基于Landsat8衛星數據的城市熱島效應分析

鄒蒲++李婷　鄒娟

摘 要：近些年，隨著城市建設的高速發展，熱島效應也越來越被人們所重視。在分析熱紅外波段研究城市熱島效應的理論與技術方法基礎上，利用湘潭市2013年6月13日的landsat8數據反演地表溫度形成亮溫等級分區圖，在此基礎上分析湘潭市熱島分布特征、熱島現象的成因、緩解城市熱島的對策，探討landsat8數據在城市熱島研究中的應用。

關鍵詞： 城市熱島 ；Landsat8；亮溫

1 引言

地表溫度是反應地表熱量的主要因子，而城市熱島則是城市地表熱環境的集中體現。地表熱環境與人們的生活息息相關，它影響到城市熱島現象、全球氣候變暖以及地表與大氣進行能量交換的各個方面[1]。地表溫度其特有的時空動態分布特性，很難靠地面觀測站大面積獲取地表溫度參數，宏觀地把握其時空分布規律。遙感技術能大面積重復獲取同一地區的信息，具有宏觀、綜合、動態、快速的特點，并在速度、精度和成本花費等方面占有優勢。自1972年Rao偶然發現ITOS-1衛星SR熱紅外數據能識別城區及郊區熱輻射差異以來，熱紅外遙感技術逐漸成為研究地表城市熱島效應的一種有效手段 [2] [3]。

目前，應用于城市熱島研究的遙感數據主要集中在NOAA 、MODIS 、TM等數據，這些數據空間分辨率都較低，已經不能滿足當前應用的需求[4][5][6]。2013年2月11號，NASA 成功發射了 Landsat 8衛星，其熱紅外傳感器獲取的熱紅外影像數據空間分辨率明顯提高，為地表溫度反演及熱島研究提供了更好的數據源。藉此，選擇湘潭市Landsat 8衛星的熱紅外影像數據分析其城市熱島效應。

2 研究區概況

湘潭市位于湖南中部，湘江中游，面積5015平方公里，與長沙、株洲各相距約40公里，成“品”字狀。境內地勢西高東低，南北高中部低；地貌類型多樣，山地、丘陵、崗地、平原、水面俱備。地理位置為東經111°58′～113°05′，北緯27°20′55″～28°05′40″，湘潭市東西最大橫距108公里，南北最大縱距81公里。湘潭市屬中亞熱帶季風濕氣候區，年均氣溫17.5°C，年平均降水量1500mm，日照1700h，無霜期280d左右。選取湘潭市城郊作為研究區，面積280km2。

3 數據和方法

3.1 數據源及預處理

研究區數據為2013年6月13日Landsat8衛星獲取的熱紅外波段影像數據，軌道號為p123r42，空間分辨率為30米，數據質量良好，根據研究區范圍對影像進行了裁剪。

3.2 地表溫度反演機理

根據斯特凡—玻爾茲曼定律，Q L =εσT 4其中： Q L—地面目標熱輻射能量；ε—地物的發射率；σ—斯特凡—玻爾茲曼常數；T—地表溫度（以K 計）。因此，根據熱紅外波段的數據，就可以推知地面的溫度狀況，進而獲取地表面熱存儲分布信息。地面的溫度狀況間接反映出了城市氣溫熱島的分布特征。可以通過捕捉城市下墊面熱島強度的大小和分布，從而推測出城市熱島強度的大小和分布。利用遙感圖像模擬城市溫度的主要思路為，首先，根據亮溫計算公式，將熱紅外圖像的灰度值轉化為地面亮溫。亮溫是利用遙感手段獲得的城市下墊面的輻射溫度，由地表的真實溫度（地溫）和地物的比輻射率決定。再設法通過一定的回歸分析，將亮溫反演為地面溫度。

理論上，通過傳感器接收地表熱紅外輻射強度，可以算出對應的地面溫度。但是，衛星在接收地面熱紅外輻射過程中受到了大氣和地表諸多復雜因素的干擾，因此其準確的溫度反演十分復雜。要想從衛星傳感器所觀測到的熱輻射強度中準確的演算出地表溫度，就要全面的考慮熱輻射傳導過程中的所有影響，而這些影響又因不同地區和不同時間而時刻變化。理論上，運用大氣模型計算大氣吸收作 用和大氣熱輻射強度，然后從衛星傳感器所觀測到的熱輻射中減去這部分大氣影響，使之變成地表的熱輻射，最后考慮地表的非黑體影響而推算地表溫度。但大氣模型中需要使用實時的大氣剖面的多方面數據，如不同高度的大氣溫度、氣壓、水分含量、CO2 含量、O3含量、氣溶膠含量等等。這些數據并不容易測定，從而使大氣校正法可行性大大降低。替代方法多數是用標準大氣數據或非實時氣探數據來進行模擬估計。目前主要有3 種地表溫度反演算法： 輻射方程法、單窗算法和單通道算法[8][9]，其中輻射方程算法需要有詳細的衛星過境時的地面大氣資料，大大限制了它的使用，單窗算法和單通道算法在估測基本大氣參數的情況下均可以提供良好的反演精度。但是本在缺乏相關大氣參數的情況，直接利用亮溫代替實際地面溫度來表征城市熱場，做定性研究。

3.3 亮溫計算

根據美國地質調查局網站公布的關于Landsat8數據產品輻射定標公式及數據頭文件記錄的輻射校正的相關參數，可將像元灰度值轉換為大氣上界傳感器的輻射亮度Lλ[10]。

輻射亮度計算公式為：Lλ = MLQcal + AL

其中Lλ為熱紅外波段的輻射亮度值，

ML為數據頭文件中的熱紅外波段的RADIANCE_MULT_BAND值

Qcal為像元的灰度值

AL為數據頭文件中的熱紅外波段的RADIANCE_ADD_BAND值

Lλ、ML和AL的單位為w/（m2*sr*um）

根據研究區相關參數：Lλ =0.0003342Qcal+0.1

再利用熱紅外亮溫計算公式T= K2/ln（1+ K1/ Lλ）-273.15，可將輻射亮度換算為像元亮溫。其中k1、k2為常量參數，在數據的頭文件中記錄相關值，本次數據K1、 K2的值為：

K1=774.89 W/（m2*sr*um），K2=1321.08K

根據亮溫計算公式，利用ENVI軟件波段運算得研究區2013年6月13日亮溫范圍為24.78℃-43.78℃。endprint

3.4 亮溫分級

地表溫度的分布一般呈正態分布，為了用符合人眼溫度序列的色系來反映下墊面溫度場，根據亮溫數據標準差把研究區亮溫數據劃分為6個等級并用不同的顏色表示，得到湘潭市亮溫等級分區圖。

4 結果分析

將湘潭市亮溫等級分區圖在GIS軟件的支持下，疊加湘潭市土地利用現狀圖、湘潭市綠地現狀分布圖，生成熱島效應分析圖（圖1），進行湘潭市城市熱島效應分析。

4.1 湘潭熱島分布特征

由圖1可以較為清晰地識別城區范圍，其高低溫突變界線與城區輪廓大體一致；總體上城鄉亮溫差異較明顯，城區溫度明顯高于郊區，城區以黃、土黃和紅色高溫色調為主，而四周山上和郊區以青、綠色低溫色調為主，城郊亮溫差為3 ℃。

在各種土地覆蓋類型中，水體溫度最低，在圖1上顏色為藍色；其次是林地與耕地，顏色為青色和綠色；建設用地溫度相對較高，顏色為黃色、土黃色和紅色。

在城區范圍內，工業集中區溫度最高是熱島最明顯的區域；商業住宅區溫度次之，房屋密度大的，綠化面積小的老城區溫度比新建小區溫度要高；城區內的公園，綠化較好溫度相對最低。

湘潭市的城市熱島主要分布在雨湖區的江麓機械廠、車站廣場等地周邊以及岳塘區的湘鋼煉鋼廠、湘潭電機廠、湘潭電纜廠、竹埠港工業園、清水塘工業園、湘潭電廠、印染紡織廠等地周邊。這說明除了太陽輻射對下墊面的熱貢獻外，各類工廠的能源消耗也對城市熱島的形成和強度有很關鍵的影響作用。

由此我們可以得出結論：城區與郊區相比較，郊區由于人口集中度低，綠色植被覆蓋面廣，大氣溫度相比較與城區來看要低；城區，人后集中度高，人工建筑分布密集、綠色植被覆蓋面小，排熱量大大高于郊區，溫度相比較于郊區來看要高，因此形成高溫熱島。

4.2 湘潭城市熱島現象的成因分析

城市熱島的形成是集中了各種因素，正是由于各種因素綜合作用的結果忙所以才形成了湘潭市城市熱島效應。根據湘潭市亮溫特征的分析，可以找出以下主要影響因素。

（1）郊區和農村地區綠色植被和水域的覆蓋面廣，綠色植被能使太陽能被轉化和存儲；水的比熱大，形成的是郊區農村白天氣溫增溫慢，夜間氣溫降溫也慢。

（2）城區則與郊區和農村地區正好相反，城區人口密度大，人工建筑物密集，改變了下墊面的熱屬性，人工建筑物吸熱快、熱容量小，在相同的太陽輻射條件下，它們比自然下墊面（綠地、水面等）升溫快，因而其表面的溫度明顯高于自然下墊面。

（3）城區人工建筑物大規模增加，綠色植被和水域等自然因素卻在不斷被減少，釋放熱量的因素在增加，而吸收熱量的因素在減少，因此緩解熱島效應的能力就被削弱了。

（4）城市機動車輛、工廠能源的消耗與廢棄物的排放、居民生活用的各種小型燃爐等，各種各樣的燃料在燃燒，大量的能源在消耗，時刻都在排放熱量。

綜合上述因素來看，城區人口密度大，人工建筑物密集，能源消耗多，綠色植被覆蓋面小，散熱多，吸熱少，自然下墊面的減少是引起熱島效應的主要原因，人工熱源的影響進一步加劇了熱島效應。

4.3 緩解城市熱島的對策

（1）增加城市綠色植被覆蓋面積，產業升級減少能源消耗，節約能源，是弱化城市熱島效應的能夠治本的重要措施；

（2）根據熱島效應的特征和空間分布， 調整并且改造市區里人工建筑不合城市科學規劃的分布情況，堅決把能源消耗大、散熱量大的企業遷出市區，禁止在市區落戶可以有效的減緩市區熱島效應強度。因此城市治理者要下大功夫對人工建筑密集的區域和人口密集的區域進行改造搬遷，對熱污染嚴重、能源消耗大、排熱多的工廠堅決遷出市區。

（3）合理布局城市水面，適當增加市區的水面面積，水面作為城市生態系統的重要組成部分，對于有效地緩解城市內的熱島效應能夠起到重要的作用。

（4）在工業區針對排熱量大的特點，應沿道路、給熱管道種植灌木，預留一定規模的綠化用地，在熱源廠區的屋頂、墻壁、地面構建多層次立體植被蓋層。

5 結論

（1） 研究結果表明， 以Landsat8衛星獲取的熱紅外波段作為信息源，空間分布率達到了30米，能很好地揭示城市下墊面熱場的微細結構，相比早期的數據源，精度更進一步提高，為城市生態遙感動態監測提供更準確、更豐富的信息。

（2） 研究結果表明湘潭市最低亮度溫度24.78℃，最高溫度43.78℃。湘潭市城區與其周圍鄉村地域的溫度差異明顯，城區建筑物密集、綠化率較低、水面較少，排熱量大的區域形成高溫熱島。

（3） 用地面亮溫來代替地面實際溫度，分析熱島效應方法簡單，可滿足定性研究，但對定量研究，誤差可能偏大。

參考文獻：

[1]陳于，陳剛， 等.基于ETM+熱紅外遙感的武漢市城市地溫反演研究[J].遙感信息， 2013， 28（5）：85-89

[2]王情，等.基于RS和GIS的城市熱島效應分析[J].世界科技研究與發展， 2008， 30（3）：320-323

[3]劉恩勤，等.基于遙感技術的城市熱島效應研究[J].， 2009， 29（4）：78-82

[4] 樊輝.基于Landsat TM的城市熱島效應與地表特征參數穩健關系模型[J].國土資源遙感， 2008， 77（3）：52-57

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[9]鄧蓮堂， 等.上海城市熱島效應的變化特征分析[J].熱帶氣象學報， 2001， 17（3）：52-58

[10]. Landsat8 數據定標公式及參數.http：//landsat.usgs.gov/Landsat8_Using_Product.php

作者簡介：鄒蒲（1982-）男，碩士研究生，測繪工程師，主要從事國土資源遙感、地學遙感應用、環境生態遙感等方向的生產科研工作。

基金項目：中國地質調查局地質調查工作項目“災害易發區遙感地質綜合解譯”（編號：12120113105100）；高分國土遙感應用示范系統（一期）項目（編號：04-Y30B01-9001-12/15）；中國地質調查局地質調查工作項目“湖南省礦山開發遙感調查與監測”（編號：1212011120032）。endprint