基于Landsat影像的長春市熱島效應研究

畢 強，王青妹

(1.吉林省水利水電勘測設計研究院測繪院，吉林 長春 130021；2.長春工程學院勘查與測繪工程學院，吉林 長春 130021)

城市是社會、政治、經濟以及科學文化水平發展到一定階段的產物，隨著社會的發展，人口急劇膨脹，城市的規模不斷擴大，城市化的進程不斷加快，一定程度上代表了社會的進步，但是城市中以植被為主的自然地物逐漸被人工的建筑物所代替，從而帶來了負面影響，其中熱島效應就是城市化進程中的產物[1]。

城市熱島效應(Urban Heat Island Effects)，是指城市化發展過程中城市的地表溫度以及大氣溫度明顯高于外圍郊區溫度的區域性氣候現象[2- 3]。研究地表溫度的差異性是研究熱島效應的重要因子，目前對于地表溫度的反演主要有兩種方法：一是利用地面氣象觀測站的數據分析歷年城區與外圍郊區的溫度差異，得出熱島效應的分布規律；二是利用熱紅外遙感技術反演地表溫度，進而分析熱島效應的空間分布特征。本文基于第二種方法，采用兩幅影像通過大氣校正法反演地表溫度，研究熱島效應的空間分布特征[4- 5]。

1 研究區概況與數據預處理

1.1 研究區概況

長春市是我國重要的工業基地以及交通樞紐，轄7個區，2個縣級市以及農安縣，素有“北國春城”的美譽，東毗鄰吉林市，南與四平市接壤，西北與松原市相連，總面積20565km2，總人口達到779.3萬。長春市屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫4.8℃，最高溫度39.5℃，最低溫度-39.8℃。

1.2 數據獲取

研究的遙感數據是從地理空間數據云官網上下載，根據研究區的經緯度范圍確定條帶號和行編碼，并盡量選取云量低于5%的影像。本文采用的遙感數據包括2011年6月5日的TM數據以及2016年5月17日的TIRS數據。

1.3 數據預處理

首先根據研究區選擇118/29和118/30兩景影像，對影像進行幾何校正、鑲嵌，鑲嵌完成之后，進行熱紅外波段的輻射定標，Landsat8上搭載OLI傳感器和熱紅外TIRS兩個傳感器。對于TIRS數據，利用輻射定標參數將波段10像元灰度值(DN)轉換為像元在傳感器處的熱輻射強度值(Radiance)[5]，根據研究區的行政區劃矢量邊界數據進行裁剪，得到需要進行地表溫度反演的研究區，如圖1、2所示。

圖1 2011年Landsat5影像

2 研究方法

2.1 地表溫度反演

輻射傳輸方程法是地表溫度反演的最基本方法，也稱為大氣校正法。該方法主要是根據輻射傳輸方程編制大氣校正軟件或估算大氣下行輻射、大氣上行輻射和大氣總透過率，然后結合地物的比輻射率ε，利用輻射函數求解出最后的溫度[6]。其原理是利用熱紅外波段反演地表溫度，具體計算方法如下：

TS=K2/ln[1+[K1/B(TS)]]

(1)

式中，TS—地表溫度；B(Ts)—同溫度下黑體輻射亮度值，B(Ts)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε；Lλ—熱紅外輻射亮度值；L↑—大氣上行熱輻射強度；L↓—大氣下行熱輻射強度；K1—輻射亮度；K2—輻射出射度。K1、K2詳細參數見表1。

表1 不同數據格式K1、K2值

2.2 歸一化植被指數提取

植被指數是由兩個或者兩個以上的波長范圍內的地物反射率做比值運算得到，本文采用的歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)，是綜合性比較強的植被指數，它能反演葉綠素、植物的葉片含水量等信息，利用影像的紅光波段與近紅外波段做波段計算，NDVI值的范圍是-1～1[7]，計算公式如下：

(2)

式中，ρNIR—近紅外波段的反射值；ρRED—紅光波段的反射值。

3 結果與分析

3.1 地表溫度反演分析

根據公式(1)進行地表溫度反演，從制作的溫度反演影像上可以看出長春市白天的溫度分布有很大差異性，熱場表現不均衡，高溫地區集中在城市中心，而周圍的郊區溫度則相對較低。也可以看出南部分布水域的地區溫度較其他地方溫度要低，一般為10～14℃。

根據兩幅同一季節不同年份的遙感影像反演地表溫度的結果來看，隨著城市化進程的不斷加快，熱島也在發生變化，向北方遷移。原因是成立了北部新區，這幾年經濟的快速發展人們由中心以及周圍郊區向此地遷移，導致原來以植被為主的覆蓋類型轉而由復雜的建筑物以及其他不透水面代替，勢必造成熱量升高。如圖3、圖4所示。

圖3 2011年6月地表溫度反演圖像

圖4 2016年5月地表溫度反演圖像

3.2 歸一化植被指數與地表溫度的關系

為了研究NDVI與地表溫度的定量關系，對NDVI進行統計分析。本文選取Landsat5影像，在研究區選擇大致20個點作為樣本點[8]，分析結果如圖5所示。

圖5 NDVI與地表溫度回歸結果圖

從回歸結果可以得出，NDVI與地表溫度呈現負相關關系，二者的相關系數為-0.8947，即植被覆蓋越高的地方溫度越低。可見，增加綠地面積能夠有效緩解城市熱島效應。

4 城市熱島劃分

目前，常用的熱島效應等級劃分方法有兩類：一類是等間距分級法，這種方法是以反演溫度的最大值與最小值為端點，將溫度的區間等間距地劃分成若干個小區間，如劃分為6級依次為特高溫區、高溫區、次高溫區、中溫區、次中溫區以及低溫區。這種劃分方法在分割閾值及確定分級數量時具有很大的主觀性，易造成定量研究城市熱島的不確定性，對研究熱島變化特征缺少說服力；另一類是兼顧均值和標準差的方法，該方法是利用地表溫度均值和不同標準差倍數相組合的方式對地表熱場進行劃分，從而實現對城市熱島區的有效界定。標準差反映了溫度相對于平均溫度的偏離程度，同時應用均值和標準差能夠反映不同地物溫度的變異，且標準差一般能夠說明地面附近溫度與地面平均溫度的接近程度，因此均值—標準差法比等間距劃分法可更為合理地劃分地表溫度級別，可更為直觀地描述研究區地表溫度的差異情況[9]。本文即采用兩種方法對研究區的熱場進行劃分，計算結果詳見表2和表3，地表反演溫度熱場分布圖詳見圖6和圖7。

表2 等間距劃分地表熱場分布

表3 均值-標準差法劃分地表熱場分布

圖6 Landsat5熱場分布

圖7 Landsat8熱場分布

通過對比圖6、7熱場分布結果，可見等間距法在劃分熱島強度細節上表現力差，不能真實客觀地反映地物溫度特征，而均值—標準差法就可以根據溫度區間的劃分對應不同的土地覆蓋類型，因此，均值—標準差法從溫度反演效果上更準確。

5 結論

本文采用大氣校正法分別對2011年和2016年長春市范圍內的地表溫度情況進行了反演，得出結論如下：

(1)隨著時間的推移地表溫度呈現逐年增加的趨勢，熱島效應逐步向周圍地區蔓延發展。

(2)地表溫度隨著歸一化植被指數的增加而降低，兩者存在負相關關系。

(3)采用均值-標準差法劃分城市熱場級別效果優于等間距法。由于目前的實驗工作僅完成了2011年、2016年影像的溫度反演，實驗比較與分析的內容還比較局限，在后續的研究中，還將收集不同年份、不同傳感器的影像資料，進一步分析城市熱環境與城市建成區時間和空間變化的關系，為緩解和控制城市熱島提供更為有效的科學依據[9- 10]。