廣州市城市熱島效應與工業GDP相關性分析

*張子矜

(南京市第二十九中學(高中部) 江蘇 210000)

廣州市城市熱島效應與工業GDP相關性分析

*張子矜

(南京市第二十九中學(高中部) 江蘇 210000)

廣州市是我國最重要的中心城市之一,城市化程度較高,隨著城市的發展,城市熱島效應逐漸凸顯.本研究利用Landsat8熱紅外影像采用大氣校正法對廣州市進行了地表溫度反演,并結合GlobalLand30地表分類產品與經濟統計數據,研究了廣州市的城市熱島效應與產業結構的關系.研究結果表明,廣州市城區各區的建成區地表平均溫度與單位面積工業GDP有很強的相關性,相關系數高達88%,由結果可見,工業是影響熱島效應的主要原因之一.本文可給城市規劃、環境保等提供參考.

廣州市;熱紅外遙感;城市熱島;產業結構;相關性分析

1.前言

廣州市是我國最重要的商貿城市,也是城市化程度、人均GDP等各項經濟指標最高的城市之一.隨著城市化進程的不斷深入,城市熱島等現象逐漸凸顯.而遙感手段由于其可大面積獲取地表信息等特性,被廣泛應用在環境、生態等研究領域.利用熱紅外遙感影像可以得到地表溫度的空間分布,因此也被應用在城市熱島的研究中.

前人對廣州市的城市熱島效應進行了較深入的研究,如鄧玉嬌等人的研究中所述,隨著廣州市人口的不斷增長,熱島效應呈不斷增強的趨勢;對于城市熱島效應產生的原因也有很多闡述,如任玉玉等人的研究表明,城市熱島主要是由于城市化、工業化的影響.而對于廣州市城市熱島效應與工業GDP產值之間的相關關系還未見闡述.

因此,本研究利用Landsat8熱紅外影像采用大氣校正法對廣州市進行了地表溫度反演,并結合GlobalLand30地表分類產品與經濟統計數據,進行了廣州市的城市熱島效應與工業GDP產值的相關性研究.

2.研究區域與研究數據

(1)研究區域介紹

廣州市地處中國南部、廣東省中南部,下轄11個區.2016年中國城市GDP排名中,廣州市排名第三位,僅次于上海和北京.廣州市是我國最重要的商貿中心之一,其第三產業占GDP比重達到68.56%.

本次研究中選取了廣州市的6個區作為研究對象,分別是荔灣區、越秀區、海珠區、天河區、白云區、黃埔區,這六個區空間相鄰,區域面積大致相當,且均為廣州市市區,經濟相對發達.

(2)研究數據準備

①遙感影像的準備

本文所用數據為Landsat8遙感影像,Landsat8是美國NASA陸地衛星計劃中的第8顆衛星,2013年2月升空,搭載兩個主要載荷:OLI和TIRS.其中OLI(全稱:Operational Land Imager,陸地成像儀);TIRS(全稱:Thermal Infrared Sensor,熱紅外傳感器).

綜合數據可用性、云量等多種因素,本研究中選取了2015年10月18日的一景影像進行數據處理與分析.

②GlobalLand30地表分類產品

GlobalLand30全球30米地表分類產品數據,是由國家基礎地理信息中心牽頭,國內十余家單位參與,以2010年衛星影像為主,綜合上萬幅數據,得到了30米空間分辨率的地表分類產品.

該產品將全球地表分為了10個類型,分別是:耕地、森林、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久積雪.

人造地表的定義如下:由人工建造活動形成的地表,包括城鎮等各類居民地、工礦、交通設施等,不包括建設用地內部連片綠地和水體.

本研究中提取出了人造地表的面積,以研究各區人造地表面積的溫度分布不同與各區工業GDP產值的關系.

③廣州市經濟數據

廣州市的經濟數據來自于廣州市統計局官網(http://www.gzstats.gov.cn/),統計數據信息豐富,本文主要采用了廣州市2014年單位面積的工業GDP產值數據.

注* 2014年統計數據為2015年初發布,至遙感影像拍攝日期,2015年統計數據尚未發布,因此只能采用2014年統計數據.

3.研究方法

(1)基于大氣校正法的地表溫度反演

大氣校正法的原理是依據大氣輻射傳輸方程,如下式所示:Lλ=[εB(Ts)+(1-ε)L↓]τ+L↑

其中,ε為地表比輻射率,Ts為地表真實溫度(K),B(Ts)為黑體熱輻射亮度,τ為大氣在熱紅外波段的透過率,為大氣的下行輻射,為大氣的上行輻射.

大氣的透過率、上行輻射和下行輻射通過NASA提供的網站進行計算(網址是:http://atmcorr.gsfc.nasa.gov ).

不同的地物有不同的發射率,可以通過歸一化植被指數的方法進行地表發射率賦值.

通過以上計算,可以得到B(Ts),再通過普朗克公式計算可以得到地表溫度Ts.

(2)相關性分析

相關關系是一種非確定性的關系,相關系數是研究變量之間線性相關程度的量.由于研究對象的不同,相關系數有如下幾種定義方式.

簡單相關系數:又叫相關系數或線性相關系數,一般用字母r 表示,用來度量兩個變量間的線性關系.

4.結果與分析

采用上述方法對搜集到的數據進行計算和處理,溫度反演結果如下圖示:

圖1 廣州市2015年10月18日地表溫度圖

利用提取出來的人造地表土地類型對反演得到的地表溫度圖進行裁剪,結果如下:

圖2 裁剪得到的各區人造地表類型的地表溫度分布

對各區求平均溫度,并搜集得到數據經濟數據如下表:

表1 研究各區的計算數據表

由以上結果可知,對于人造地表的平均溫度來說,不同的區有2℃的差異,如荔灣區和黃浦區均為32攝氏度以上,天河區也在31攝氏度以上,相對應的,這三個區的單位面積工業GDP也相對另外三個區較高,荔灣區、黃浦區和天河區的單位面積工業GDP均在3億元每平方公里以上,遠比越秀區、海珠區和白云區高.對人均地表溫度數據和單位面積工業GDP數據使用上一章節的公式進行相關系數計算,得到的兩組數據的相關系數高達0.88.

5.結論與討論

⑴結論:從上一章節的結果分析可知,廣州的城市熱島效應與單位面積的工業GDP之間有很強的相關性,兩者之間的相關系數為0.88,綜合考慮廣州為商貿城市,工業GDP僅占總GDP的9%以內,而同期全國的工業GDP占總GDP的比值在45%以上.由以上結論可知,工業產值是導致城市地表溫度升高的主要原因之一.

⑵討論:在本文分析中僅考慮了一年的單個城市的數據,還不夠有代表性,因此,在未來的研究中,可以綜合多年與多個不同城市的的數據進行探究與分析.

[1]鄧玉嬌,匡耀求,黃鋒.基于Landsat/TM資料研究廣州城市熱島現象[J].氣象,2010,36(1):26-30.

[2]任玉玉,任國玉,張愛英.城市化對地面氣溫變化趨勢影響研究綜述[J].地理科學進展,2010,29(11):1301-1310.

[3]徐菲,吳世文.基于單窗算法和大氣校正算法的TM熱紅外波段溫度反演比較[J].時代報告:學術版,2012(8):49-49.

張子矜,女,南京市第二十九中學(高中部);研究方向:海洋科學.

Correlation Analysis of Urban Heat lsland Effect and lndustrial GDP in Guangzhou City

Zhang Zijin
(No. 29 Middle School of Nanjing City( High School ), Jiangsu, 210000)

Guangzhou is one of the most important central cities in China and the degree of urbanization is high. With the development of the city, the urban heat island effect is gradually prominent. In this study, the surface temperature inversion of Guangzhou city was carried out by using the atmospheric correction method through the Landsat 8 thermal infrared image, and the relationship between the urban heat island effect and industrial structure of Guangzhou city was studied combining with the GlobalLand 30 surface classification products and economic statistics. The results show that the average surface temperature of the built-up area of Guangzhou city is closely related to the industrial GDP of the unit area, and the correlation coefficient is up to 88 %. The results show that industry is one of the main reasons affecting the heat island effect. This paper can provide reference for urban planning, environmental protection and so on.

Guangzhou;thermal infrared remote sensing;urban heat island;industrial structure;correlation analysis.

T

A