資陽市城市熱島效應動態評價

許輝熙

(四川建筑職業技術學院測繪工程系，四川德陽 618000)

資陽市城市熱島效應動態評價

許輝熙

(四川建筑職業技術學院測繪工程系，四川德陽 618000)

利用四川省資陽市1988年6月23日、1999年8月12日和2006年7月30日的Landsat TM/ETM+遙感影像提取了三個時期的城市信息，然后對熱紅外波段進行輻射定標和亮度溫度反演，在此基礎上進行溫度分級和熱島強度計算，最后進行了熱島效應的時空演變分析。研究結果表明: (1) 1988年，舊城區范圍內的熱島效應不明顯，但到了1999年和2006年，舊城區范圍內的熱島效應比較突出； (2) 在1988～1999年間和1999～2006年間，城市擴展區由非城市建成區演變為城市建成區之后，熱島效應都比較顯著。(3)1988-1999-2006年間，熱島強度呈現先增強、后減弱的趨勢。

城市熱島效應; 歸一化建筑指數; 熱紅外遙感; 亮度溫度; 加權平均熱島強度; 時空演變; 轉移矩陣

隨著城市化進程的加快，城市人口不斷增加，下墊面性質發生根本性改變，導致城市區域的溫度往往會高于郊區，這樣就形成了一種獨特的氣候現象—城市熱島效應(Urban Heat Island Effects)[1]。目前，中國正處于城市化高速發展時期，城市生態環境問題越來越受到人們高度關注。揭示城市化過程中熱島效應的特點和規律，對于改善城市人居環境、提升城市生態功能、促進城市的健康與可持續發展都具有重要意義。早期的熱島效應研究，主要基于氣象觀測資料進行。其觀測點位密度非常有限，同步性和空間代表性差，要想研究城市熱島的平面展布、內部結構特征以及時空演變非常困難。近年來，隨著遙感技術的廣泛應用，由于它觀測范圍大、能夠動態反演，利用熱紅外遙感影像來研究熱島效應已經成為遙感應用的熱點領域[2]。本文利用多時相的遙感影像研究四川省資陽市的城市熱島效應，以期為資陽市的城市生態環境保護提供決策支持，有望填補資陽市在城市熱島效應研究方面的空白，并為其它城市的研究提供參考借鑒和類比案例。

1 研究區概況與數據源

資陽市地處四川盆地中部，介于104°21′～105°27′E，29°15′～30°17′N，西靠成都、眉山，東接重慶，北鄰德陽、遂寧，南連內江，是四川唯一同時連接成渝“雙核”的新興工業城市。1998年設立地區，2000年建市，轄雁江區、簡陽市、安岳縣和樂至縣，幅員面積7 962 km2，總人口500萬，是四川省最年輕的地級市。資陽市各縣區年平均氣溫 17 ℃左右；年降水量950 mm左右；年日照1 250 h左右；最熱月8月，平均氣溫26.5℃左右；最冷月1月，平均氣溫6.5℃左右；極端最高氣溫40.2℃；極端最低氣溫-5.4℃。

研究使用 1988年6月23日、2006年7月30日的Landsat TM影像和1999年8月12日的Landsat ETM+影像，軌道號為129/039。數據格式為Geotiff，UTM投影，三期影像地理坐標一致，影像質量良好。

2 數據處理

2.1 基于遙感影像提取城市信息

研究城市熱島效應，首先需要獲取城市信息。本研究采用基于遙感影像的歸一化建筑指數法 (Normalized Difference Building Index,NDBI)，并結合人工目視解譯調整進行。NDBI計算公式為：

NDBI=(Band5-Band4)/ (Band5+Band4) (1)

式中：Band5、Band4分別代表TM/ETM+影像的第5、第4波段的反射率或者灰度值。圖1為資陽市三個時期的城市范圍信息提取結果。

圖1 研究區范圍及不同時期城市建成區信息

經統計，1988、1999和2006年三個年份資陽市城市建成區的面積分別為3.53 km2、8.73 km2和14.47 km2。1988～1999年的11年間，城市擴展了5.20 km2，而1999～2006年的7年間，城市擴展了5.72 km2，這表明資陽市自建市以后，城市擴展速度加快。

2.2 輻射定標與亮溫反演

2.2.1 輻射定標

輻射定標就是利用定標系數將遙感影像熱紅外波段的灰度值(Digital Number,DN)轉換為對應的熱輻射強度值。采用下式對ETM+熱紅外波段輻射定標[3]：

Lλ=gain×DN+bias

(2)

式中:Lλ為輻射強度值，單位為W·m-2.ster-1.μm-1；DN為影像灰度值；gain和bias為增益和偏移，在影像頭文件中獲取。

采用下式對TM熱紅外波段輻射定標[4]：

Lλ=DN×0.005632156+0.1238

(3)

式中，Lλ的單位為mW·cm-2.ster-1.μm-1。

2.2.2 亮溫反演

熱紅外遙感熱探測到的是地物的輻射溫度，這種輻射溫度是將地物視為黑體，未經大氣校正，以像元為單位的平均地面輻射溫度，稱黑體亮度溫度，簡稱“亮溫”。將輻射強度轉換為像元亮度溫度的公式為[3,4]：

(4)

式中：Ts為輻射亮溫，單位：℃；Lλ為輻射強度值；k1、k2為訂正系數。對于ETM+熱紅外波段，k1為666.093 W· m-2·ster-1·μm-1，k2為1 282.708 k；對于TM熱紅外波段，k1為60.766 mW·cm-2·ster-1·μm-1，k2為1 260.56 k。

2.3 溫度分級

根據定義，城市熱島效應是指城市區域溫度和高于郊區的現象。因此，對溫度分級是針對城市建成區和周邊一定范圍的郊區(即研究區)來進行的。為簡便起見，研究區以建成區為中心取一個矩形區域。本研究將溫度分為高溫區、次高溫區、中溫區、次低溫區和低溫區五個等級。

采用均值-標準差法[5]對矩形研究區進行溫度分級，然后利用三個時相的城市建成區范圍進行裁減，得到資陽市區三個時相的亮溫分級圖(圖2～圖4)。當城市溫度被劃分為五個等級的時候，通常把高溫區和次高溫區定義為城市熱島區域[5]。

圖2 資陽市區1988年6月23日亮溫等級

圖3 資陽市區1999年8月12日亮溫等級

圖4 資陽市區2006年7月30日亮溫等級

2.4 計算熱島強度

熱島強度指標能夠反映城市建成區熱島效應的強弱情況。選取加權平均熱島強度作為表征城市熱島強度的參數，它是依據熱島面積指數法求取，即對建成區溫度按面積進行加權計算，從微觀上反映城市熱島強度總體情況，計算公式為：

(5)

式中:P表示熱島強度，單位：℃；n表示溫度等級數，本研究n值取5；Ti和Ai分別表示不同溫度等級的平均溫度和面積比例，下標avg表示平均溫度，TOavg代表郊區平均溫度。

經計算，1988年6月23日、1999年8月12日和2006年7月30日的加權平均熱島強度分別為1.73℃、2.61℃和2.13℃。

3 熱島效應時空演變特征分析

3.1 1988～1999年熱島效應演變

對于1988年和1999年的研究區溫度等級圖，均按1999年的建成區范圍進行掩膜提取；再將二者做差值計算，得到1988～1999年亮溫等級空間演化圖(圖5)。

圖5 1988-1999年間亮溫等級轉換

圖5直觀展示了舊城區(圖中斜線區域所示)和城市擴展區(圖中無斜線區域)范圍內，不同溫度等級之間的空間演化情況，對之分別進行統計，得到舊城區的溫度等級轉移矩陣(表1)和城市擴展區的溫度等級轉移矩陣(表2)。

表1 1988～1999年舊城區各級溫度的面積轉移矩陣 hm2

表2 1988～1999年城市擴展區各級溫度的面積轉移矩陣 hm2

由圖5、表1、表2結果綜合分析可知，1988～1999年間，資陽市舊城區溫度等級的轉換主要表現為高溫、次高溫和中溫區之間的相互轉換，尤其是次高溫區和中溫區轉換為高溫區最明顯，轉換后高溫區面積明顯增加，次高溫區和中溫區明顯減少。高溫區和次高溫區面積比例從48.38 %急劇增加到96.28 %，數據表明1988年舊城區熱島效應不明顯，但到了1999年，舊城區的熱島效應已經非常突出。

1988～1999年間，城市擴展區的溫度等級轉換比較明顯，主要表現為高溫區的急劇增加，次高溫區略有增加。高溫區和次高溫區面積比例從19.91 %急劇增加到86.51 %，其增溫來源于中溫區、次低溫和低溫區的轉換。城市擴展區由非城市建成區演變為城市建成區之后，熱島效應顯著。

3.2 1999～2006年熱島效應演變

圖6資陽市1999～2006年亮溫等級空間演化圖，表3為舊城區的溫度轉移矩陣，表4為城市擴展區的溫度轉移矩陣。

圖6 1999-2006年間亮溫等級轉換

由圖6、表3、表4結果綜合分析可知，1999～2006年間，資陽市舊城區溫度等級的轉換仍然主要發生在高溫、次高溫和中溫區之間的相互轉換，尤其是高溫區降為次高溫區和中溫區占居主導。高溫區和次高溫區面積比例從91.53%降低到87.19%，表明舊城區熱島效應有所緩解，但仍比較明顯。

1999～2006年間，城市擴展區的溫度等級轉換比較明顯，主要表現為高溫區的急劇增加，其增溫來源于次高溫區、中溫區和次低溫的轉換。高溫區和次高溫區面積比例從25.50%急劇增加到84.01%，城市擴展區由非城市建成區演變為城市建成區之后，熱島效應顯著。

表4 1999～2006年城市擴展區各級溫度的面積轉移矩陣 hm2

4 結論

(1)在1988～1999年間和1999～2006年間，舊城區溫度等級轉換比較劇烈。1988～1999年間高溫區面積明顯增加，次高溫區和中溫區明顯減少，主要表現為增溫效果，舊城區在1988年熱島效應不明顯，但到了1999年舊城區的熱島效應已經非常突出。而1999～2006年間，高溫區降為次高溫區和中溫區占居主導，降溫特征明顯，舊城區熱島效應有所緩解，但仍比較明顯。

(2)在1988～1999年間和1999～2006年間，城市擴展區的溫度等級轉換都比較明顯，主要表現為高溫區的增加，其增溫來源于中溫區、次低溫和低溫區的轉換。城市擴展區由非城市建成區演變為城市建成區之后，熱島效應顯著。

(3)資陽市1988年、1999年和2006年的加權平均熱島強度分別為1.73℃、2.61℃和2.13℃，呈現先增強、后減弱的趨勢。

[1] 周淑貞,束炯.城市氣候學[M].北京:氣象出版社,1994.

[2] 楊英寶,蘇偉忠,江南.基于遙感的城市熱島效應研究[J].地理與地理信息科學,2006,22(5):36-40.

[3] Chander G, Markham B,“Revised Landsat-5 TM Radiometric Calibration Procedures and Postcalibration Dynamic Ranges”,IEEE Transactions on Geoscienee and Remote Sensing, vol.4l(11), 2003, pp.2674-2677.

[4] 覃志豪, Zhang Minghua, Arnon Karnieli,等.用陸地衛星TM6數據演算地表溫度的單窗算法[J].地理學報,2001,56(4):456-466.

[5] 陳松林,王天星.等間距法和均值標準差法界定城市熱島的對比研究[J].地球信息科學學報,2009,11(2):145-147.

2014-11-04

四川省環境保護重大科技專項(2013HBZX01),四川省環保科技項目(2010HBY003)。

許輝熙(1979～)，男，工學博士，副教授，研究方向：地理學、遙感與GIS技術應用。

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