基于Landsat8衛(wèi)星影像的臺州市熱島效應(yīng)分析

許培琳 胡媛

摘 要：選擇浙江省臺州市2017年8月的Landsat8OLI影像為主數(shù)據(jù)源，以ENVI遙感軟件為平臺，利用遙感算法反演出臺州市地表溫度，并將地表溫度換算成熱島強(qiáng)度，然后進(jìn)行歸一化處理并進(jìn)行密度分割，從而對臺州市的熱島情況進(jìn)行分析。結(jié)果表明：臺州市市區(qū)溫度明顯高于農(nóng)村和山區(qū)；熱島區(qū)和強(qiáng)熱島區(qū)主要位于市區(qū)建筑群，弱島區(qū)和無島區(qū)主要位于農(nóng)村和林區(qū)等地。

關(guān)鍵詞：Landsat8 OLI；臺州市；地表溫度反演；熱島效應(yīng)

熱島效應(yīng)是指在城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，由于人口密集，工業(yè)蓬勃發(fā)展導(dǎo)致的發(fā)熱，加上建筑物和道路等高蓄熱體及綠地減少等因素造成城市“高溫化的一種特有問題[1]。隨著遙感技術(shù)的不斷進(jìn)步，對于熱島效應(yīng)方面的研究也在逐漸增多。蘇嫄等基于單窗算法對陜西省漢中市熱島效應(yīng)近二十年的時(shí)空特征進(jìn)行了分析；宋瑞祥等利用遙感算法反演出合肥市的地表溫度，并對NDVI、NDBI與熱島效應(yīng)的關(guān)系展開了分析。目前對于地表溫度的反演主要有三種方法，分別是大氣校正法、單通道算法和分裂窗算法[2]。本文以浙江省臺州市為研究區(qū)，基于大氣校正法，利用Landsat8影像反演出臺州市地表溫度，進(jìn)而對臺州市熱島效應(yīng)進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)預(yù)處理

臺州市位于浙江省，依山傍海，城市平原丘陵交相坐落，山脈連綿。夏季為熱帶氣候，冬季為亞熱帶氣候。通過地理空間數(shù)據(jù)云下載得到臺州市2017年8月24日的Landsat8OLI影像。成像時(shí)天氣狀況均良好，云量較少。首先使用 ENVI5.1 軟件對臺州市的多光譜和熱紅外遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)，然后進(jìn)行大氣校正，接著利用研究區(qū)矢量邊界裁剪出研究區(qū)影像圖。

2 數(shù)據(jù)處理

對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理之后，利用輻射傳輸方程法對臺州市Landsat 8影像第10波段進(jìn)行遙感反演，計(jì)算出臺州市地區(qū)的地表真實(shí)溫度。首先進(jìn)行地表比輻射率ε的計(jì)算。公式如下：

（1）

其中，Pv是植被覆蓋度，用以下公式計(jì)算：

（2）

其中，NDVISoil為完全是裸土或無植被覆蓋地區(qū)的NDVI值，NDVIVeg為純植被像元的NDVI值。這里取經(jīng)驗(yàn)值NDVIVeg = 0.70和NDVISoil = 0.05。從而計(jì)算得到地表比輻射率ε。

然后根據(jù)公式（3）計(jì)算黑體熱輻射亮度B（TS）：

（3）

其中，L↑大氣向上輻射亮度，L↓為大氣向下輻射亮度，τ為大氣在熱紅外波段的透過率，這三個值為大氣剖面參數(shù)，可在在NASA提供的官方網(wǎng)站中輸入影像的成影時(shí)間、中心經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)即可獲得。Lλ為熱紅外輻射亮度值。

接著根據(jù)普朗克公式（4）的反函數(shù)，將黑體輻射亮度值反演成地表真實(shí)溫度：

（4）

對于Landsat8OLI傳感器，K1=774.89

W/（m2*?m*sr），K2 = 1321.08K。反演得到的臺州市當(dāng)時(shí)的地表溫度約為4.9度到43.3度。為了更加明顯的觀察研究結(jié)果，這里將地表溫度與城市熱島強(qiáng)度按照公式（5）進(jìn)行換算：

（5）

式中，HII表示城市熱島強(qiáng)度，表示高溫地域與其周圍具有溫度差異的現(xiàn)象，LST表示地表溫度，Tmean 則代表平均的地表溫度。計(jì)算得到熱島強(qiáng)度影像。然后對得到的結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，使其值處于0到1之間。接著令其按照等差進(jìn)行密度分割得到熱島強(qiáng)度影像。

密度分割后，利用ENVI自帶的統(tǒng)計(jì)功能統(tǒng)計(jì)出各區(qū)域所占比例。結(jié)果見表1。

表1 研究區(qū)城市熱島強(qiáng)度所占比例

熱島強(qiáng)度 顏色 百分比/%

無島區(qū)（0-0.2） 藍(lán)色 10.8755

弱島區(qū)（0.2-0.4） 綠色 34.7306

正常區(qū)（0.4-0.6） 黃色 33.2232

熱島區(qū)（0.6-0.8） 橙色 14.5361

強(qiáng)熱島區(qū)（0.8-1） 紅色 6.6346

3 結(jié)果分析

結(jié)合表1可知，市區(qū)的溫度明顯高于農(nóng)村和山區(qū)，同時(shí)臺州市的強(qiáng)熱島區(qū)和熱島區(qū)占研究區(qū)面積的21.1707%，主要位于市區(qū)建設(shè)區(qū)，這跟城市的建設(shè)用地快速擴(kuò)張有著緊密的關(guān)系；弱島區(qū)和無島區(qū)主要集中在山區(qū)及農(nóng)村等地，占研究區(qū)面積的45.6061%，這與臺州市內(nèi)山峰較多、西南方向山脈連綿，建筑密度稀疏有密切關(guān)系。這和熱島效應(yīng)的分布規(guī)律也較為吻合。由于受影像空間分辨率的影響以及其他條件限制，對研究區(qū)的熱島效應(yīng)分析主要是從宏觀角度來進(jìn)行的，具有一定的局限性。但是本次研究成果可為臺州市城市建設(shè)和規(guī)劃提供一定的參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]楊立穩(wěn).屋頂綠化對頂層室內(nèi)溫度和能耗的影響研究[D].東華大學(xué)，2015.

[2]劉含海.非滲透表面對地表溫度的影響[D].河南大學(xué)，2007.