。

（1）引入城市熱島比例指數（URI）定量分析近20 a西安市城市熱島效應的強度變化。研究表明，自1990年，西安市城市熱島比例指數不斷上升，2007年的城市熱島比例指數較1990年提高了0.565，西安市存在顯著的城市熱島效應。

（2）1990—2007年，西安市城市熱島效應呈現出散點狀—片狀—連片狀的空間形態變化特征，并呈現出由蓮湖區、新城區、雁塔區、碑林區向未央區、灞橋區擴散的空間演變趨勢。

（3）通過比較分析3個時期西安市NDVI分布圖與熱島效應分布圖，以及對1990年西安市NDVI分布圖與亮溫分布圖進行空間相關性分析后得出二者呈顯著負相關性，所以，適當增加城市綠地對于緩解城市熱島效應具有積極作用。

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