基于LANDSAT地表溫度的上海城市熱島時空格局分析

曹璐+++張苗+++黃昊

摘 要：利用1997年和2002年的Landsat TM/ETM影像數據，提取了上海地區的地表溫度，分析研究了上海的城市熱島效應的時空格局變化。結果表明，低溫區的面積從1997年到2002年的比例明顯下降，分布更分散；次低溫區面積增加，分布呈現出明顯的多中心格局；溫度等級高的地區主要是人口密集和人類活動頻繁的區域。

關鍵詞：上海；城市熱島；時空格局

越來越多的人口涌入城市，受到廣泛關注的城市化是當今世界上重要的社會、經濟現象之一。城市熱島作為城市化產生的一個顯著后果，也逐漸成為城市研究的焦點。城市化，就是把自然景觀改變成人工景觀的過程，同時也改變了城市地表的物理特性。地表溫度是改變最明顯的，這對于城市生態環境的研究至關重要。城市下墊面類型和性質直接影響地表溫度的上升和下降，城市景觀的高度異質性導致下墊面的特性差異很大，是研究城市地表溫度的挑戰。通過氣象觀測數據進行分析是傳統的研究手段，受到人力物力、下墊面差異、時間尺度和觀測數據的多種影響，存在很多困難。相比傳統的方法相比，利用衛星遙感技術，能夠獲取大范圍、多時相的數據，是研究城市生態環境的重要手段，具有廣泛的應用性。定量提取地表溫度、植被指數和其他表征地表特性的指數，可利用不同的遙感傳感器獲取的遙感數據，能夠為城市熱島的研究提供大量的、準確的數據。

城市的土地利用和土地覆蓋能夠影響著地表輻射的吸收和釋放，其中的每個組成部分都受到周圍環境的影響，有獨特的輻射、濕度、熱能及空氣動力學的性質。對地表溫度影響最大的因素之一是植被，植被的性質和數量是影響太陽輻射在顯熱和潛熱通量間的分配的因素，造成植被覆蓋區和裸地之間地表溫度的差異。城市中的人工景觀逐漸代替自然景觀，比例不斷提高的不透水面，成為影響地表溫度的又一重要組成部分。

隨著我國的經濟快速發展，不斷加快的城市化進程，迅速增加的城市建設區域面積，改變了城市的規模和空間格局。上海，是中國城市化程度最高的城市，正面臨著各種問題，如物候反常、大氣污染、對人體健康的危害等，都是城市熱島效應帶來的。對于上海的可持續發展和生態城市的建設，這些問題將是很大的阻礙。因此，為尋找造成城市熱島的原因，科學地指導上海的城市規劃、建設和環境改善，利用遙感技術研究上海城市熱島的時空格局變化趨勢，具有非常積極的意義。

1 數據和方法

1.1 數據來源

文章使用的數據分別是1997年04月11日和2002年08月23日獲取的兩個時相的Landsat TM/ETM影像數據。其中1997年影像為TM數據，2002年影像為ETM數據。

Landsat4、Landsat5機載TM傳感器，1982年發射。Landsat5每16天覆蓋全球一次，包含7個波段影像。其中波段1-5和7的空間分辨率為30米，波段6（熱紅外波段）的空間分辨率為120米。Landsat7于1999年發射，攜帶增強型主題成像儀（ETM+），影像包括8個波段，其中1-5和7波段的空間分辨率是30米，波段6的空間分辨率是60米，波段8的空間分辨率是15米。

1.2 數據預處理

分別將1997年04月11日和2002年08月23日的影像數據進行幾何校正到WGS84NUTM51的投影坐標系中，再分別在每個時相的影像數據中將研究區域提取出來。為了能夠對不同類型、不同空間和不同時間的遙感影像數據進行定量比較，將圖像的DN值經過輻射定標，轉換成輻射強度，再轉換成大氣層頂反射率。

1.3 研究方法

城市中的地表溫度受到其表面組合和空間復雜性的影響，而這些組分通常比TM/ETm傳感器的分辨率小，就存在一個像元里有多個土地利用類型，即混合像元的問題。植被-不透水面-土壤（V-I-S）模型是1995年由Ridd提出的，模型指出城市中的土地利用可認為是由植被、不透水面和土壤以不同的比例組成的。在V-I-S概念模型的基礎上，通過最小噪音分離、純凈像元指數計算、選取端元等線性光譜分解的方法提取出不透水面蓋度和植被蓋度圖；再結合利用熱紅外波段計算研究區內的地表溫度；將計算得到的地表溫度數據劃分等級，再對圖像進行疊加計算，由所得圖像來分析城市熱島的時空變化特征。

2 結果分析

2.1 城市熱島空間分布特征

由兩個時相影像數據計算所得的地表溫度統計最大值、最小值、均值和標準差。

兩個時相的數據獲取時間分別為4月11和8月23日，分別屬于春季和夏季，而不同季節間的溫度范圍有顯著差別，這會影響到對地表溫度的直接比較和分析，故需要對溫度數據做標準化處理。公式： a=（T-Tmin）（Tmax-Tmin）

式中a是經過標準化后的溫度值，T表示反演得到的地表溫度，Tmax和Tmin分別表示未標準化的地表溫度最大值和最小值。將數據標準化處理后，地表溫度的取值范圍為0-1，1表示地表溫度最大值，0表示地表溫度最小值，再比較不同時間獲取的數據。圖1為經過標準化處理后的地表溫度分布圖。

溫度數據經過標準化后，不同季節間的地表溫度可以直接進行對比分析。將地表溫度數據分為四個等級，得到四個溫度區間：0-0.25為低溫區，0.25-0.5為次低溫區，0.5-0.75為次高溫區，0.75-1為高溫區。這樣的劃分可以更加直觀地表現出地表溫度在空間和時間上的動態變化，經過劃分等級后的地表溫度圖如圖2。

由圖2可看出，1997年的溫度等級圖中，在黃浦江兩岸的外環線內主要是次高溫區和高溫區，這里是城市的中心地帶，面積并不大；次低溫區的分布表現出在城市的中心地帶向外擴展，較多分布在現在的浦東，有少面積分布在在金山，奉賢，松江各區的中心；松江、青浦和嘉定等這些范圍內有大面積的農田，存在較多面積的低溫區。從2002年的溫度分級圖中可看出，高溫區和次高溫區的面積有逐漸增加的趨勢，并且分布呈現出明顯的多中心格局；較高溫區分布的區域主要是人口眾多的繁華地帶。由以上兩個時相的數據顯示，溫度等級有所提升的區域為居住人口眾多，社會、經濟活動頻繁的地帶。而研究區的城市發展呈現出多中心擴展的趨勢。城市的空間布局、人為熱的排放和植被覆蓋等多種因素綜合影響城市熱島效應的空間格局。

2.2 城市熱島時間變化特征

為了能夠對1997年到2002年間的城市中不同溫度等級的變化進行定量分析，對每個溫度等級所占的面積比例進行統計，如圖3。

圖3顯示出，1997年，低溫區的面積達到了40%，而到了2002年，低溫區的面積所占比例明顯減少，次低溫區的面積增加的比例達到30%，呈現出明顯的增加趨勢。由于文章是等距劃分了標準化后的地表溫度等級，導致每個溫度分級的比重不均勻，兩個年份的次高溫區和高溫區的面積都比較少，但是變化非常明顯。2002年低溫區的面積比例相比1997年明顯下降，次低溫區和次高溫區的面積比例有所上升。

3 結束語

城市化就是一個人口向城市空間聚集和改變城市環境的過程，而城市化程度越高的區域熱島效應越顯著，城市的面積在不斷擴大，并且有向四周擴散的趨勢。

根據上文中的1997年和2002年兩個時相的地表溫度數據可以看出：熱島效應增強的地區主要是上海的城市中心地帶，這些地帶受熱島效應影響的面積持續增加，是與城市的發展密切相關的。基于整個研究區域來分析，城市熱島的分布并不只是集中在發展歷史已久的城市中心，而是表現出多中心的分布格局，以城市中心地帶外圍的多個中心為起點向四周擴展開來。這樣的發展趨勢反映出在研究區內，城市的發展在早期有很強向心力的單一中心發展到后期的多中心的格局，傳統中心區的功能作用被不斷削弱，城市的發展從多個中心向外擴展。

根據圖中的土地利用類型來看，城市中具有明顯降溫作用的是綠地，較低溫度的地區通常都覆蓋有植被，植被在一定程度上緩解了城市熱島效應。可是位于中心地帶的綠地面積都比較小，并且分布并不集中，表現出分散的狀態，對于整個研究區域的城市熱島效應的減弱作用不顯著。

城市的熱島效應的時空格局在不同的時期具有不同的特點，并且伴隨城市化發展的趨勢。相關研究指出，文章研究區域在1990年到2000年期間，城市的形態表現出中心城區、衛星城、郊區城鎮及沿交通干道分布的“多核-多軸”的多邊形的分布模式，上海的中心城區面積在2000年以后，增長的幅度減緩，郊區的城市化地區面積增幅顯著。與文章中的結果是一致的。

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