基于遙感的重慶市主城區城市熱環境研究

肖蓓蓓

(1．重慶欣榮土地房屋勘測技術研究所，重慶 400020 ；

2．重慶市土地利用與遙感監測工程技術研究中心，重慶 400020)

基于遙感的重慶市主城區城市熱環境研究

肖蓓蓓1，2

(1．重慶欣榮土地房屋勘測技術研究所，重慶 400020 ；

2．重慶市土地利用與遙感監測工程技術研究中心，重慶 400020)

摘要：在遙感和地理信息系統技術支持下，以LANDSAT5為數據源，運用遙感熱紅外影像的地溫反演技術和植被指數對重慶市主城區的熱環境進行了研究，以揭示重慶市主城區城市熱環境的空間格局及其與植被的關系。研究發現：重慶市主城區存在明顯的熱島效應，熱島主要分布在車站、工業區、城市交通干道等區域，而城市交通網對于熱島的空間分布有很大影響，即城市熱島常常沿著交通干線分布；對地表溫度與植被指數格局對比研究發現，城市地表溫度與植被指數有著大致相反的空間分布規律，城市地表溫度高的區域對應的植被指數一般都比較低，而地表溫度低的區域對應的植被指數一般都比較高，二者在城市建筑、交通干道上表現得特別明顯，對溫度與植被指數的回歸分析發現地表溫度與植被指數之間呈現出顯著的負相關關系，植被指數升高0.1，平均地表溫度則降低大約1.3℃。

關鍵詞：城市熱環境；衛星遙感；植被指數；重慶

1引言

隨著城市化進程不斷加速，隨之而帶來的城市生態環境問題也引起了廣泛的關注[1,2]，其中的“城市熱島”是受到人類關注較早且廣泛的一種環境問題。傳統的熱島研究方法包括單站氣溫變化趨勢法、一個或幾個城市站和一個或幾個鄉村站氣溫變化趨勢比較法、一對或一組城市與鄉村站溫差比較法、城市和城郊固定站網的溫度分布法等，這些方法對“城市熱島”效應的研究發揮著重要作用[3]；隨著地理信息系統和遙感技術尤其是熱紅外技術的發展，出現了對因城市下墊面性質的差異引起的地表溫度差異的熱島研究，這種地表溫度熱島與傳統的氣溫熱島是互相聯系的但又不相同的，與氣溫熱島相比，地表溫度熱島的成因更簡單一些，它主要決定于地表的溫度，而氣溫熱島除上述因素外，還與平流的影響有關，盡管二者存在差別，但氣溫熱島與地表溫度熱島的時空分布卻是相似的，都可以用來研究揭示“城市熱島”現象[3]，因而也被廣泛用來研究城市的熱島現象(本研究中所指的熱島便是指地表溫度熱島，下同)，這種方法通過熱紅外傳感器探測城市地表溫度，應用地理信息系統對所獲取的遙感數據進行處理數據分析，能夠全面地探測城市地表溫度特征，還能周期性、動態地監測城市熱環境的變化趨勢[4]，為“城市熱島”效應的研究提供了新的技術手段[5]，極大地促進了“城市熱島”效應的研究。

重慶市是我國最年輕的直轄市，是長江上游的政治、經濟、文化中心，近年來，隨著城市化進程的不斷加快，主城區大規模的城市基礎設施建設強烈地改變著地表的結構，導致地表水分蒸騰減少、徑流加速、顯熱的存儲等一系列環境問題[1]，使得重慶主城區的熱島效應日益顯著，對人們的日常生產生活產生了嚴重的影響，然而針對重慶主城區熱島的專門研究的報道卻很少。因此，本文在地理信息系統和遙感技術的支持下，采用LANSAT5的熱紅外影像對重慶市主城區的地表溫度進行定量反演，得到了重慶市主城區地表熱場的格局，并在此基礎上探討了“城市熱島”與植被指數之間的關系，其研究結果對于城市生態環境建設，改善城市人居環境，促進城市的可持續發展具有重要的意義[10]。

2資料與方法

2.1　研究區域

本研究以重慶市主城區為研究區域(主要包括內環高速以內的重慶市主城區和銅鑼山、中梁山的部分區域)，東西長約24km，南北長約20km，面積約480km2，地理位置介于東經106°22′53″~106°37′57″之間，北緯29°26′31″~29°37′37″之間；地形從南北向長江河谷傾斜，起伏較大，重慶主城區位于南北走向的銅鑼山與中梁山之間，多為丘陵和低山，海拔約200~350m，是典型的山城，長江、嘉陵江穿行于研究區內并在朝天門匯合；氣候屬亞熱帶濕潤季風性，雨量充沛，空氣濕潤。研究區的地理位置如圖1。

圖1　研究區域示意圖

2.2　數據及其預處理

本文利用的溫度反演數據為2004年8月LANDSAT5的第6波段數據，該影像圖像清晰，成像條件較好，可用于溫度反演計算；所用的幾何校正參考數據為1∶50000的地形圖，在遙感圖像處理軟件ERDAS中對遙感影像的幾何變形進行較正，保證配準時的剩余誤差在一個像元以內，以達到精度的要求；其它的輔助數據包括重慶市主城街道圖、行政區劃圖等。

2.3　城市地表溫度反演

衛星傳感器輸出的數值只是電信號數值或模擬量，我們所得到的數據是以灰度值(DN, Digital Number)來表示的，不是實際的反射或輻射強度；在推算地表真實溫度之前，必須從TM數據中求算地表輻射強度[11]。對于LANDSAT5而言，輻射定標常常采用定標系數(增益和偏移系數)把DN值轉化為相應的熱輻射強度值，其輻射校正公式為[12]：

Lλ=gain×DN+offset

(1)

式中：Lλ為傳感器獲取的熱輻射值，gain為衛星的增益系數，offset為偏移系數，這兩個系數可以在原始影像的頭文件中獲取。

再通過輻射亮度推算亮度溫度，其計算公式為[12]：

(2)

式中：TB為亮度溫度，其中K1和K2為標定常數，對于LANDSAT5的TM6波段而言K2=1260.56K，K1=60.776mw(cm)-2， (sr)-1(μm)-1。

最后通過輻射亮溫求算地表溫度，用比輻射率(ε)對輻射亮溫進行校正，使之成為地表溫度[13]，其校正公式為：

(3)

式中：TS為地表溫度，TB為亮度溫度；λ為發射輻射的波長，取熱紅外波段平均值λ= 11.5μm，β=1.438 ×10-2mk，ε為比輻射率。

2.4　比輻射率的計算

由于城市下墊面非常復雜，直接確定比輻射率是比較困難的，一般都采用下面的間接方法來計算ε[9，14~17]：

ε=1.0094+0.047ln(NDVI)

(4)

此公式要求NDVI的值介于0.157～0.727之間，對于城市而言，有很多小于0.157的像元，主要由裸露地和水體組成，從這部分地表中提取出水體后，剩下的是裸露地表，主要由城市水泥、瀝青路面或屋頂組成，據相關的研究，將其比輻射率定為0.923[18]，而水面，根據相關研究將其比輻射率定為0.9925[19]。根據公式得到地表比輻射率分布如圖2。

圖2　重慶主城區地表比輻射率的空間格局

2.5　植被指數的計算

城市熱環境與植被是緊密相關的，而NDVI是表征地表植被覆蓋特征的一種常用的植被指數[26]，其計算公式如下:

(5)

式中：B4和B3分別為TM影像在第4波段(近紅外波段)和第3波段(紅色波段)的反射率，植被指數可以在遙感處理軟件ERDASA中直接計算得到，圖3b即為重慶市主城區的植被指數分布圖。

圖3　重慶市主城區地表溫度與植被指數(NDVI)的空間格局

3結果與分析

3.1　城市熱環境空間分布特征

根據上述的地表溫度反演方法對2004年8月TM5的重慶主城區地表溫度進行了處理。圖3a提供了重慶市主城區地表溫度的反演結果。圖上顯示城區的溫度要高于城郊地區，具有明顯的“城市熱島”效應，由于受到城市復雜下墊面性質的影響，在城區內部地表溫度的差異也十分顯著，高溫區主要分布在城區的城市建筑和交通干道上，如居民生活區、車站、工業區等，這些地方主要是由金屬、瀝青、水泥等不可滲透材料構成的，而且人口密度相對較大，人為活動頻繁，建筑物多而且密集，植被覆蓋較差，因而產生的熱量較多；而城市交通網對熱島的空間分布有很大影響，這與車輛排出的尾氣和路面的下墊面性質有關，而且隨著交通干線的延伸，城市建設也常沿交通干線布局，往往形成新的工業區、居住區，最為典型的是沿高速公路發展起來的新型工業區，形成了的城市明顯的高溫區，對“城市熱島”的形成起到了明顯的促進作用。圖3a清楚地顯示重慶主城區的內環高速、北濱路等城市主干道；渝北的火車北站、汽車北站；江北區的長安汽車集團；沙坪壩區的火車站、汽車站；渝中區的菜袁壩火車站；九龍坡區的九龍園區、建設工業集團；大渡口區的重慶鋼鐵集團公司、重鋼廢金屬廠等形成了重慶主城區的主要熱島區域，其溫度要明顯地高于周邊地區。

水體、公園和綠地具有明顯的降低城市溫度的作用，其對應溫度一般都較低，水體的熱容量很大，是城市氣候的調節器；綠地植物可以發揮其降溫增濕的生態作用，對周圍環境有一定的調節能力。從圖3a上可以清楚地看出長江和嘉陵江形成了一個最為明顯的低溫區，而具有主城“肺葉”之稱的中梁山和銅鑼山因為高的植被覆蓋也形成了明顯的低溫區，而在城區內幾個較大的公園綠地、水庫也形成了低溫中心，這些區域被高溫區所包圍形成了城市的“冷島”，特別是中梁山和銅鑼山對主城區氣候的調節中發揮著重要的作用。

3.2　地表(下同)溫度與植被指數的空間差異

城市熱環境與植被是緊密相關的，而NDVI是表征地表植被覆蓋特征的一種常用的植被指數[20]，NDVI在一定程度上代表了土地利用/覆蓋的變化情況，探討NDVI與地表溫度的關系，在一定程度上代表了植被覆蓋與地表溫度的關系。

圖3同時提供了重慶主城區地表溫度和植被指數(NDVI)的格局信息，從兩圖的空間分布圖上總體來看，地表溫度與NDVI在空間變化上具有大致相反的趨勢。對于地表溫度來說，主城區要高于城郊地區，而NDVI則相反，城郊地區要明顯高于主城區；二者對于一些城市建筑、高速公路、城市主要道路都具有較強的敏感性，不過地表溫度對應的是高值區，而NDVI則為低值區；對公園綠地、森林景觀來說，NDVI則表現為高值區，地表溫度則為低值區，中梁山和銅鑼山是在城市熱環境中形成了低溫區域，而對應的NDVI則是高值區域。水體則是一個特例，從圖上可以看出二者都形成了低值區，其中以嘉陵江和長江最為明顯。

為了更直觀、定量化地研究地表溫度與NDVI的關系，在東西和南北方向上各選擇了一個剖面，并利用遙感處理軟件ENVI分別提取了每個剖面上的地表溫度與NDVI的值，結果如圖4和圖5，從圖上可以清楚地看出，無論是東西方向還是南北方向上，地表溫度和NDVI的值都具有大致相反的變化趨勢，地表溫度高的區域對應NDVI一般都較低，例如在東西方向上的九龍園區，南北方向上的火車北站的溫度都比較高，而對應的NDVI值都較低，而地表溫度低的區域對應NDVI一般都較高，例如在東西方向上的南山，南北方向上的龍頭寺公園都具有這個特征，而水體依然是個例外，在兩個剖面方向上的長江和嘉陵江的溫度和NDVI都有形成了低值區域。

將兩個剖面的地表溫度與NDVI(去除水體)數據導入到SPSS中，經過回歸分析得到地表溫度()與NDVI之間的回歸方程為：

T=312.463-12.972DNVI

(6)

方程的相關系數為0.816，相關系數在0.01置信水平上是顯著的，從中可以發現地表溫度與NDVI具有顯著的負相關關系，NDVI每升高0.1，平均地表溫度則降低大約1.3℃，可見城市地表植被對重慶市主城區熱島的形成有重要的影響，這比相關的研究要稍微偏大[7,21]，說明了重慶市主城區地表溫度受NDVI的變化較為敏感。而有研究也表明植被覆蓋度在較低水平時，其對地表溫度的影響要高于高植被蓋度區域[9]，這也說明了重慶市城市的植被覆蓋還處于較低的水平。

3.3　緩解城市熱島的建議

從公式中6中可以看出要降低城市地表的溫度就要提高NDVI值，不同的土地利用類型的NDVI值差異較大，對城市熱場變化有著重要的影響，火車站、汽車站、工業園區用地NDVI值較低，極易形成城市的熱島，因此應該加強對這類用地的規劃管理，盡可能地在遠離城市的區域安排此類用地，并配合大面積的綠化帶，改善小氣候。城市植被具有較高的NDVI值，對熱島效應具有良好的緩解作用，因此在城市規劃與建設中要盡可能地提高城市綠化率，構建良好綠化結構，另外由于重慶特殊的地理環境，山地、丘陵多，平地少，城市用地緊張，建筑密度大，應因地制宜，大力提倡屋頂綠化，這既可以有效增加綠化面積，緩解用地矛盾，還可以美化城市環境，防暑降溫，弱化城市熱島效應。

4結語

本文在地理信息系統和遙感技術的支持下，利用熱紅外遙感影像對重慶市主城區的地表溫度進行了反演，得到了主城區的熱環境和植被指數的空間分布格局，研究發現重慶市主城區存在明顯的熱島效應，而城市內部熱島效應也具有很大的差異性，其熱島主要分布在車站、工業區、城市交通干道等區域，而城市交通網對于熱島的空間分布有很大影響，即“城市熱島”常常沿著交通干線分布；而在一些公園、水體、森林的表面上形成了一些大大小小的“冷島”區域，以長江和喜陵江，中梁山和銅鑼山最為明顯。

對地表溫度與植被指數格局對比研究發現，城市地表溫度與植被指數有著大致相反的空間分布規律，城市地表溫度高的區域對應的植被指數一般都比較低，而地表溫度低的區域對應的植被指數一般都比較高，二者在城市建筑、交通干道上表現得特別明顯，而水體則例外，二者都對應著低值區域；進一步地采用剖面線的方法地

圖4　東西剖面地表溫度和NDVI的格局

圖5　南北剖面地表溫度和NDVI的格局

表溫度和植被指數的東西和南北方向上各取一剖面，對同一剖面的地表溫度和植被指數的對比分析更加進一步證實了此規律，利用SPSS對剖面的地表溫度與植被指數的回歸分析發現地表溫度與植被指數之間呈現出顯著的負相關關系，植被指數升高0.1，平均地表溫度則降低大約1.3℃。可見地表植被對重慶市主城區熱島的形成有重要的影響。

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StudyontheUrbanThermalEnvironment

ofChongqingMunicipalityBasedonRemoteSensing

XiaoBeibei

(1. Chongqing Jubilant Land and Housing Investigation Techniques Institute, Chongqing 400020, China;

2.Chongqing Engineering Research Center of Land Use and Remote-Sense Monitoring,Chongqing 400020,China)

Abstract:With the technical support of remote sensing and geographical information system, this article takes LANDSAT5 as data source and studies the urban thermal environment in main urban area of Chongqing based on surface temperature inverse technique of thermal infrared remote sensing image and vegetation index, which aims to reveal the spatial pattern of the urban thermal environment and its correlation with vegetation. The results show that there is an intense urban heat island effect in Chongqing municipality. Heat islands mainly distribute in the bus or railway stations, the industrial area and the artery of the transport. and the net of the transport greatly affects the spatial distribution of the heat island, which means the urban heat islands usually distribute along the arterial traffic; the comparative study on the land surface temperature and the vegetation index indicates that there's an opposite spatial distribution pattern of urban land temperature and vegetation index. In the urban architectures and the artery of the transport, the differences are quite obvious. The area with the high land surface temperature always has a low vegetation index while the area with the low land surface temperature always has a high vegetation index. The results of regressive analysis show that there is a significant negative correlation between the land surface temperature and vegetation index. In general, the vegetation index increases 0.1 and the average land surface temperature decreases about 1.3℃.

Key words:urban thermal environment; satellite remote sensing; vegetation index; Chongqing

中圖分類號：TP79

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944(2015)04-0036-05

作者簡介：肖蓓蓓(1981—)，女，四川邛崍人，工程師，碩士，主要從事土地利用規劃、國土遙感等方面工作。

收稿日期：2015-03-02