東營市建成區城市熱島現象的時空特征分析

柴瀟琳 孫炳孌 王興洲 常在功 王玉軍 李 巍

(1.東營市園林綠化中心，山東 東營 257100; 2.東營市自來水公司，山東 東營 257100； 3.黑龍江科技大學礦業工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022)

1 研究背景

城市熱島效應是指城市地區整體或局部溫度高于周圍地區，溫度較高的城市地區被溫度較低的郊區所包圍或部分包圍的現象[1]。城市熱島效應對城市發展危害極大，通過能源的過量消耗與廢氣排放，加劇了城市的熱島效應形成惡性循環,影響居民身體健康和城市可持續發展。現在，城市熱島研究在信息技術高度發展的推動下，能夠獲取覆蓋廣泛的連續溫度數據，這一發展打破了傳統束縛，且較傳統的空間插值方法更為精確。

城市的規模和數量的迅速增加導致我國城市化進程不斷加速，這種變化使城市的綠地和植被覆蓋迅猛下降，而迅速增加的則是城市化帶來的人工熱量，即為熱島效應，這種變化變天然的自然環境為人工環境[2]。

東營市位于山東省北部，是我國黃河三角洲的重要區域。東、北臨渤海，西與濱州市毗鄰，南與淄博市、濰坊市接壤。南北最大縱距123 km，東西最大橫距74 km，土地總面積8 243 km2[3]。

東營市的土壤主要涵蓋了四種類型：褐色土、鹽土、砂姜黑土以及潮土。其中潮土占1/2。該研究區由于其土壤類型不適合大部分綠化植物的栽培，使土地鹽堿化日趨嚴重，因而得名“無樹之城”。當地有關部門為了打破這種鹽堿化局面，一直致力于耐鹽樹種的研究，并已培養出了百余種樹種適合在鹽堿土地上種植[4]。

2 研究方法

2.1 數據來源

本文以東營市建成區作為研究靶區，以Landsat4.0衛星數據及world view數據為數據源，選取了四期(1989年、2004年、2013年、2016年)遙感影像。首先，結合城市綠地分類情況，進行了數據的預處理和各類綠地信息提取。由于東營市主城區范圍相對較小，大氣的輻射影響比較均一，影響可忽略。因此，本研究未曾進行大氣校正。根據衛星數據常規描述具體內容，見表1。

表1 東營市建成區城市熱島所用衛星數據

2.2 相關指標提取和計算方法

當前的研究一般采用UHI指標分析城市的植被對熱島效應的影響及其相互關系。而UHI通過影像的灰度值(DN)進行衡量，植被通過植被歸一化指數(NDVI)進行衡量。具體的計算方法有以下幾種。

2.2.1DN值提取及熱島強度分級

城市熱島利用影像的灰度值(DN值)進行衡量，具體研究方法為：

1)以現有矢量數據為參考對landsat影像進行幾何校正。幾何校正的過程中對控制點的選取至關重要，要把握幾個原則：第一，在影像上容易識別的位置進行選點，如道路、河流的拐點、交叉口等；第二，控制點數量要滿足使用需求，一般控制點的數量為N=1/2(n+1)(n+2)，n為多項式的次數；第三，控制點在影像內要均勻分布，使影像各部分均能被校正。

2)將Landsat的熱紅外波段進行假彩色密度分割，按照地面輻射實際狀況進行準確分級。

3)研究中將各期數據進行大尺度對比，將東營市建成區的地面熱輻射分為五個等級[5,6]，便于更加清晰明確地展示東營市地表熱輻射狀況的特征，如表2所示。

表2 城市地面輻射分級

2.2.2NDVI提取與計算

通常來說，NDVI反映的是地表植被的覆蓋密度、植被種類、土壤濕度等特征情況。一般用來代表城市下墊面的植被覆蓋狀況。

NDVI與地表特征參數的變化，如：表面阻抗、地表粗糙度、反照率、發射率以及熱慣量相關。對于Landsat衛星來說：

(1)

其中，Band3為波長范圍0.63 μm和0.69 μm之間的紅波段；Band4為波長范圍0.76 μm和0.90 μm之間的近紅外波段。

3 結果分析

3.1 東營市建成區歷年UHI擴展趨勢分析

本研究采用陸地資源衛星的熱紅外波段對研究區建成區的UHI進行DN值的計算。熱島效應就是城市郊區溫度低，城市內部溫度高，在圖上造成島嶼狀分布而得名，由圖1可知，東營市的建成區的擴張與熱島擴張的情況一致。由于城市化進程的加速發展，農村逐漸縮小甚至消失，取而代之的是城市建成區的擴張，是鋼筋水泥等人工地物的增加，這種變化加劇了熱輻射和熱傳遞，所以東營市建成區內城市熱島是反映城市化最直接的形式。對東營市建成區歷年演化情況分析，可以發現與1989年比較，2004年熱島的范圍向外擴展了很多，主要是東部方向，并且城鄉對比更加明顯，熱島效應更為顯著。

3.2 建成區內熱島效應演變及空間格局分析

在東營市建成區范圍內，1989年—2016年的28年中，熱島面積逐年增加，1989年熱島面積最小，為5.15 km2，占建成區總面積的1.15%；此后熱島效應明顯增強，2004年熱島面積為29.39 km2，比1989年增加了5.41%；2013年熱島面積為34.04 km2，比2004年增加了1.05%；2016年熱島效應面積為27.42 km2熱島面積保持穩定，并有減少的趨勢(見表3)。

表3 東營市建成區內熱島效應的多年演變

將東營市建成區熱島1989年—2016年演變與東營市城市化發展進行對照分析，可見：隨著城市化進程的推進，建成區向郊區蔓延。東營市建成區的熱島效應在1989年—2016年年間迅速上升。2004年后，城市化進入新的階段，東城區建設發展迅速，建設用地繼續擴大，到2013年左右城市建設用地已達到20世紀90年代建設用地的1.6倍，熱島效應呈現出高速增長趨勢(見圖1)。

從1989年的建成區地面DN值空間分布格局來看，熱島效應主要集中在西城區，東城區和技術開發區基本沒有分布；到2004年時，熱島已從西城區擴散到東城區；到2016年時，熱島進一步擴散到技術開發區。這和城市化建設進程一致，是城市化進程的重要體現。

4 結語

本文通過對東營市1989年、2004年、2013年、2016年四期遙感數據解譯和分析，可以發現，東營市建成區內，城市熱島面積出現了先升后降的趨勢。在區域分布上主要是東部方向，并且城鄉對比更加明顯，熱島效應更為顯著，與城市化進程的發展一致。東營市注重城市綠地的建設，并取得突出成效，于2011年獲批申報國家園林城市[7]。城市綠地建設和發展使得城市熱島得到了有效緩解。未來城市發展建設中，需要根據目前城市熱島分布圖，有針對的提高西城區城市更新和綠地建設，以期緩解城市熱導效應。在經濟技術開發區及東城區需要提高綠地的整體聯系和功能性，控制新的城市建設可能引起的城市熱島效應。同時，在綠量的基礎上，增加植物多樣性，提高生態服務能力。