基于TM的城市熱島效應研究及其應用探討——以許昌市為例

李京忠,薛冰,劉永濤

(1.許昌學院城市與環境學院,河南 許昌 461000;2.中國科學院沈陽應用生態研究所,沈陽110016;3.許昌市住房公積金管理中心,河南 許昌461000)

近年來,隨著全球城市化進程不斷加快,由城市擴展而產生的溫度變化導致的城市熱島效應,已經引起了全世界的廣泛關注[1-2]。最明顯變化特征是城市空氣質量下降、降水分布與頻率受到了影響,并且進一步威脅居民健康,嚴重影響了城市人居生態環境質量,成為城市化進程中最為突出的問題。

由于遙感技術的監測范圍廣、分辨率豐富、連續監測不受氣象條件的限制等優勢[3],迅速成為城市熱島效應變化監測與分析的有效手段。如王文杰利用ETM研究了北京的熱島效應[4],張勇利用CBERS-02熱紅外數據對北京、蘇州、無錫做了城市熱島定量化的研究[5],王建凱利用MODIS數據對北京的熱冷島效應進行了分析[6]。縱觀國內的研究都是在單一時相的遙感數據上進行的城市熱島效應研究,并且與實測數據相結合的較少。針對這種情況,本研究利用3個時相的TM數據結合實測溫度數據對河南省許昌市的城市發展中熱島效應的發展變化情況進行了定性定量的分析研究,旨在分析城市化進程中城市空間變化與城市熱島效應變化之間的內在關系,分析城市熱島效應產生的機理,為城市化發展規劃提供相關的理論和技術支持。

1 資料選取與方法介紹

1.1 研究區概況

許昌市位居河南省中部,總面積4 996 km2,總人口445萬。由于近幾年來東城區的建設和城北鄭許推進區的建設,使得許昌進入城市高速發展階段。城市發展過程中生態環境的建設是個重要的問題。以1988年5月14日上午10點31分、1992年10月16日上午10點22分、2004年8月30日10點44分的TM遙感數據和2009年8月直接測量的地面溫度數據,對許昌城市熱島效應發展趨勢及其原因進行相關的研究分析。

1.2 研究思路和技術方法

本研究利用3個時間段的遙感數據對城市溫度進行反演和提取植被指數,分析城市熱力場的發展變化情況,并結合實測地面溫度數據進行相關性分析,找出實測溫度與植被指數和遙感反演溫度之間的統計關系以及物理機制分析,根據分析結果匯總以及許昌市地表溫度的空間分布格局圖,得到近幾年來許昌市城市熱島的發展趨勢及其原因分析,為城市規劃決策提供理論依據。

1.3 實測數據獲取

對于地面溫度的測量,在研究區范圍內選取了129個樣點測量分析,選用了簡易室外溫度計,測量時間確定在2009年8月10-30日,考慮到溫度的敏感性,本研究特定選擇在晴空午后1：00-3：00時間段作為溫度采樣的時間。樣區內采樣點的空間分布如圖2所示。

圖1 熱島效應研究流程

圖2 采樣點空間分布及實測溫度擬合分布圖

采樣數據是攝氏溫度,為了便于和遙感反演的溫度對比分析研究,將攝氏溫度換算成絕對溫度,然后把測量的樣點溫度作為樣點的屬性數據輸入并建立地理數據庫,利用克里金插值法進行地面溫度擬合[7],得到地面溫度擬合分布圖(圖2)。

2 遙感地表參量反演

2.1 遙感數據預處理

根據研究區的范圍,對于選擇的TM影像數據進行了裁剪處理,并利用地形圖對影像進行幾何精確校正,平均誤差在0.5個像元內。根據 TM數據的輻射強度與其DN值的關系對影像做了輻射定標校正。而大氣校正是采用的6S大氣校正模型,其中對于太陽-目標物-傳感器的幾何關系根據數據采集地點和時間的太陽高度角、太陽方位角、衛星高度角和衛星方位角來確定;結合研究區的地理位置和數據采集時間把大氣組分和氣溶膠參數選擇為中緯度夏季大氣模式和大陸性氣溶膠,BRDF模型采用Roujean的模型,其中3個系數分別取 0.243,0.073,0.642。經過幾何校正和輻射校正等預處理后,對遙感數據提取本研究所需要的植被指數和進行溫度反演。

2.2 植被指數提取

地表溫度與植被指數有很大的相關性[8],植被指數在城市熱島效應的研究中,主要是從城市綠地能有效緩解城市熱島效應這個角度出發,指導城市規劃建設中合理進行城市綠地的規劃建設,以及不同樹種的合理分布,有利于降低夏季城市的溫度熱力場。目前研究較為成熟的植被指數主要是歸一化植被指數(NDVI)。

式中：ρ3、ρ4——影像的紅波段和紅外波段的反射率。利用許昌地區2004年的TM遙感影像提取了的NDVI指數,用于分析植被分布特征與城市熱島效應的相關性。

2.3 地表溫度反演

利用TM遙感數據反演地表溫度主要是利用TM 6波段的熱紅外波段數據,通過模擬大氣對輻射傳輸的影響可以為計算大氣效應提供一種有效的方法。文中參考中緯度夏季標準大氣剖面,模擬得到各個大氣參數,Lλatm↓為 1.68 W/(m2?μm ?sr),Lλatm↑為 1.74 W/(m2?μm?sr),τ為 0.77 。

式中 ：TS——地表真實溫度 ;Lλ(TS)——溫度為 TS的黑體在熱紅外波段的輻射亮度;Lλatm↑——大氣向上輻射亮度 ;Lλatm ↓——大氣向下輻射亮度;ελ——地表比輻射率;τ——大氣在熱紅外波段的透過率。代入以上數據,其中Landsat TM 6中心波長取值為11.457μm,反解普朗克(planck)函數也就是黑體輻射定律即可獲取地表真實溫度,也可以采用如式(3)的簡化公式：

圖3 NDVI＞0.2與地面溫度相關性分析圖

對實測溫度和NDVI指數進行統計發現,NDVI值在0.2以下的區間內對應的樣點溫度集中在310 K附近;NDVI值在0.5～0.7的這個區間內對應的樣點溫度介于300～303 K之間。由此可見綠色植被的降溫效應是非常顯著的,這反映出綠地建設對城市

通過式(2)和式(3)可獲取研究區的遙感反演的地表溫度,本研究中反演了許昌地區1988年、1992年、2004年3個時期地表溫度分布圖,利用這3個時期反演的地表溫度分布圖分析城市發展過程中,城市熱力場的形成、顯著、增強的這樣一個過程,對于城市發展過程中,城市規劃布局優化,降低城市熱力場形成的主要因素,對提高城市人居環境具有較高的實用價值和意義。

3 城市熱島效應定量分析

3.1 植被指數與地表溫度相關系分析

通過對比實測溫度和NDVI指數曲線走勢發現(圖3、圖4所示),在NDVI值大于0.2的區間內,實測溫度與NDVI值近似成為一個反比關系;隨著實測溫度(TS)的升高,NDVI值逐漸降低,經過線性回歸分析得到回歸方程：

TS=37.59-16.45NDVI (4)

且兩者相關系數為-0.868 32,標準差為1.057 K。當NDVI每增加0.1,平均地表溫度降低1.65 K。在NDVI值小于0.2的區間內,兩者之間出現無規律性的變化,兩者相關系數僅為-0.095 34。通過對比樣點屬性信息發現由于NDVI小于0.2所對應的像元多為混合像元,且像元內植被所占比例較少,沒有植被覆蓋或少量植被覆蓋。由此可知利用NDVI指數作為參數研究城市熱島效應的過程中,對于植被覆蓋較高的純像元或者近似純像元對應的樣點非常有效,這兩者近似為反比關系。環境影響的重要性,城市化進程不能忽視其綠地的規劃和建設。

圖 4 NDVI＜0.2與地面溫度相關性分析圖

3.2 遙感反演溫度與實測地表溫度分析

對2009年實測溫度和2004年影像反演溫度進行分析(圖5),兩者的變化趨勢基本一致。采樣點大體上分為為城郊地區、市區和道路3個臺階,這3個臺階的溫度依次升高。市區要比城郊地區高3～5 K;而道路要比市區高4～7 K,比城郊地區高9 K左右。這是由于道路和市區硬化度高,房屋建筑密集所致。而在城郊地區和道路發現遙感反演溫度普遍的要比實測溫度高1～2 K;在市區范圍內兩者的差異很大,這是由于2004-2009年期間城市發展過程中地物屬性的改變以及遙感反演溫度和實測溫度獲取方法的差異所導致。

圖5 實測溫度和反演溫度分析圖

3.3 城市熱力場分析

從1988年、1992年和2004年這3個時相的遙感反演溫度(附圖6)上來看,1988年時,許昌城市建設較為落后,城市區面積小,而且城市建筑密度較低,城市化進程緩慢,城市熱島效應初步形成。市區的溫度分布與市區周邊地區的溫度差別不是很大。且市區內的溫度分布高低不等,在附圖6a上表現為市區內色調較為復雜,呈花斑狀分布。1992年時,城市化發展建設進入快速通道,市區內的溫度明顯比周邊地區的溫度高,而且分布較為均勻,在城市區范圍內形成了明顯的熱島效應。由于1992年的數據是10月16號上午10：22時采集的,這個時節是秋收過后,田地里沒有農作物覆蓋,裸土溫度在上午日照充分的情況下,在TM第六波段上表現為較高的溫度,這也是在1992年的遙感溫度反演圖上表現出較多高溫斑點的原因。2004年城市化進程高速發展達到一個新階段,城區范圍擴大,城市建筑密度增大,城區由于受到熱島效應表現為強烈的高溫熱力場,在2004年城區范圍內多是以較高溫度的顏色——紅色。從城區周邊向著城區中心逐漸升高,顏色逐漸由綠變紅,表現為明顯的環形熱力場。

利用遙感反演溫度圖生成許昌多期城市熱島變化圖(附圖7),可以看出城市熱島效應隨著城市的擴展逐漸的向外擴展,熱島效應向北和東迅速擴展,這和許昌城市這些年的發展規劃相一致,北面是鄭許推進區的開發建設區和魏都民營企業園的建設區,東面是東城區的建設開發區。西面和南面進程緩慢是自然擴展的結果。縱向對比發現從1988-2004年這個階段,許昌市的城市化進程加快,但在加快的過程中,忽視了地面植被的覆蓋狀況,致使城市熱力場效應逐漸增加,從1988年的初顯城市熱島效應到1992年形成城市熱島效應規模,在2004年達到顯著的城市熱島效應,發現熱島效應的增強對許昌城區的生態環境產生了較大的影響。

通過對2009年實測數據擬合發現,2004-2009年城市發展迅速,東城區的擴建,鄭許推進區的擴展給許昌市區的擴大帶來了直接效應,這也給城市熱島效應的顯著增加提供了主導因素。從2009年的溫度擬合圖上可以看出(圖5),東城區的擴建過程中,居民小區的建設注重城市綠化建設,溫度場相對與舊城區較低;但是鄭許推進區由于多是工廠企業的進駐,工廠企業在運轉的過程中產生大量的熱量,另一個方面工廠企業的建設過程地面采用瀝青硬化致使地面溫度直接上升,在2009年溫度擬合圖上表現為溫度較高,熱島效應顯著。

4 結論和展望

4.1 結 論

(1)當NDVI值在0.2～1這個區間內,NDVI與地面溫度有著較高的負相關性,其值為-0.868 32;且當NDVI值增加0.1,地表夏季溫度下降1.65 K。所以在植被覆蓋較好的地區利用NDVI植被指數進行城市溫度熱力場研究具有較高的價值,對于城市熱島效應影響研究具有較大的實際意義。

(2)對比遙感反演溫度圖和實測溫度擬合圖發現許昌在城市化進程中,舊城區和鄭許推進區熱力效應顯著;東城區的熱力效應不明顯,但其道路網絡周圍的熱力效應較強。在今后的城市規劃建設中,注意道路網絡和城市綠地相應的規劃建設,提高城市的植被覆蓋率,有效緩解城市熱島效應。對于改善城市生態環境質量,提高城市宜居環境,增強許昌城市綜合評價的競爭力,有著不可低估的作用。

4.2 展 望

本研究的數據是用 Landsat TM 5,TM數據的分辨率對于區域范圍的研究具有較高的實用價值,但是在城市熱島效應的研究中對于城區熱力場細節變化提取中不具有優勢,若是采用較高分辨率紅外航片進行相關的研究效果會更好,對于城市溫度熱力場整體的變化有更好的表現。

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