城市熱島的遙感監(jiān)測方法及應用

趙劍橋

摘 要 隨著城市規(guī)模的迅速擴大，城市熱島效應愈發(fā)明顯。遙感技術提供的大范圍地表溫度空間變化信息，非常適用于分析不同空間分辨率下的城市熱場空間分布特征。城市熱島的遙感監(jiān)測方法主要有基于溫度、基于植被指數(shù)、基于熱力景觀的方法。利用遙感技術監(jiān)測城市熱島效應，目前比較側重熱島范圍與強度的監(jiān)測，而對于緩解城市熱島的方法和途徑的研究還比較薄弱，應當利用遙感資料與技術對此加強研究。

關鍵詞 城市熱島；地表溫度；地面亮溫；植被指數(shù)；熱力景觀

中圖分類號：X16；X87 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.09.072

城市熱島是指城市中的氣溫明顯高于外圍郊區(qū)的現(xiàn)象，是城市發(fā)展最顯著的特征之一[1]。對于城市熱島出現(xiàn)的原因，很多研究者認為與下墊面性質結構、植被覆蓋情況、天氣、地形、社會經濟等密切相關。隨著城市化的發(fā)展，城市熱島強度及規(guī)模日益加劇[2]，城市熱島效應產生的危害很大，熱島中心區(qū)域呈上升氣流，附近的廢氣、污染物進入城區(qū)加重污染，嚴重影響居民健康。

一般來說城市熱島研究有兩條途徑：1）通過固定氣象站點的觀測數(shù)據(jù)，對城市中具體站點進行時序觀測或對多個城鄉(xiāng)站點進行對比觀測，分析城鄉(xiāng)的地表溫度差異；2）利用衛(wèi)星遙感獲取的地表熱場分布數(shù)據(jù)對比分析城鄉(xiāng)的地表溫度差異。早期城市熱島研究主要運用站點的觀測數(shù)據(jù)，但由于觀測站點的分布較為稀疏，有一定的局限性，影響了對于城市熱場空間分布特征的客觀分析。因此，現(xiàn)在依賴傳統(tǒng)定點觀測的城市熱島研究越來越少。通過遙感手段獲取的觀測資料具有覆蓋范圍廣、時間同步性好的特點，其提供的大范圍地表溫度空間變化信息，非常適用于分析不同空間分辨率下的城市熱場空間分布特征。

1 基于溫度的監(jiān)測方法

根據(jù)處理溫度方法的不同，可分為基于地表溫度與基于地面亮溫兩類方法[3]。

1.1 基于地表溫度的監(jiān)測方法

城市熱島效應與下墊面性質結構關系密切，但由于下墊面的復雜性以及實時探空數(shù)據(jù)獲取的不易，使得地表溫度的精確反演存在一定難度，因此這一方法大多是通過簡化方法獲取大氣參數(shù)、地表比輻射率等求取地表溫度。陳健等基于MODIS和ASTER影像數(shù)據(jù)，以劈窗算法反演地表溫度，利用分類結果和歸一化植被指數(shù)（NDVI）等，定量分析滄州地區(qū)的城市熱環(huán)境。研究表明，市區(qū)為高溫中心，建筑物密集地、郊區(qū)人類活動頻繁地帶溫度較高，農村用地和荒地也出現(xiàn)了明顯的局部熱中心[4]。楊沈斌等基于Landsat TM/ETM+影像的數(shù)據(jù)，通過反演地表溫度計算城市熱島強度，研究北京城市熱島季節(jié)特征，結果顯示北京城市熱島季節(jié)變化特征明顯，與總云量季節(jié)變化關系顯著。夏季出現(xiàn)最大熱島強度，空間分布特征表現(xiàn)為片狀發(fā)散與零星熱島并存；冬季表現(xiàn)為冷島特征，其空間分布與夏季熱島一致；春季與秋季的熱島強度最小，不過春季的熱島空間差異較大[5]。

1.2 基于地面亮溫的監(jiān)測方法

地面亮溫是傳感器在衛(wèi)星高度上能夠觀測到的熱輻射強度，也稱地表輻射溫度。在城市區(qū)域范圍有限的前提下，基于地面亮溫的城市熱島研究一般假設研究區(qū)的大氣條件接近理想，水汽狀況近似一致，可以忽略大氣對輻射亮溫的影響[6]。劉恩勤等利用Landsat7 ETM+遙感數(shù)據(jù)，利用亮溫代替實際地面溫度來表征城市熱場的方法，通過地物熱紅外波段輻射值反演研究城市熱島效應，結果顯示研究區(qū)熱島效應明顯，熱場分布有明顯的規(guī)律性[7]。

雖然利用地面亮溫數(shù)據(jù)進行城市熱島研究的成果較多，但地面亮溫并不是地表真實溫度，實際上兩者相差很大，用地面亮溫研究城市熱島效應，只能相對表達熱島的分布狀況，其結果并不是對城市熱島強度的真實反映，所以基于地面亮溫的監(jiān)測方法存在一定的局限性。

2 基于植被指數(shù)的監(jiān)測方法

植被指數(shù)是表征地表植被信息的重要指標，作為反映城市綠地覆蓋狀況的最重要信息源，廣泛應用于對植被覆蓋及其活力的評價。其中，NDVI反映對植被比較敏感的近紅外和可見光波段反射光譜的信息，較多地應用于植被分布狀況研究中。王艷姣等基于植被指數(shù)的北京城市熱島變化研究表明，北京夏季郊區(qū)NDVI的增加對郊區(qū)地表溫度的調節(jié)作用非常顯著[8]。唐曦等在上海城市熱島效應與植被關系的研究中，基于遙感數(shù)據(jù)對不同下墊面結構的亮溫和NDVI進行線性回歸比對分析，研究表明植被與下墊面溫度的負相關程度夏季較春季高，夏季植被對溫度的影響更明顯，即夏季植被對降低下墊面溫度效果非常顯著[9]。邊倩倩等基于ETM+遙感影像的城市熱島效應與植被覆蓋關系研究表明，研究區(qū)溫度的分布（中心高、邊緣低）與植被覆蓋程度（中心低、邊緣高）相反[10]。

基于植被指數(shù)研究城市熱島也存在一定局限性：1）冬季綠色植被很少的地區(qū)，無法保證結果的準確性；2）干旱地區(qū)無法適用這個方法；3）對于海拔也有一定要求，如果高程差超過500 m，則研究結果難以符合實際[11]。

3 基于熱力景觀的監(jiān)測方法

景觀生態(tài)學的興起與發(fā)展，使基于熱力景觀的監(jiān)測方法成為城市熱島研究的新方法。這種方法應用GIS和遙感技術，從景觀生態(tài)學角度研究城市熱島，建構城市熱島空間格局與評價體系。

黃聚聰?shù)冉梃b景觀生態(tài)學的方法計算景觀指數(shù)，利用Landsat ETM+影像數(shù)據(jù)反演地表溫度，使用景觀格局指數(shù)分析廈門城市熱島的季節(jié)變化特征。其所選取的景觀指數(shù)包括類型面積、斑塊數(shù)量、平均斑塊面積、最大斑塊指數(shù)、平均鄰近指數(shù)、面積加權形狀指數(shù)、連通性指數(shù)、聚合度。這些指數(shù)從數(shù)量特征、形態(tài)特征、結構特征三個方面表征廈門城市熱島空間格局特征及季節(jié)變化，研究表明：廈門城市熱島在夏季最強，春秋次之，冬季最弱[12]。唐澤等基于Landsat ETM+影像數(shù)據(jù)，以單窗算法反演長春市夏季地表溫度，以線性光譜混合模型獲取長春市不透水面蓋度和植被覆蓋率，構建熱力景觀動態(tài)度指數(shù)，分析城市熱力景觀格局的時空變化特征，研究表明，近10年來，長春市高溫區(qū)域向郊區(qū)擴展，熱力景觀整體呈現(xiàn)破碎化[13]。

相關研究表明，基于熱力景觀的監(jiān)測方法能夠比較快捷地獲得空間范圍內的地溫、土地利用類型和植被指數(shù)等，但是其在時間連續(xù)性上還存在局限性。

4 結語

遙感技術的優(yōu)勢使其成為監(jiān)測城市熱島效應不可或缺的重要手段，但目前利用遙感技術監(jiān)測城市熱島比較側重熱島范圍與強度的監(jiān)測，而對于緩解城市熱島的方法和途徑的研究還比較薄弱，建議今后利用遙感資料與技術對此加強研究。

參考文獻：

[1] 喬治，田光進.基于MODIS的2001年—2012年北京熱島足跡及容量動態(tài)監(jiān)測[J].遙感學報，2015，19（3）：476-484.

[2] 易佳，田永中，高陽華，等.基于RS的山地城市熱島效應及其與土地覆被變化關系研究——以重慶市主城區(qū)為例[J].云南師范大學學報（自然科學版），2008，28（6）：64-69.

[3] 王榮華.京津冀都市圈植被覆蓋和城市熱島時空變化特征分析[D].北京：首都師范大學，2008.

[4] 陳健，楊旭媛.基于ASTER數(shù)據(jù)的城市熱環(huán)境遙感監(jiān)測研究[J].國土資源遙感，2011（3）：100-105.

[5] 楊沈斌，趙小艷，申雙和，等.基于Landsat TM/ETM+數(shù)據(jù)的北京城市熱島季節(jié)特征研究[J].大氣科學學報，2010，33（4）：427-435.

[6] 周甜甜，廉麗姝，紀曉璐.遙感技術在城市熱島研究中的應用進展[J].魯東大學學報（自然科學版），2016，32（4）：379-384.

[7] 劉恩勤，楊武年，陳寧.基于遙感技術的城市熱島效應研究——以成都地區(qū)為例[J].四川地質學報，2009，29（4）：484-487.

[8] 王艷姣，閆峰，張培群，等.基于植被指數(shù)和地表反照率影響的北京城市熱島變化[J].環(huán)境科學研究，2009，22（2）：215-220.

[9] 唐曦，束炯，樂群.基于遙感的上海城市熱島效應與植被的關系研究[J].華東師范大學學報（自然科學版），2008（1）：100-105.

[10] 邊倩倩，梁立恒，馬友利.基于ETM+遙感影像的城市熱島效應與植被覆蓋關系研究——以長春市為例[J].黑龍江科技信息，2016（32）：165.

[11] 胡華浪，陳云浩，宮阿都.城市熱島的遙感研究進展[J].國土資源遙感，2005（3）：5-9.

[12] 黃聚聰，趙小鋒，唐立娜，等.城市熱力景觀格局季節(jié)變化特征分析及其應用[J].生態(tài)環(huán)境學報，2011，20（2）：304-310.

[13] 唐澤，鄭海峰，任志彬，等.城市地表熱力景觀格局時空演變——以長春市為例[J].生態(tài)學報，2017，37（10）：3264-3273.

（責任編輯：劉昀）