基于遙感的地表溫度反演及城市熱環(huán)境研究

(成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院　四川　成都　610059)

一、研究背景及意義

目前城市熱環(huán)境是城市環(huán)境的主要因素之一，在城市空氣質(zhì)量、公共健康、能源消耗等方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，城市生態(tài)質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到人們的生活質(zhì)量、健康指數(shù)以及一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，城市熱環(huán)境的研究不僅可以充分了解城市空間結(jié)構(gòu)和城市發(fā)展規(guī)模，而且還能引導(dǎo)城市生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，為改善人類居住區(qū)的環(huán)境質(zhì)量提供重要依據(jù)。

二、研究區(qū)概況

南昌市位于江西中部偏北，贛江、撫河下游，鄱陽湖西南岸，南昌市屬于江西省省會(huì)。在東經(jīng)115°27'至116°35'、北緯28°10'至29°11'之間。與永修、都昌、鄱陽三縣共鄱陽湖，南北最大縱距約121公里，東西最大橫距約108公里。南昌市平均海拔22m，總面積為7402.36平方公里，南昌市年平均氣溫17℃-17.7℃。年降雨量1600-1700mm，降水日為147-157天，年平均暴雨日5.6天，年平均相對濕度為78.5%。南昌市由兩個(gè)市轄區(qū)、新建縣(2015年8月，國務(wù)院正式批復(fù)了南昌市部分行政區(qū)劃調(diào)整方案，同意撤銷新建縣，設(shè)立南昌市新建區(qū))，以及南昌縣、進(jìn)賢縣、安義縣組成，本文以這3個(gè)縣、2個(gè)市轄區(qū)及新建縣為研究對象[1]。

三、數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)預(yù)處理

(一)數(shù)據(jù)來源

目前國內(nèi)外用于地表溫度及大氣參數(shù)反演的主要遙感數(shù)據(jù)源有NOAA衛(wèi)星搭載的AVHRR數(shù)據(jù)、Landsat衛(wèi)星的TM/ETM/OLI_TIRS和TERRA衛(wèi)星搭載的MODIS、ASTER傳感器數(shù)據(jù)等。在本文中，為了保證不同年份的地表溫度具有可比性，最終選取了2001年10月20日、2009年10月26日的Landsat5TM和2014年10月8日Landsat8OLI_TIRS的遙感影像作為了數(shù)據(jù)源。

(二)數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文遙感圖像主要用于研究區(qū)的地表溫度反演、土地覆蓋分類等工作。采用軟件進(jìn)行預(yù)處理主要有：輻射定標(biāo)、大氣校正、圖像裁剪等。

1.數(shù)據(jù)讀取與定標(biāo)。使用Landsat定標(biāo)工具可以將LandsatTM5或OLI_TIRS的DN值轉(zhuǎn)換成輻射亮度值或表觀大氣反射率。通過打開影像的TXT頭文件進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取并進(jìn)行輻射定標(biāo)。

2.大氣校正。大氣校正的目的是消除大氣及光照等因素對地物反射的影響，獲得地物反射率、輻射率、地表溫度等真實(shí)物理模型參數(shù)。

3.裁剪工程區(qū)。將大氣校正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域裁剪，首先要獲取南昌市區(qū)域的邊界矢量數(shù)據(jù)，然后利用矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域裁剪。

(三)地表溫度反演

陸地表面溫度是指太陽的熱能被輻射到達(dá)地面后，一部分被反射，一部分被地面吸收，從而使地面增熱，對地面的溫度進(jìn)行測量后得到的溫度；是地表與大氣之間能量交換的重要影響因子，綜合了地氣之間相互作用過程中物質(zhì)與能量交換的結(jié)果。地表溫度反演對于城市熱環(huán)境具有十分重要的研究價(jià)值[2]。

地表溫度反演方法主要有：輻射傳導(dǎo)方程法(大氣校正法)、單窗算法和單通道法。本文運(yùn)用輻射傳輸方程法(大氣校正法)對地表溫度進(jìn)行反演。該方法需要進(jìn)行大氣校正，消除大氣層對地表輻射能量的影響，并利用熱紅外波段范圍內(nèi)的地表比輻射率作為參數(shù)，反演出地表的真實(shí)溫度[3]。

四、南昌市地表溫度特征分析

根據(jù)反演數(shù)據(jù)得出，反演溫度最小值從2001年到2009年相差4.28℃、2009年到2014年相差4.76℃；反演溫度最大值相差分別為0.33℃、4.63℃；反演溫度平均值相差4.62℃、9.39℃。從2001年到2014年這13年間，市區(qū)常住人口增加了81.66萬；市區(qū)人口的快速增長增加了對住房、道路交通和公共場所的需要，因此城市建成區(qū)也相應(yīng)的增長了，在13年里建成區(qū)面積增加了182平方公里，2001年到2014年，南昌市高溫呈現(xiàn)明顯上升趨勢，且變化幅度較大，主要是由于南昌市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，導(dǎo)致大量人口涌入，從而使得南昌市建成區(qū)面積增大，建成區(qū)改變了原有地表結(jié)構(gòu)，建筑、道路所用材料都是一些比熱容小，在太陽照射下溫度升高很快的材料，因此在這13年間地表高溫區(qū)呈顯著上升。

對南昌市熱環(huán)境進(jìn)行劃分，2001年到2009年，低溫區(qū)與中溫區(qū)面積所占比例有所增加，高溫區(qū)、次中溫區(qū)與次高溫區(qū)則有所減少。2001年到2009年中溫區(qū)增加明顯，2001年所占百分比為42.72%，2009年達(dá)到45.72%，主要變化區(qū)在進(jìn)賢縣和新建縣的一部分地區(qū)，新建縣北部地區(qū)的河流部分出現(xiàn)了裸露沙地現(xiàn)象，導(dǎo)致溫度上升。2001年到2009年高溫區(qū)有所減少，減少比例不大，2001年為14.81%，2009年為14.48%，主要變化區(qū)為進(jìn)賢縣高溫區(qū)減少，通過遙感影像可知進(jìn)賢縣大部分地區(qū)為裸土區(qū)，該地區(qū)地表覆蓋在2009年有了明顯的變化，從而降低了地表溫度。

2009年到2014年，中溫區(qū)下降明顯，從2009年45.72%到2014年38.33%，主要是由于新建縣部分地區(qū)地表覆蓋發(fā)生變化以及新建縣北部地區(qū)的裸露沙地現(xiàn)象消失，導(dǎo)致溫度降低。次中溫區(qū)面積明顯增加，2009年所占比例為12.61%，到2014年為18.19%，主要是由于南昌縣與新建縣北部地區(qū)植被覆蓋發(fā)生變化。高溫區(qū)面積也有所增加，較2009年增加了1.41%，該溫度區(qū)增加主要是由于城市中心經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，導(dǎo)致南昌市市轄區(qū)2及鄰近市轄區(qū)的新建縣建筑面積增大，導(dǎo)致熱量增加。

五、主要結(jié)論

本文以南昌市為例，利用GIS和RS技術(shù)，通過輻射傳導(dǎo)方程法(大氣校正法)對2001年10月20日、2009年10月26日以及2014年10月8日三幅影像進(jìn)行地表溫度反演，通過對城市地表溫度分析、城市熱環(huán)境分析以及地表溫度與土地覆蓋的相關(guān)分析，得到以下結(jié)論：

(1)以Landsat數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，選取南昌市為研究區(qū)，在遙感軟件ENVI環(huán)境下通過對地表比輻射率、幅亮度參數(shù)的推導(dǎo)反演地表溫度，從反演結(jié)果來看，利用輻射傳導(dǎo)方程法進(jìn)行地表溫度反演是可行的。結(jié)果表明，南昌市2001年到2009年地表高溫區(qū)呈顯著上升；并且，南昌市市轄區(qū)2和新建縣地表溫度明顯高于南昌市其他地區(qū)，在2001年至2014年由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市建設(shè)用地大幅增加，導(dǎo)致地表溫度上升較明顯。

(2)本文通過標(biāo)準(zhǔn)化方法將地表溫度劃分為低溫區(qū)、次中溫區(qū)、中溫區(qū)、次高溫區(qū)、高溫區(qū)。結(jié)果表明，南昌市2001年至2014年間，各溫度區(qū)面積變化明顯，其中低溫區(qū)與高溫區(qū)所占面積呈現(xiàn)升高現(xiàn)象，主要是由于城市地表覆蓋類型發(fā)生了明顯的變化，城市高溫區(qū)由周圍地區(qū)逐漸往中心城區(qū)聚攏。