熱紅外遙感在海綿城市熱島效應監測中的應用

王元波（常德市國土資源規劃測繪院，湖南　常德　415000）

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熱紅外遙感在海綿城市熱島效應監測中的應用

王元波（常德市國土資源規劃測繪院，湖南常德415000）

隨著城市化進程的不斷加快和城市經濟的不斷發展，城市環境問題變得越來越嚴峻，其中熱島效應的增強就是一個非常突出的環境問題。采用熱紅外遙感技術進行城市熱島效應監測，不僅能夠有效的對地面熱狀況進行調查和了解，還能夠全面的對城市熱島形成的原因和分布特點進行研究，提出有效的治理措施，從而對城市生態環境進行保護和改善。本文主要結合筆者多年工作經驗，闡述熱紅外遙感在海綿城市熱島效應監測中的應用。

熱紅外；遙感；海綿城市；熱島效應；監測

引言

隨著社會經濟的快速發展，城市規模的不斷擴大和人口數量的不斷增加，城市熱島效應變得越來越嚴重，對城市熱島效應的監測越來越受重視。隨著科學技術的不斷發展和提高，熱紅外遙感在測量領域越來越受青睞，熱紅外遙感是利用熱紅外波段研究地表物質特性的技術手段，通過熱紅外數據反演出地球表面溫度，在城市熱島效應監測領域有很好的應用價值。

1　海綿城市熱島效應內涵

1.1海綿城市

“海綿城市”是指城市能夠像海綿一樣，在適應環境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”，下雨時能夠及時滲水、蓄水、凈水，然后緩慢的對吸收的水分進行釋放，在緩解城市內澇的同時，還能增強土壤保濕性，提升城市生態功能。

1.2城市熱島效應

城市熱島（Urban Heat Island，UHI）是城市生態系統所特有的一種現象，是人類活動對氣溫影響的最突出特征之一，具體表現為城市中的氣溫高于外圍郊區氣溫，在氣象學近地面大氣等溫線圖上，郊外的廣闊地區氣溫變化很小，如同一個平靜的海面，而城區則是一個明顯的高溫區，如同突出海面的島嶼，由于這種島嶼代表著高溫的城市區域，所以就被形象地稱為城市熱島。隨著城市化進程的不斷加快，自然環境的植被逐漸被水泥和瀝青面所代替，用于地表潛熱蒸發的地表水分減少，城市內部結構的復雜性使得控制地表熱通量的主要因子（如：反照率、熱容、熱島等）發生改變。同時，以高能耗為典型代表的生活方式的出現，使得人為熱能、溫室氣體等日益增多，從而改變了近地面熱交換和熱輻射，引發城市及周邊小氣候發生變化，導致城市局地氣溫與郊區氣溫的差異，即形成熱島效應。

在夏季，城市局部氣溫會比郊區氣溫高出5℃以上。隨著夏季高溫天氣持續時間的增長，高溫日的出現越來越頻繁，城市熱島效應越來越受到廣泛的關注，對城市熱島效應的研究也已經成為當今氣候、生態和環境問題中的熱點。研究熱島效應的成因、空間分布與動態頻率變化，并探討其緩解對策是構建宜居、綠色、安全的人居環境，走城市可持續發展，協調人-地-氣系統平衡、良性循環的重要保證。

圖1為利用氣象衛星2006年9月21日13時21分 （北京時）資料處理生成的北京地區城市熱島監測圖。圖中反映出，與郊區縣（區）相比，北京市城區的溫度明顯高于周邊郊區，且高溫區的分布呈輻射狀向北部、東北部、南部、西南部等周邊延伸。城區溫度與郊區相比，城區中心區域比西部和南部城郊溫度高出6～8℃，標志著這些地區熱島效應十分明顯。

城市熱島效應的重要特征是城區氣溫明顯高于郊區。引起城市熱島效應的原因是多方面的，如城市人口密集，建筑密布，各種電器及機械設備不停地散發出大量的熱能，高樓大廈林立形成人工峭壁，使城市中的空氣流通受阻，導致熱量不斷積累，形成特有的城市環境，使氣溫和污染明顯高于郊區。城市熱島現象是反映城市環境質量的重要指標。城區地表溫度（包括建筑物、公路、廣場、綠地等）與周圍郊區地表溫度的差異是衡量城市熱島程度的重要因子。地表白天接受太陽短波輻射增溫后，將通過紅外波段放射輻射能。利用遠紅外窗區通道（10.3～12.5μm）探測地表發射的輻射能，可反算地表溫度，獲取反映城市熱島現象的城區與郊區地表溫度差異。

圖1　北京地區城市熱島監測圖

2　熱紅外遙感技術特點

2.1內涵

自然界任何溫度高于熱力學溫度（0K或-273℃）的物體都會不斷地向外發射電磁波。熱紅外遙感即通過熱紅外探測器收集地物輻射出來的人眼看不到的熱紅外輻射通量，經過能量轉換而變成人眼能看到的圖像。熱紅外遙感技術的發展是為了獲取地物的熱狀況信息，從而推斷地物的特征及環境相互作用的過程，為科學研究和生產提供應用。簡而言之，熱紅外遙感可用來推測地表瞬時溫度。

2.2熱紅外遙感的特點

由于被遙感的物體在任何時間都在不斷地向外輻射熱紅外線，熱紅外遙感可以全天候進行熱紅外數據采集，受外界因素干擾較少。熱紅外遙感比可見光、近紅外、短波紅外遙感復雜，主要原因在于：

（1）地物從熱輻射的吸收到標志地物熱特性的溫度的升高，有一個熱儲存和熱釋放過程，這與地物本身的熱性質和環境條件有關；

（2）改變地物熱狀況的熱源，不僅是熱輻射，而且還有顯熱輸送和潛熱輸送問題，這涉及到微氣象參數、土壤物理參數、植被生化參數；

（3）熱紅外遙感空間分辯率比較低，混合像元問題也是一個難點；

（4）另外還有定標上的困難以及怎樣將測量值校正到目標真實物理量值的問題；

（5）對復雜地形，如植被（包括森林）、斜地形、水體、裸土和城市景觀的混合系統進行精確評價有困難；

（6）受云層影像很大，現階段技術仍無法消除云層對數據質量的影像。

3　熱紅外遙感在海綿城市熱島效應監測中的應用

3.1熱紅外遙感在海綿城市熱島效應監測中的應用優勢

快速城市化進程改變了地表下墊面的物理屬性。原本是土壤、草地和水體等比熱大的自然表面被鋼筋混凝土、瀝青等比熱小的地表代替，這不僅改變了反射面、吸收面的性質，還改變了近地面層的熱交換和地面的粗糙度，使大氣的物理狀況受到影響。熱島效應容易產生酸雨，破壞城市及周邊地區的生態環境。傳實地觀測法的點位密度低，數據同步性和空間代表性差，要想細致全面的研究城市熱島的平面分布、內部結構特征尚有一定困難。遙感監測時相多、范圍廣、能長期連續觀測，不受氣候影響，可以進行大面積地表溫度測定，且通過遙感手段獲取的觀測資料時間同步性好。隨著當前高分辨率衛星熱紅外遙感技術的發展完善，它在城市熱島研究中發揮著越來越重要的作用。

3.2案例分析

在城市熱島效應監測中運用熱紅外遙感監測技術可以通過三色顯示出城區的溫差，圖2為重慶市熱紅外遙感圖。

圖2是熱紅外衛星拍攝的重慶某夏季的一天。經過后期的數據處理分析，得出了各個片區不同的溫度值，用顏色進行了區分。氣溫超過33℃，能測到的熱紅外波段就進入了紅色區；溫度降至27℃及以下，就會進入藍色區。熱紅外遙感圖片上顯示，中梁山、銅鑼山整條山脈都呈藍色，枇杷山、佛圖關、鵝嶺公園等，也明顯比其他區域偏藍，比較涼爽，市民可以選擇在此休閑、納涼。環繞主城的長江、嘉陵江以及湖泊等，由于受水汽蒸發影像，測出的熱紅外線最弱，顏色呈現出深藍色。“兩江”成了主城區溫度最低的地方，顯示為21.9℃。主城一些舊城區，街道較窄車輛較少，加之綠化比較多，所以氣溫不是很高。如渝中區下半城、洪崖洞沿線等；南岸科普中心沿線至銅元局一帶，因為背靠南山、長江環繞，遙感圖上多處“飄藍”，溫度也不高。車輛擁堵的高架橋和城市道路、以車間廠房為主的工業區、人口密集的商業區及居住區、發電廠、機場、火車站，以及新興開發區域，產生了大量熱量，是引起城市“熱島”效應的主要原因。隨著該市新城建設腳步的不斷加快，“熱島”的中心逐漸移出主城核心區。“飄紅”的重點分布區域，主要是建設力度較大、但綠化未跟上的新區，以及工業比較密集的區域，如汽車廠、電機廠等工業園區。

圖2　熱紅外遙感圖

3.3城市熱島效應治理對策

綜上所述，我們可以知道導致城市熱島效應的主要原因來自于城市建設和工業發展，為了緩解城市熱島效應現象，可以增加綠化、規劃城市通風口。城市綠化對減低城市“熱島”強度，改善城市氣候條件有很大作用。綠化率太低，會造成城市的受熱面增加，除了在地表種植喬木之外，還可以增加“垂直”綠化，將墻體、屋頂區域種植植被進行綠化，增加城市綠化總量，減少熱島效應。在城市規劃建設過程中，還可通過適當分散高層建筑物、建設城市“通風口”及“通風帶”，將部分淤積于市內的熱量帶出城去，從而緩解城市熱島效應。

4　結語

近年來，在全球增溫和高速城市化進程的背景下，世界范圍內的熱島效應越來越明顯，我國許多城市出現了高強度的城市熱島效應。城市熱環境及其熱效應已成為當前城市氣候與環境研究中，最為重要的研究內容之一。熱紅外遙感能夠通過獲取城市地表熱輻射狀況，捕捉城市下墊面熱島強度的大小和空間分布，進而推測出城市氣溫熱島強度的大小和空間分布，為熱島成因分析和治理提供依據，研究城市熱島效應主要目的和重要手段。目前，國內很多城市都開展了城市熱島效應監測，在不斷為城市規劃建設和環境治理提供決策依據。

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王元波（1982-），男，工程師，本科，主要從事測繪、地理信息工作。

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2016-4-11