基于TM遙感影像數(shù)據(jù)的烏魯木齊熱島效應(yīng)分析

孫茂存，李俊鋒

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌712100;2.西北測繪職工培訓(xùn)中心，陜西西安710054)

一、引 言

隨著城市經(jīng)濟的飛速發(fā)展，工業(yè)污染、廢氣排放導(dǎo)致了大氣污染，城市下墊面性質(zhì)發(fā)生了很大的變化，導(dǎo)致城市空間范圍內(nèi)聚集了大量熱量，氣溫與周邊郊區(qū)相比高出很多。城市氣溫在熱場分布圖上顯示為一個溫暖島嶼的現(xiàn)象稱為熱島效應(yīng)。

城市熱島效應(yīng)對城市經(jīng)濟發(fā)展有極大的影響，嚴(yán)重影響了公眾的健康。近年來，城市熱島效應(yīng)引起政府的高度重視，已成為城市環(huán)境監(jiān)測的一項重要內(nèi)容，重點研究城市熱島當(dāng)前的形態(tài)及變化，并定量監(jiān)測，分析其對城市環(huán)境的影響。相比于傳統(tǒng)的氣象站點監(jiān)測方式，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測城市與周邊郊區(qū)溫度變化及差異更直接、持久，且可以獲取連續(xù)的城市空間熱場分布狀況。因此，本文利用遙感技術(shù)對烏魯木齊市溫度及其周邊郊區(qū)的溫度進行監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，為城市發(fā)展及政府部門政策的制定提供指導(dǎo)意見。

二、研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)分析處理

1.研究區(qū)概況

烏魯木齊位于新疆維吾爾自治區(qū)中北部，北接天山，南鄰準(zhǔn)格爾盆地，與昌吉東西接壤，東南部與吐魯番交界。市區(qū)三面環(huán)山，北部平原開闊。地處86°37'33″E—88°58'24″E，42°45'32″N—45°00'00″N。山地面積寬廣，地勢起伏較大，中部及北部地勢較低，南部及東北部地勢較高。地勢最高處海拔5445 m，位于天山博格達峰頂，地勢最低處海拔490.6 m，位于猛進水庫的大渠南側(cè)。地勢最高、最低處相距75 km，高差4954.4 m。該區(qū)域面積50%以上為山地，平原面積約占10%，市區(qū)的平均海拔為800 m。氣溫屬于溫帶干旱氣候，最高氣溫在7、8月份，平均溫度25.7℃;最低氣溫在1月份，平均溫度－15.2℃。本文以烏魯木齊的中心城區(qū)為主要研究對象。

2.數(shù)據(jù)的選擇與處理

本文利用Landsat的TM圖像，其中除TM6的空間分辨率為120 m外，其余波段的空間分辨率為30 m;選取的是烏魯木齊1990年8月6日和2010年8月26日的圖像;平均云量為0，數(shù)據(jù)來源于國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺［1］。

本文選擇烏魯木齊為研究對象，因此需要從一幅TM圖像上裁剪出烏魯木齊地區(qū)的圖像，使用的輔助數(shù)據(jù)是1∶400萬行政區(qū)劃圖，在ENVI中進行裁剪;同時由于要研究中心城區(qū)的熱島效應(yīng)，本研究通過圖像建立ROI，完成對中心城區(qū)的裁剪［2］，剪裁結(jié)果如圖1所示。

圖1 烏魯木齊市主城區(qū)

三、研究方法

1.亮度溫度計算

TM有6個波段，其中第6波段為遠紅外波段。由于城市范圍有限，且云量覆蓋度為0，假設(shè)在此研究區(qū)域內(nèi)水汽含量近乎一致［3］，采用地表亮溫進行城市熱島的研究。步驟如下:

1)把像元的DN值轉(zhuǎn)換為輻射亮度，其公式為

2)把輻射亮度值轉(zhuǎn)換為地表亮度溫度，其公式為

式中，T為亮度溫度;L為輻射亮度值;K1和K2為定值，對于 TM 數(shù)據(jù)，K1=60.776 mWcm－2sr－1μm－1，K2=1 260.56K。

3)由于兩幅圖像的成像時間不同，為了避免極端天氣的影響，對地表亮溫進行歸一化處理，并將處理后的結(jié)果值劃分為3個等級［4］，即低溫區(qū)(0～0.4)、中溫區(qū)(0.4～0.7)和高溫區(qū)(0.7～1.0)。等級分布如圖2、圖3所示。

圖2 烏魯木齊熱效應(yīng)分布

圖3 1990年和2010年烏魯木齊市區(qū)亮度溫度

2.植被覆蓋的計算方法

植被覆蓋計算式中的f是指植被冠層垂直投影所得面積與土壤總面積的比值，在二分模型中遙感器所測得的反射輻射R可表示為

式中，Rv為植被的總反射輻射;Rs為土壤的總反射輻射;f為植被覆蓋度。則

利用植被指數(shù)也可以計算植被覆蓋度(如圖4所示)，即

式中，NDVI為所求像元的植被指數(shù);NDVImin與NDVImax分別為研究區(qū)域內(nèi)NDVI的最小值和最大值。

圖4 烏魯木齊植被覆蓋度

四、結(jié)果分析

1.城市熱島時空分析

本研究先對地面溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進行歸一化處理，再進行等級劃分，處理后的結(jié)果值劃分為3個等級，即低溫區(qū)(0～0.4)、中溫區(qū)(0.4～0.7)和高溫區(qū)(0.7～1.0)，見表 1。由圖2 可以看出，烏魯木齊市確實存在著城市熱島效應(yīng)，但由于其特殊的地形，城市熱島有新的特點:①市區(qū)和周圍的戈壁地區(qū)溫度較高;②由于東西南三面環(huán)山，當(dāng)太陽出來以后，隨著太陽高度角的不斷增大，郊區(qū)的戈壁迅速增溫，因此在局部地區(qū)甚至形成了“城市冷島”效應(yīng);③城市的北部多為人口居住的郊區(qū)且植被覆蓋度很高，因此從圖中可以很清楚地看到這一區(qū)域溫度較低［4］。

表1 烏魯木齊城市熱效應(yīng)變化

由表1可以看出，2010年相比于1990年，其高溫區(qū)減小了13.83%，中溫區(qū)增加了6.89%，低溫區(qū)增加了6.94%，而平均溫度增加了1.16 K。烏魯木齊在不斷地變熱，這與近幾年城市化速度不斷加快是相對應(yīng)的［5］。

2.地物類型熱島的影響分析

結(jié)合城市熱島分布圖(如圖3所示)和城市土地利用分布圖(如圖1所示)可以看出，溫度與土地利用格局大致存在以下規(guī)律:裸地＞城市用地＞綠地。其中裸地主要集中于高溫地區(qū)，綠地主要集中于低溫地區(qū)，城市用地主要集中于中溫地區(qū)。

通過不同下墊面和城區(qū)亮度溫度的二維散點圖(如圖5、圖6所示)可以看出，綠地對城市熱島有很好的緩解作用，而裸地和建筑物有增溫作用。由于它們的作用不是簡單的線性化，因此定義W指數(shù)來代表變化的快慢，W植被=26.72，W城市用地=38.46。從W的大小可以看出，植被對城市熱島效應(yīng)的減緩速度小于城市擴張對城市的增溫作用。因此，要有效減緩城市熱島不僅要增大綠化面積，更重要的是減緩城市的擴張速度［6］。

圖5 植被NDVI與城市亮溫的二維散點圖

圖6 城市用地NDBI與城市亮溫的二維散點圖

3.植被覆蓋與熱島關(guān)系分析

植被覆蓋度變化見表2，可以看出，2010年與1990年相比，高植被覆蓋度的區(qū)域減小了2.70%;中植被區(qū)域面積增加了5.33%，而低覆蓋植被的區(qū)域減小了1.93%?？傮w上烏魯木齊的植被地覆蓋面積增大了，但也有一些特點:增大的主要是中覆蓋度的區(qū)域，高覆蓋區(qū)域的面積卻減小了;城市綠地的分布比較分散，沒有了以前的大面積集中分布［7］。

表2 烏魯木齊植被覆蓋度變化 (%)

從圖7可以看出，在整體上隨著植被覆蓋的不斷增大亮度溫度在不斷減?。?］。但從圖8(a)中可以看出，當(dāng)植被覆蓋度在0～30%時，隨著植被覆蓋的增加，亮溫也在不斷增加。從圖8(b)和圖8(c)可以看出，當(dāng)植被覆蓋度大于30%時，隨著植被覆蓋度的不斷增加，亮度溫度在不斷減小。為了定量地研究其變化，本文定義W指數(shù)代表亮度溫度隨植被覆 蓋 度 變 化 的 速 率。W高植被覆蓋區(qū)域=47.533，W中等植被覆蓋區(qū)域=57.86。可以得知，中等植被覆蓋區(qū)域?qū)囟鹊臏p緩作用大于高等植被覆蓋區(qū)域的溫度減緩［9］。

圖7 植被覆蓋度和亮溫的二維散點圖

圖8 不同植被覆蓋度與亮度溫度之間的關(guān)系

由圖8可以假想存在一個閾值，當(dāng)植被覆蓋度小于該閾值時，亮度溫度隨著植被覆蓋度的增加而增加;當(dāng)植被覆蓋度大于該閾值時，亮度溫度隨著植被覆蓋度的增加而減小。對于該閾值的計算本文假設(shè)單位面積的綠地降溫為a(a＜0)。對于城市用地升溫的確定本文采用以下方法:分別取一塊綠地覆蓋很大的區(qū)域和一塊建筑物覆蓋很大的區(qū)域，并分別計算區(qū)域的平均溫度，然后與整個城市的平均溫度作比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)綠地的減溫平均為5℃，而城市用地的增溫只有2℃［10］。因此可設(shè)單位面積上的城市用地升溫為－0.4a。假設(shè)一個像元的植被覆蓋度為x，則城市用地面積為1－x，那么單位面積的土地放熱為 Q=ax+0.4a(x－1)。當(dāng) x＞0.285 7 時，Q＜0，當(dāng) x＜0.285 7 時，Q＞0。因此可以得知閾值為Q＜0，也就是只有當(dāng)植被覆蓋度大于28.57%時，才能起到很好的降溫作用。這與從圖像上觀察到的結(jié)果基本一致。

五、結(jié) 論

1)隨著烏魯木齊城市化速度的加快，城市溫度不斷提高，已經(jīng)形成了城市熱島。但烏魯木齊的城市熱島有其自身的特點，由于烏魯木齊三面環(huán)山，有時甚至出現(xiàn)“城市冷島”現(xiàn)象。

2)造成城市熱島效應(yīng)的因素中，裸地＞城市用地＞綠地＞水體。綠地可以減緩城市熱島效應(yīng)，但是小面積、分散的綠地對城市熱島的減緩作用不明顯。不同地物相鄰的區(qū)域存在著邊緣效應(yīng)，這可能也是小面積綠地對城市熱島的緩解作用不明顯的原因。

3)整體上隨著植被覆蓋度的增大，城市熱效應(yīng)在不斷減緩。但是，當(dāng)植被覆蓋小于30%時，隨著植被覆蓋的增加亮度溫度也在不斷增加［11］。植被覆蓋度在30%～60%的區(qū)域?qū)嵝?yīng)的減緩作用要大于植被覆蓋度大于60%的區(qū)域。

4)若想解決和消減熱島效應(yīng)給人們的生產(chǎn)生活所造成的危害，應(yīng)增加能夠減少溫室氣體污染力度的生態(tài)綠色投入，增加城市綠化率，改變城市空氣質(zhì)量。解決城市熱島效應(yīng)的工作不僅是增加綠地這些措施，還應(yīng)該注意減少在城市化建設(shè)過程中人們對熱能的使用。對城市污水的熱排放，應(yīng)采取有效的管理手段［12］。

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