基于TM影像的唐山市城市熱島效應研究

劉廣杰，王金亮

(云南師范大學旅游與地理科學學院，云南 昆明 650500)

基于TM影像的唐山市城市熱島效應研究

劉廣杰，王金亮

(云南師范大學旅游與地理科學學院，云南 昆明 650500)

摘要：城市熱島效應是城市化過程對氣候影響的典型表現。利用Landsat TM影像對2000年和2009年唐山市中心城區及其周邊區域溫度進行反演，分析了唐山市熱島效應在空間上的變化，發現唐山市熱島效應在空間上分布范圍增大，在強度上減弱的現象，并分析了熱島效應與NDVI的關系，對改善熱島效應提供了一定的建議。

關鍵詞：熱島效應； Landsat TM；溫度反演；唐山市

0引言

城市熱島是城市主城區的氣溫高于城區周邊郊區的現象，是城市化過程中氣候變化最明顯的表現之一，反映了城市面積的擴大對區域環境的影響。城市熱島形成的因素包括下墊面、人為熱和溫室氣體排放3個方面。城市內部下墊面不透水面積大，降水很快從排水管流失，可供蒸發的水分比郊區少：大量人工構筑物改變了下墊面的熱屬性，瀝青、水泥混凝土等人工構筑物具有較小的熱容量和吸熱快的特性，在相同的環境條件下，比綠地或其他自然下墊面升溫快，因而其表面溫度明顯高于自然下墊面，形成了城市中以人工構筑物為中心的高溫區域。城市中排放的大量人為熱、溫室氣體CO2等也是形成熱島的一個重要原因。近年來, 隨著我國城市化進程的加快，特別是大城市區域規模的擴大，城市熱島現象日益明顯，而唐山作為北方重要的工業城市和特大城市之一，在其城市化過程中必然對周圍的區域環境產生一定的影響。唐山市熱島效應的變化具有一定的代表性，對其進行研究有利于進一步揭示城市化對區域環境的影響。

1分析區域概況

唐山位于河北東部沿海，東隔灤河與秦皇島相望，西與天津毗鄰，南鄰渤海，北依燕山，隔長城與承德接壤，是河北省的主要出海通道和主要經濟區。全年降水量在600mm左右，年均氣溫11℃。唐山地區是中國乃至世界最重要的工業區之一，擁有鋼鐵、石油、化工、陶瓷、機械制造等支柱產業，同時也是東北亞地區重要的港口城市和物流中心，擁有四通八達的高速公路網絡和世界級億噸深水大港曹妃甸港。唐山市的國內生產總值、人均GDP、人均可支配收入等主要經濟指標常年位居河北省首位。

2研究方法

2.1數據源

本文選用2000年9月6日和2009年9月15日2個時相的遙感影像(Landsat-5 TM)數據作為數據源。軌道號為122/032，影像覆蓋整個唐山市市轄區。在進行熱島效應遙感研究中,基礎分析數據是TM影像的第6波段，波長范圍為10.4～12.5μm。

2.2地面輻射溫度計算

地面輻射溫度，是遙感器在衛星高度所觀測到的熱輻射強度相對應的溫度。Landsat TM/ETM+的第6波段為熱紅外波段，其波長范圍為10.4～12.5m，對熱異常敏感，可用于熱島研究中辨別地表溫度差異。Landsat TM/ETM+的第6波段提供的熱紅外波段的空間分辨率分別為120m和60m，遠高于氣象衛星NOAA/AVHRR遙感數據的空間分辨(1.1km)。Landsat影像的像元所對應的數據是以灰度值(DN值)來表示的，TM6 DN值越大，表示地表熱輻射強度越大，溫度越高。從ETM+/TM6求算亮度溫度的過程需要將DN值轉化為相應的熱輻射強度值，然后根據熱輻射強度推算對應的亮度溫度。對于TM影像，各像元的輻射強度與其DN值有如下的關系：

Lλ=Gain×DN+Bias

式中：Lλ-M傳感器接收到的輻射強度；DN- TM影像的像元灰度值；Gain和Bias-分別為TM的增益和偏置。

將熱輻射強度轉換為像元亮度溫度的公式為:

式中：TB-像元亮度溫度，單位為開；K1、K2-衛星發射前預設的常量。

2.3地表比輻射率計算

地表比輻射率又稱為發射率，是指物體在溫度T波長λ處的輻射出射度與同溫、同波長下的黑體輻射出射度的比值，它主要取決于地表的物質結構和遙感器的波段區間，并隨著觀測條件(觀測波長、觀測角度等)的變化而變化。在大尺度上對比輻射率精確測量的難度很大，目前只是基于某些假設獲得比輻射率的相對值，本文主要根據可見光和近紅外光譜信息來估計比輻射率。計算地表比輻射率所需的植被覆蓋度Pv 的計算采用的是混合像元分解法,將整景影像的地類大致分為水體、城鎮和自然地表，具體的計算公式如下：

式中，NDVI-歸一化植被指數，NDVIv-代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值；NDVIs-代表裸露地表覆蓋區域的NDVI值，即無植被覆蓋像元的NDVI值。

根據覃志豪的研究[6，11]，將遙感影像分為水體、城鎮和自然表面3種類型。本專題采取以下方法計算研究區地表比輻射率：水體像元的比輻射率賦值為0.995，自然表面和城鎮像元的比輻射率估算則分別根據下式進行計算：

εsurface=0.9625+0.0614Pv-0.0461Pv2

εbuilding=0.9589+0.086Pv-0.0671Pv2

式中：εsurface和εbuilding-分別代表自然表面像元和城鎮像元的比輻射率。

2.4輻射傳輸方程

輻射傳輸方程法利用與衛星過空時間同步的大氣數據來估計大氣對地表熱輻射的影響，把這部分大氣影響從衛星傳感器所觀測到的熱輻射總量中減去，從而得到地表熱輻射強度，再把這一熱輻射強度轉化為相應的地表溫度。

衛星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ由三部分組成：大氣向上輻射亮度Lup；地面的真實輻射亮度經過大氣層之后到達衛星傳感器的能量；大氣向下輻射到達地面后反射的能量。衛星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值的表達式可寫為(輻射傳輸方程)：

式中：ε-地表輻射率，Ts-地表真實溫度，B(TS) -普朗克定律推到得到的黑體在TS的熱輻射亮度，τ-大氣在熱紅外波段的透過率。

則溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度B(TS)為:

上式中所涉及的參數，可在NASA依據影像成像時間和中心經緯度查詢獲得(如圖1)。

3結果分析

3.1城市熱島效應時空演變特征

利用上面的公式，分別反演出2000年和2009年唐山市的地表溫度。反演結果如圖2、圖3所示。由于天氣、溫度等原因，為了提高研究的可比性，本文引入相對亮溫來表示城市熱島效應強度[1]。相對亮溫是該點亮溫減去平均亮溫與區內平均亮溫之比，將它作為描述該點熱島強度的一個指標，其表達式為：

式中：TR-表示相對亮溫，Ti-表示研究區第i點亮溫，Ta-表示研究區的平均亮溫。

根據計算的相對溫度對研究區的熱島效應按照表1進行等級劃分。

表1　熱島等級劃分

對反演的地面溫度進行熱島等級劃分，其結果如圖4、圖5所示。

從圖中可以看出，2000年的唐山市城市熱島現象十分明顯，城區的溫度明顯高于周邊郊區的溫度，形成島嶼狀的高溫區域，界線清晰。熱島區主要分布于路南區和開平區、古冶區、豐潤縣城(現唐山市豐潤區)。所有的高溫區域都出現在居民聚集地區，表現為城市熱島特征。強熱島區分布于路南和開平區且形成被熱島區包圍的態勢，主要因為此區域建筑物密集，陸地下墊面以不透水層為主，綠化面積較少，熱島效應明顯，只有市中心的大城山區域成為孤立的綠島。城市周邊溫度降低明顯，在人口聚集的村莊和城鎮表現為弱或中等熱島。綠島區主要是植被覆蓋較高的地區及各類水體。

通過2009年的熱島強度圖可以看出，由于城市的發展，不透水層面積增大，熱島區域也較2000年有明顯的變化。但由于綠色發展理念的提出和唐山市實施的城市轉型戰略，地表綠色植物的增多，環境的改善，使市轄區中心區域的熱島強度得到明顯的降低。表現較為明顯的即為陡河水庫區域，由于水質污染和工程施工，在2000年的熱島強度圖中表現為強熱島，而在2009年中則表現為綠島和弱綠島。

表2為研究區內2000年和2009年各個熱島等級的面積變化情況，從表中可以看出，由于城市的發展，綠島區域的面積下降了294.29km2，但由于可持續發展理念的實施，研究區域內的弱綠島面積得到增加，同時極強熱島和強熱島的面積均有明顯的下降。由此可以看出，城市綠地面積的增加可以有效地改善城市熱島效應的強度，降低下墊面溫度。

表2　研究區內2000年到2009年熱島等級變化

3.2城市熱島效應與植被關系

植被是影響城市熱島效應最重要的因素之一，地表溫度在有植被覆蓋和無植被覆蓋的地方差異很大，因此熱島效應的強度會因植被覆蓋的不同而不同。本文采用歸一化植被指數(NDVI)來衡量植被覆蓋。計算公式如下：

式中：ρnir和ρred-分別是近紅外波段和紅光波段。

本文利用TM影像的3、4波段，分別計算2000年和2009年研究區內的NDVI，結果如圖6、圖7。

從圖中可看出在非城市地區，NDVI值是比較大的，而且隨著城市發展、不透水層面積的增加，NDVI值逐漸降低，在商業區、工業區和一些居住區，植被的覆蓋較少，NDVI值則很小。結合圖5和圖7，可以發現NDVI指數和熱島效應強度呈明顯的負相關(水體由于其特殊性，NDVI很低，但溫度不高)，NDVI較高的區域，地表溫度相對較低，熱島強度低，多為城市的綠島和弱綠島區域，如大城山和鳳凰山公園、城市周邊郊區廣闊的農田等；而NDVI較低的地區，地表溫度相對較高，熱島強度高，多為研究區內的熱島和強熱島區域。

兩個年份的NDVI圖對比可以發現，研究區內植被覆蓋正在迅速減少，以路南區和開平區、古冶區、豐潤區為中心沿公路向外輻射的區域內，植被覆蓋整體呈現降低趨勢，導致城區中間的過渡地帶綠島減少，城市熱島效應的面積增大，并有以上述三個區域為中心連接成片的趨勢。

4城市熱島效應改善措施

(1)要保護城區的綠地、水體面積。因為城區的水體、綠地對減弱夏季城市熱島效應起著十分可觀的作用。綠地能吸收太陽輻射，而所吸收的輻射能量又有大部分用于植物蒸騰耗熱和在光合作用中轉化為化學能，用于增加環境溫度的熱量大大減少。綠地中的園林植物，通過蒸騰作用，不斷地從環境中吸收熱量，降低空氣的溫度。研究表明：城市綠化覆蓋率與熱島強度成反比，綠化覆蓋率越高，則熱島強度越低，當覆蓋率>30%后，熱島效應得到明顯的削弱；覆蓋率>50%，綠地對熱島的削減作用極其明顯。規模>3hm2且綠化覆蓋率達到60%以上的集中綠地，基本上與郊區自然下墊面的溫度相當，即消除了熱島現象，在城市中形成了以綠地為中心的低溫區域，成為人們戶外游憩的優良環境。

(2)城市熱島強度隨著城市發展而加強，因此在控制城市發展的同時，要控制城市人口密度、建筑物密度。因為人口高密度區也是建筑物高密度區和能量高消耗區，常形成氣溫的高值區。應優化城市結構，加強城市周邊二級城市的建設，合理控制主城區規模，防止人口過渡集中于城區。城市布局應符合空間環境的要求，盡量減少對大氣流動的阻礙，以利于空氣流動，緩解局部地區溫度分布不均的狀況，緩解熱島效應。

(3)減少人為熱釋放，盡量將民用煤改為液化氣、天然氣。改善能源配置和使用條件，可采用工業集中、供熱集中的方式。控制城市機動車數量，一方面減少人為熱的產生，另一方面能減少溫室氣體的排放，有利于緩解熱島效應。

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Research on Urban Heat Island Effect Based on

Landsat TM Images of Tangshan City

LIU Guang-jie，WANG Jin-liang

(College of Tourism & Geographic Sciences, Yunnan Normal University, Kunming Yunnan 650500 ,China)

Abstract：Urban heat island effect is a typical manifestation of the climatic effect of urbanization process. The temperature of Tangshan downtown and its surrounding area in the year of 2000 and 2009 were inversed based on the Landsat TM images of 2000 and 2009. The changes of temperature of these two years were examined. The results showed that Tangshan heat island effect increased in terms of the space distribution. However, it decreased on the strength. The relationship between NDVI and the heat island effect was analyzed, which provides some suggestions to improve the heat island effect.

Key words：urban heat island; Landsat TM; temperature inversion; Tangshan

中圖分類號：X83

文獻標志碼：A

文章編號：1673-9655(2015)04-0118-05

收稿日期：2014-11-29