基于Landsat衛星的寧波城市熱島效應研究

王曉霏 施冬

摘要：為了對寧波地區城市化進程中的熱島效應進行研究，利用Landsat數據對寧波市的地表溫度進行計算，然后分析寧波地區地表溫度變化及其與土地利用類型的關系。分析結果表明：1995-2015年寧波地區老城區等城市中心有著明顯的城市熱島效應現象。且隨著寧波市中心到城市邊緣距離的增加，地表溫度明顯減少。對NDBI、NDVI與LST進行相關性分析可知，NDVI與LST間存在顯著負相關關系，NDBI與LST間存在顯著正相關關系。

關鍵詞：LST；熱島效應；均值標準差；寧波；土地利用

中圖分類號：X16 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）11-0270-02

城市熱島是城市氣候變化最顯著的特征之一，它不僅增加城市生態環境的污染，還對人體的健康以及人類的生存構成巨大的威脅[1]。本文以1995-2015年寧波地區Landsat遙感影像為原始數據，確定城市熱島分布范圍及其時空變化特征。再利用土地利用數據及地表指數因子數據分析其與地表溫度的相關性，分析寧波熱環境變化的成因，為城市熱環境監測提供科學依據[2]。

1研究區及數據源

研究區經緯度介于28°51′～30°33′N，120°55′～122°16′E之間。其行政區劃包括六區、兩縣以及三個縣級市，總面積達約9365km2。寧波地區緯度適中，平原地區多年平均氣溫16.2C°，最熱月為7月份[3]。寧波市城鎮化水平達到56%，隨著城市空間擴展、下墊面變化，城市熱島問題日益突出。研究選用1995、2007年的Landsat5 TM遙感數據和2015年Landsat8 OLI遙感數據。由于一景Landsat產品不能完全覆蓋整個寧波地區，分別下載條帶號為118/39，118/40共6景影像。其影像選取原則，云量基本少于5%。

2研究方法

目前提出反演溫度的各種算法，歸納起來大致分為單通道算法，多通道算法和劈窗算法三類[4]。1995、2007、2015年Landsat數據分別采用覃志豪單通道算法、胡德勇等改進后的TIRS10_SC算法實現地表溫度的反演。

3結果與分析

3.1地表溫度反演結果

基于上述反演地表溫度算法得出寧波市建成區1995、2007、2015年地表溫度。1995年高溫區和次高溫區占總寧波面積的一小部分[6]。低溫區和次中溫區的熱島由水體和林地組成，次高和高等級的地區主要是位于市中心及其附近的工業和住宅用地。與1995年相比，2007年的高溫區大幅增加且具有更多零散的分布。從市中心到城市邊緣，最高等級的城市熱島效應也在徑向擴展[7]。城市地區向外擴張的同時，內部結構也發生了較大的變化，趨向于同心圓模式。與2007年相比，2015年的城市熱島效應更加分散，從市中心到西部地區的熱島區面積略有減少，而東部沿海地區的熱島區面積略有增加。城市熱島范圍總體在逐漸擴大，市區熱島范圍以老城區為中心向外輻射持續生長。另外，寧波市作為我國重要的通商口岸，熱島現象向鎮海區和北侖區沿海地區擴展。象山、寧海、余姚等縣級地區，熱島強度呈逐漸增強趨勢。寧波地區人口、建筑物密集的市區溫度明顯高于周邊郊區，縣級市的中心溫度也高于外圍地區，說明寧波熱島效應的確存在。

3.2城市熱島和土地利用的關系

本文根據研究區土地類型的特點，利用監督分類法，將土地利用類型分為林地、城市用地、水體、裸地和耕地5大類。將反演得到的LST與土地利用類型疊加分析，可以得出近20年，城市地表溫度始終處于最高，這是由于城市地區下墊面主要由柏油、琉璃瓦等非滲透性表面組成，其熱容量較小，地表蒸發能力也相對較低，導致城市地區地表溫度較高。水體地表溫度始終最低，由于水體的熱慣量及熱容量相對較大，其熱傳導和熱擴散率小，從而導致水面溫度總是最低。裸地的地表平均溫度相對高于耕地，耕地的地表平均溫度相對高于林地。其中，裸地的熱傳導率大，在接受輻射能量時容易升溫。耕地的地表平均溫度較低，主要原因是農作物可以通過光合及蒸騰作用減少周圍大氣的熱量。林地的地表平均溫度比耕地低，說明林地中植被對大氣熱量吸收的熱量的作用比耕地明顯。由此可知，水體、林地對城市的降溫作用起著相當重要的作用，大面積的水體覆蓋以及大范圍的植樹造林能夠有效地緩解城市熱島效應。

為了定量地分析各種歸一化指數與地表溫度之間的關系，本文統計樣點對應的地表溫度、NDBI、NDVI值，建立二維散點圖進行統計回歸分析。從圖1看出，1995、2007和2015年LST與NDBI均表現出明顯正相關關系，其相關系數在0.05置信水平下是顯著的。說明城鎮建設用地的增多對地表溫度的促進升溫作用明顯；1995、2007和2015年NDVI與LST呈現負相關，其相關系數在0.05置信水平下也是比較顯著的。它表明這種植被覆蓋率越高的土地利用類型，就越能抑制城市地表變暖。

4結論

從時間序列角度來看，1995-2015年城市中心的熱島效應逐年顯現，且隨著從寧波市中心到城市邊緣的距離增加，地表溫度明顯減少，其中2007年地表溫度下降較快，其余兩年則比較緩慢。寧波市地表溫度與土地利用類型有較為顯著的關系，地表土地利用類型為城市是地表溫度始終最高。而林地和水體是城市的降溫區。NDVI與LST之間存在顯著的負相關，NDBI與LST之間存在顯著的正相關。這說明城市建筑物占地及下墊面覆蓋類型是形成城市熱島的主要因素。相反植被具有顯著的降溫效果，對于緩解城市熱島效應具有重要的作用。

參考文獻：

[1] 上海市土地利用空間格局與地表溫度關系研究[J]. 生態環境學報， 2013（2）： 343-350.

[2] 楊英寶，蘇偉忠，江南.基于遙感的城市熱島效應研究[J].地理與地理信息科學，2006（5）.

[3] 覃志豪. 陸地衛星 TM6波段范圍內地表比輻射率的估計[J]. 國土資源遙感， 2004， 16（3）： 28-32.

[4] 胡德勇. 利用單窗算法反演Landsat 8 TIRS數據地表溫度[J]. 武漢大學學報（信息科學版）， 2017， 42（7）： 869-876.

[5] 孫芹芹， 吳志峰， 譚建軍. 不同土地利用類型的城市熱環境效應研究——以廣州市為例[J]. 國土資源遙感， 2010（4）： 67-70.

[6] 徐心馨， 李小娟， 孟丹. 北京市不同下墊面類型對熱島效應及人體舒適度的影響[J]. 首都師范大學學報（自然科學版）， 2013，34（3）： 47-52.

[7] 葉鈺，秦建新，胡順石.長沙市熱島效應時空特征變化研究[J]. 地球信息科學學報， 2017，19（4）：518-527.

【通聯編輯：光文玲】