基于CBERS—1 IRMSS數據的長株潭試驗區城市熱島遙感研究

黃宏業 劉俠 陳寶樹

伴隨著長株潭城市群綜合配套改革試驗區經濟一體化的實現，城市規模的不斷擴大，城市熱島效應越來越明顯，已經對城市氣候環境造成了很大影響。調查研究長株潭城市群熱場特征分布規律、城市熱島的形成因素、以及制定相應的治理對策勢在必行。

本次研究使用了中國資源衛星應用中心提供的中巴資源一號衛星紅外多光譜掃描儀 （CBERS—1 IRMSS）的長沙幅、岳陽幅白天和夜間紅外多光譜掃描儀數據（白天3景，夜間5景），另外收集了Landsat—7衛星的熱紅外數據、長沙市土地利用圖及相關資料。

IRMSS數據預處理

由于掃描系統的控制精度以及探測器響應的差異，IRMSS圖像數據存在一定的畸變，盡管收集的數據經過初步處理，但仍存在一些問題，所以有必要針對圖像各種不同問題產生的物理機理，對數據進行相應的預處理。數據預處理包括正反掃描錯位校正、奇偶元錯位校正、噪聲去除等步驟。

IRMSS數據信息提取

為了達到綜合分析和研究城市熱島的客觀性和合理性，必須采用多要素結合方法進行空間分析和綜合評估。因此，要對不同衛星圖像和其他數據進行波段配準、波段相關性及圖像合成、地理校正以及綠地特征分類和信息提取。通過數據處理后的圖像質量良好，在空間分辨率上低于TM影象，近似于MSS影像，其多波段合成影像圖，對地物、地貌景觀的反映十分清楚。經地理校正后生成了地理編碼數據圖像，可與不同比例尺的地形圖配準，產生各種專題圖，并直接納入GIS系統，能用于城市熱島遙感綜合解譯。

城市熱島的形成機制及影響因素

根據前人資料，結合遙感圖像、實際觀察結果以及土地利用圖、城市交通旅游圖等多要素分析法進行綜合評估，得出熱島的形成和分布與如下因素有關：熱島形成與分布主要與下墊面介質有關；天氣、氣候等氣象因子、城市水體和城市人為熱源對熱島效應有一定影響；植被蒸騰作用對城市熱島的降溫效應非常明顯。另外城市建筑密度和高度也影響城市熱島的分布。

建立熱紅外圖像解譯標志

熱紅外圖像成像波譜范圍10.5～12.5μm，它記錄地物發射熱紅外線的強度。地物本身具有熱輻射特性，各種地物熱輻射強度不同，熱容量不同，在白天和夜間熱紅外圖像上具有不同的色調和形狀，如河流和湖泊、道路和建筑物、樹林與草地、土壤，根據它們不同的熱紅外圖像色調和形狀，可以建立熱紅外圖象解譯標志，識別不同的地物。但由于各種因素的影響，自然地物在熱紅外圖像上色調特征有一定變化，因此具體問題要具體分析。例如，由于連續的陰雨天，使得地物之間溫差大大減小，不同地物的差異難以在熱紅外影像上反映出來。

長株潭城市熱場特征分析

遙感探測到的是城市下墊面地物的輻射溫度表現為9波段的灰度值，這種輻射溫度與氣溫具有很好的相關性，可近似反映城市地表溫度。根據地面實測溫度（Y）和9波段灰度等值線圖相對應點的灰度值（x），建立長株潭城市群溫度場數學方程（1）和（2），方程（1）表達了2000年5月14日地面溫度與灰度對應關系，方程（2）表達了2000年2月26日地面溫度與灰度對應關系。

Y=10.8+0.1666X （1）

Y=—23.55+0.2X（2）

2000年5月14日9波段灰度范圍在91～146，計算最高最低溫差達9.16℃，2000年2月26日9波段灰度范圍為125～146，計算最大溫差達l4.2℃，這因為冬天平均溫度低，而大工廠附近溫度較高造成的。從9波段灰度等值線圖上可推測長株潭城市群熱場高低的分布情況，線條顏色由藍一黃一紅代表溫度越來越高。為了說明方便，2000年5月14日代表夏季，2000年2月26日代表冬季。

長沙市夏季溫度受城市氣候影響，城市熱島效應明顯，城區內等溫線比較稀疏，溫度水平梯度小，城區邊緣氣溫水平梯度大，等溫線密集，閉合等溫線分布和走向大致與長沙市城區輪廓平行，但城區內也可分為三個帶，西部帶、中部帶和東部帶。

西部帶為低熱場，這主要是受岳麓山綠地和眾多湖泊的影響，但其中北部工業區為局部高熱場，如長沙紡織廠、長沙鋅廠等。湘江東岸為高熱場，是人口密集區和商業繁華地區。烈士公園至南郊公園一線分布有湖南省委、湖南省政府、天心公園、賀龍體育場等單位，因其建筑密度低、綠化程度較高，為相對低溫度帶。這條低溫帶將湘江東岸的長沙市區分為兩部份，即中部帶和東部帶。其中中部帶以中山路、南門口和開福寺之間范圍溫度較高，建湘瓷廠地區溫度最高；東部帶熱場分布較分散，但長沙市溫度場最高區在其中，即曙光電子集團廠區附近，根據（1）式推斷為34.29℃。

長沙市城區冬季溫度較低，熱島效應不明顯，冷熱不均，氣溫水平梯度大，等溫線密集，溫度差別較大。在烈士公園、岳麓山，湘江附近為低溫帶；在局部地區形成高熱場，如人民路的曙光電子集團和長沙毛紡織廠，另外在高橋大市場由于建筑密度高，綠化程度低，在城區東部出現局部高熱場。

從長株潭三市熱場特征可看出：一是夏季三市由于熱島效應的影響，城市熱場的平面展布與建成區輪廓基本一致；冬季熱島效應不明顯，說明城市熱島強度有明顯的季節變化。二是老城區與工業區溫度較高，形成高溫區，如長沙市黃興路周圍的老城區、湘潭鋼鐵廠；新建成區則由于規劃布局合理、建筑容積率低、綠化程度高呈現低溫區；三是綠地和水體在等值線圖上呈現為明顯的低溫區，例如貫穿三市的湘江，長沙市的烈士公園和岳麓山公園，株洲的株洲市漁場、神龍公園等，表明綠地和水體對城市的溫度起著重要的調節作用。

長株潭城市群熱島效應綜合分析

城市熱島是一種城市氣溫高于郊區的現象，夏季城市熱島加強了長株潭城市高溫的酷熱程度，使居民感到不適，嚴重時會引起中暑等疾病；空調降溫既消耗能源，又污染環境，影響長株潭城市生態環境質量，因此削減夏季城市熱島強度是防御夏季高溫災害、減輕城市熱島和保護長株潭城市生態環境的一項重要措施。

根據城市能量平衡方程Qu+QF=QH+QE+QG+QA+QP，要削減城市熱島效應，關鍵是使方程式左邊的能量收入減少，右邊的能量支出增多。

削減人為熱（QF）的排放。措施是控制人口增長，減少城市工廠煤、石油等燃料的消耗量（如長沙曙光電子集團、長沙毛紡織廠、長沙紡織廠和長沙鋅廠等），提高利用效率和開發新能源。對于株洲市和湘潭市兩個以重工業為主的城市，更要加強熱量排放的控制，特別要對排熱大戶的株洲冶煉廠和湘潭鋼鐵廠予以監控；因為熱量排放高的，空氣污染程度也較高。由于大氣污染，天空能見度較低，將會使大氣逆輻射增加，使城市熱島效應更加明顯。

削減城市凈輻射量（Qu）。措施是增大城市反射率，例如合理規劃城市建筑物的高度和密度，增大建筑高度（H）與街道寬度（W）之比，多用淺色涂料粉刷建筑物，擴大天空視度，增大地面長波射出輻射。

增加城市下墊面與空氣間潛熱交換（QE）、城市植物光合作用富集能量（QP）。措施是增加城區水域面積和噴水、灑水設施。提高城市綠地覆蓋率。因為植被不僅能遮陽，吸收轉化太陽輻射能，而且可蒸騰降溫和消耗二氧化碳，減低溫室效應，使城市下墊面與空氣間顯熱交換（QH）減少。另外在步行街、人行道、停車場等處多鋪設石板路、植草磚路等城市生態型道路，因其縫隙中的草、土壤和水分能起到降低地面溫度的作用。例如，長沙市公共綠地主要有岳簏山公園、烈士公園、南郊公園、望月公園等，其中以前三者較大，呈“品”字型分布；其他如居住區綠地、單位附屬綠地、防護綠地等則均勻分布在市區，這些地區地表溫度明顯較低，氣溫差別3～5，最大可差10左右。

長株潭城市在過去的幾年里生態環境有了很大的改善。2006年，長沙成為繼貴陽、沈陽之后的第三個國家森林城市。2007年長沙市城鄉綠化指標達到或超過了國家森林城市的標準。2007年數字顯示長沙市森林覆蓋率為53.6%，城市建成區綠化覆蓋率42.41%，綠地率37。8%，人均公共綠地面積9.42平方米，基本達到《長株潭經濟一體化“十一五”規劃》要求的人均公共綠地面積達到9平方米，區域森林覆蓋率達到并穩定在55%以上。

根據《長株潭城市群（核心區）生態建設規劃（2006～2020）》，在長株潭城市群中大量增加綠化面積，特別是株洲、湘潭重工業城市，并盡量做到公共綠地在城市中均勻分布，點（區級、居住區級公園）、線（城市主要交通干線、鐵路兩側及城區內江河兩岸）、面（市級綜合性公園、主題公園）相結合，以面為主，點線穿插；以小為主，中小結合，植樹與植草相結合，聯成完整的園林綠地系統，以減低城市熱島效應的影響。按規劃準備建設長株潭三市的沿江（湘江）風光帶，這將使長株潭三市公共綠地增加許多，并使城市公共綠地連成一個整體，形成較完善的長株潭城市綠地系統。這將大大改善城市小氣候，有利于建設環境宜居、城鄉統籌的新型城市，使長株潭地區人居環境變的更加舒適。

（因版面限制，選登論文內容有刪節。）