基于遙感技術的黔中山原地區熱效應研究

陳愛民

摘要：指出了城市化效應是一個隨著城市化進程而日顯重要的環境問題，而熱效應是城市化效應的主要特征之一，是城市化對局地氣候影響最典型的表現。以典型山原城市西秀區作為城市地面熱場環境研究對象，分析了地形因子與熱環境的關系、植被與熱環境的關系、典型地物與熱環境的關系、水體與熱環境的關系，結果表明：海拔高度對溫度的影響是比較大的，坡向和坡度對溫度也有較明顯的影響，石漠化等級越高、地表溫度越高，城區地表平均溫度比城郊結合部高，城郊結合部地表平均溫度比鄉村鎮高，各水庫的平均溫度相差不大，但容量大或面積大的水庫最低溫度相對較低，受污染的水體比未受污染的水體地表平均溫度高。

關鍵詞：熱效應；3S技術；地表溫度；Landsat8；時空分布

中圖分類號：X16

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）24-0061-06

1 引言

對于熱效應的研究，傳統方法是使用地面氣象站提供的氣象相關資料數據進行，由于種種原因，這種方法受到人力物力的限制。隨著3S技術的發展和應用，特別是熱紅外遙感的出現，彌補了傳統方法采用氣象站數據研究的不足，能夠全面有效地探測到不同土地利用類型的溫度特征，近年來熱紅外遙感已成為熱效應研究中的最主要的手段。

2 材料與方法

2.1 研究內容和方法

本研究利用中高分辨率的新型遙感圖像Landsat8數據，選取最符合實際的地表溫度反演算法，結合ENVI和ArcGIS軟件進行地表溫度反演，并分析反演精度。然后根據反演出的地表溫度（LST）分析西秀區熱島效應的時空分布特征，研究熱島效應的驅動力，最后以遙感技術與地理信息系統技術為主要手段，結合統計學方法揭示西秀區城市熱效應特點。

2.2 技術路線

本研究的技術路線圖如圖1。

3 地表溫度反演

3.1 遙感數據預處理

3.1.1 輻射定標

將傳感器輸出圖像的灰度值（DN值）轉化為有物理意義的輻射亮度值或反射亮度值（反射率）[1]，消除或修正輻射誤差而引起的影像畸變。據已有的研究，對于Landsat8 TIRS的兩個熱紅外波段，TIRS 10位于較低的大氣吸收區，其大氣透過率值高于TIRS 11，更適合于單波段的地表溫度反演。輻射定標公式如下：

3.3 精度驗證

選用2013年9月29日數據進行地面近似溫度反演精度檢驗，2013年9月29日圖像參數顯示圖像獲的取格林威治時間是03時24分05.69秒，換算為北京時間為11時24分05.69秒，取近似值為11時24分。當日地面實測氣溫最高為25.2℃、最低為15.8℃。根據西秀區經緯度推算出日出時間在6點左右，由于大氣對太陽輻射的折射作用，太陽輻射照射到地表的實際時間有一定程度的提前。根據氣溫日變化規律最低溫一般出現在日出前后，因此最低溫時刻近似取為5時30分，最高溫時刻近似取為14時。

根據以上信息，2013年9月29日landsat8遙感影像獲取時氣溫計算式為：

15.8+25.2-15.82+15.8+25.2-15.82×sin32π+11.4-5.514-5.5×π=21.06

西秀區2013年9月29日landsat8地面近似溫度反演數據城區平均溫度為20.91 ℃，與地面氣溫21.06 ℃相差0.15 ℃，達到利用單窗算法進行地面近似溫度反演誤差小于1.5 ℃的精度要求（覃志豪 2003）。

4 熱場空間分布

根據反演結果，本研究首先統計出地表溫度最大值為32 ℃、最小值為10 ℃、平均值20.9 ℃和標準差為2.3。

4.1 高溫區與低溫區分布

從地表溫度分級圖2可以看出，西秀區高溫區、極高濕區主要分布在中心城區（西航辦事處、華西辦事處、東關辦事處）和郊區部分地區的裸地（幺鋪鎮、宋旗鎮、七眼橋鎮、大西橋鎮等）。高溫區主要地類為建筑用地和裸地，建筑用地主要由高層密集建筑、水泥道路、機場、學校；低溫工主要分布在中心城區的部分水庫和南部的龍宮鎮、新場鄉、巖臘鄉、甘堡林場、雞場鄉、楊武鄉還有北部蔡官鎮的部分村的林地和河流水庫。

4.2 溫度與面積分布特征

溫度的像元個數的多少可直接反映溫度分布面積大小，圖3溫度與面積分布，表示了地面近似溫度反演圖像中以像元值（溫度）為樣本的分布情況，說明極低溫區和極高溫區面積較少、中溫面區積多，平均溫度集中在20℃，溫度面積服從正態分布。

5 熱效應驅動力

本文引入了熱效應貢獻度（Hi）、熱單元權重指數（D1）和區域熱單元權重指數（D2）等概念[4-7]。

所謂熱效應貢獻度指數（Hi）是指不同溫度的地類對區域平均溫度的影響，即對區域熱環境的貢獻，計算公式如下：

式中Tij為地類i中高于區域平均溫度的第j個像元的溫度，Ta0表示成像時區域的平均溫度，ni為地類i中溫度高于區域平均溫度的像元數量，N表示區域土地面積，Hi′為初始熱效應貢獻度。

熱單元權重指數D1表示高于平均溫度的地塊面積在本土地利用類型中所占的比重，區域熱單元權重指數D2表示高于平均溫度的地塊面積占區域土地總面積的比重是，計算方法如下：

D1=（ni/Ni）×100%

D2=（ni/N） ×100%

Ni表示地類i的面積。

表1是不同地類熱環境的影響指數，通過比較發現西秀區熱效應貢獻度最大的是裸地，導致此現象的原因除了裸地面積是所有下墊面的面積最大的外，主要還與裸的物理性質有很大關系，裸地主要是巖石裸露率較高的土地，巖石主要為石灰巖和白云質砂巖，一般來說，溫度越高，熱導率越低；其次是建筑用地，由于建筑群、道路、工業區、商業區、機場以及特殊的建筑材料所致，人類活動和工業污染引起的大氣污染也是不容忽視的因素；第三是林地，林地熱貢獻度和區域熱單元指數并不是很高；水體是熱效應貢獻度最小。

從不同土地利用類型的熱單元權重指數D1來看，水體、建筑用地和裸地溫度超過平均溫度的地塊較多，林地次之；區域熱單元權重指數D2表明裸地、林地中高于平均溫度的地塊占區域總面積的比重較大，其次是建筑用地，然后是水體。

5.1 地形因子與熱環境的分析

西秀區具有極其復雜的地形，城市大部分地區都處在地勢起伏的中山丘陵地帶，這一特殊的地形特征對城市熱島時空演化分布特征產生一定的影響。本研究利用研究區域的數字高程模型（DEM）數據，提取海拔、坡度、坡向等地形因子，分別將海拔按等距離分類法分為3個區間段，分別為1064～1274 m、1275～1484 m、1485～1694 m；將坡度按自然段點法分為6個區間段0～5°、6～8°、9～13°、14～18°、19～25°、26～42°6類；將坡向分類東（406～45）、南（46～135）、西（136～225）、北（226～405）4類。利用ArcGIS的區域統計功能，分別統計出不同海拔區段、不同坡度級、不同坡向的溫度平均值進行相關分析，得出不同地形因子對地面溫度的影響。

為了降低城鎮用和水體對分析結果的影響，本研究主要針對自然地表溫度進行分析。海拔高度對溫度的影響是比較大的，R2值為0.8969，溫度隨海拔的升高遞減規律；坡向對溫度也有較明顯的影響，影像成像日為秋分過后幾天，11時24分西南方面正處于陽坡，東北方向處于陰坡，因此西南方向地表溫度比東北方向高；坡度對地表溫度的影響較為明顯，R2值為0.9629，隨坡度的升高呈現明顯遞減的規律。

5.2 植被與熱環境的分析

5.2.1 石漠化程度對熱環境的影響

由圖4（a）可知，裸地地表平均溫度為21.15 ℃，其中無石漠化地表平均溫度為21.12 ℃，面積112170.51 hm2；輕度石漠化地表平均溫度為21.33 ℃，面積96353.37 hm2；中度石漠化地表平均溫度為21.52 ℃，面積3271.68 hm2；重度石漠化地表平均溫度為21.65 ℃，面積1530.9 hm2。裸地地表平均溫度與石漠化等級程度呈正相關，石漠化等級越高，面積越大，地表平均溫度越高。

由圖4（b）可知，林地地表平均溫度為20.10 ℃，其中無石漠化地表平均溫度為20.01 ℃，面積40967.55 hm2；輕度石漠化地表平均溫度為20.21 ℃，面積6433.02 hm2；中度石漠化地表平均溫度為20.59 ℃，面積4144.59 hm2；重度石漠化地表平均溫度為20.77 ℃，面積1680.3 hm2。同樣林地地表溫度與石漠化等級程度呈正相關，石漠化等級越高，面積越大，地表平均溫度越高。

5.2.2 植被覆蓋度對熱環境的影響

一般來講，一個地區的植被相對于其他下墊面類型具有較低的地表溫度，這主要是由植被的蒸騰作用所致。植被表面（主要是葉子）不斷地向空氣中蒸騰水分，使植被周圍空氣的濕度和溫度發生了一系列的變化，從而起到降低溫度的作用。而一個地區的植被覆蓋情況，一般用植被覆蓋度來表示，而植被覆蓋度又是由植被指數來確定。以往的研究中大部分學者都是采用用歸一化植被指數（NDVI）這個指標。

西秀區屬于典型的喀斯特地貌，區域地形比較復雜，在分析地表覆蓋度與地表溫度的關系時，不能簡單的運用植被指數的高低與下墊面的關系進行研究。基于此，本研究采用人機互譯，采用Landsat8影像數據與石漠化矢量數據、林地變更數據進行分類，將明顯集中分布地類進行分類，再將各地類的平均值進行比較，按此原則分將下墊面分為建筑用地、裸地、宜林地、灌木林地、喬木林地、水體6類，如圖5各地類的平均值由大到小排順序為建筑用地、裸地、宜林地、灌木林地、喬木林地、水體，這也符合理論與實際。由此可見，就從地類單因素來講，建筑用地、裸地增加會使地表熱效應越來越強，而林地與水體則具有緩解熱效應的作用。

5.3 典型地物與熱環境的分析

選取鄉村建設用地、高密集城鎮建設用地、建材市場、機場、學校進行分析。由圖6（a）典型地物地表溫度曲線圖可知，地表溫度最高的是安順市火車站，其次是安順市體育館、安運司綜合建材市場等，最低的是郊區安順學院、對門寨等5個村寨；地表平均溫度由高到低的順序為安順體育館、安運司綜合建材市場、安順火車站、興偉花園、安順世紀城小區、黃果樹機場、篷賽斯花園、機場航站樓、安順學院、對門寨等5個村寨；地表最低溫度由高到低的是安運司綜合建材市場、安順體育館、黃果樹機場、興偉花園、安順世紀城小區、安順學院、對門寨村寨、安順火車站、石頭寨村寨、篷賽斯花園、龍家莊村寨、機場航站樓、五里屯村寨、火燒寨村寨。由典型地物曲線圖可知，安運司綜合建材市場最低溫度、平均溫度、最高溫度相差不大，地表溫度比較穩定。經驗證，安運司綜合建材市場完全為純建筑物組成，地面沒植被分布，而其它典型地物或多或少都有植被分布。

下面將典型地物按城區建筑、城郊結合部建筑、鄉村建筑進行分類，再對比其平均值，如圖6（b）所示，城區地表平均溫度28.61 ℃，城郊結合部地表平均溫度24.09 ℃，鄉村地表平均溫度23.21 ℃，由平均地表溫度高到低排序為城區、城郊結合部、鄉村，這完全符合理論實際，主要原因在于城區建筑密集、高低錯綜復雜、人口集中、夏季人為執排放較大、空氣流動較緩；特殊的建筑材料，熱慣量較大，吸收熱量快，散發熱量慢；不透水面導致大量雨水快速流失，綠地、河流、水庫較少，缺乏蒸騰作用導致城區比郊區、鄉村地表溫度高的原因。與城區相比，雖然建筑材料都相差不大，但城郊結合建筑密度沒有城區密集，工廠也相對較為分散，空氣流動快，地表熱容易擴散。而鄉村建筑比較分散、建筑高度較低、人口稀少、工礦較少，鄉村建筑大多選在依山傍水、綠樹成蔭的地方，少量的熱量很快擴散，所以鄉村溫度相對較低。

5.4 水體與熱環境的分析

選取面積較大的不同水庫進行分析，將不同水庫與溫度等級分布圖疊加，統計出不同水庫的最小值、最大值、平均值，從圖7可知，各水庫的平均溫度相差不大，而最低溫度較低的水庫有油菜河水庫、雷家坡水庫、虹山水庫、紅巖水庫，最低溫度相對較高的有土地坡水庫、朱官水庫、黑石頭水庫，對應面積較大的也是油菜河水庫、雷家坡水庫、虹山水庫、紅巖水庫，面積相對較小的是土地坡水庫、朱官水庫、黑石頭水庫，可見容量大、水位深的水庫最低溫度要低。面積相對較小的土地庫水庫、朱官水庫、黑石頭水庫中，朱官水庫最高溫度、最低溫度、平均溫度比土地水庫和黑石水庫要低，經核實驗證土地坡水庫、黑石頭水庫處于城郊，周圍都是裸地和建筑，水體渾濁，垃圾較多，受到嚴重污染，而朱官水庫遠離城市，處于茂密的森林旁邊，水體深蘭色，干凈、清亮，這說明水體受污染程度越高，地表溫度就越高，水體受污染程度越小，地表溫度就越低。

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