遙感影像處理技術在城市熱島效應研究中的應用

潘偉偉

（上海浦海測繪有限公司，上海 201399）

0.引言

近年來，隨著全球城市化的迅速發展，人類的生活質量得到了較大幅度的提升，同時給我們賴以生存的自然環境帶來巨大改變，其中城市熱島問題是近年來全球關注的重點[1]。傳統城市熱島效應研究方法多采用線路觀測和定點觀測相結合的方法，以常規測繪技術為基礎，獲取城市熱島效應信息，但隨著城市化進程不斷地加快，傳統分析方式已無法滿足城市熱島效應研究的需要[2]。隨著衛星遙感技術的不斷發展進步，其在各個領域中的應用愈加成熟，以衛星遙感技術為基礎，獲取研究區的熱紅外遙感數據，通過對其進行加工處理，能夠大大提升城市熱島效應分析研究效率。

在本次研究過程中，以哈爾濱市主城區為研究對象，以該地區2004年、2009年、2014年、2019年共4期遙感影像為數據源，對不同時相的遙感影像進行預處理，生成滿足使用要求的遙感影像。基于預處理后的遙感影像，分析研究哈爾濱主城區多年間熱島效應時空演變特征，研究其規律性和差異性，并從研究區實際情況出發，提出緩解城市熱島效應的有效措施，進而多方面、多角度提升研究區城市環境品質。

1.理論基礎

在城市熱島效應研究過程中，傳統方法往往以多個氣象站觀測數據資料為基礎，在重點研究區域輔以線路觀測和定點觀測，獲取城市熱島效應的基礎數據，采用統計分析的方法對城市熱島效應進行分析研究[3]。但該方法具有較大弊端，城市下墊面有著較為復雜的組成成分，熱傳導方式、熱慣性等具有不同的表現形式，從而導致地表溫度具有較為顯著的差異，所以傳統研究方法僅是對局部熱島效應的研究，具有較大局限性[4]。衛星遙感技術能夠獲取研究區大面積的熱紅外遙感數據，能夠實現研究區域的全面覆蓋，有效克服了傳統研究方法的片面性，便于城市熱島效應的動態分析。經多方驗證，采用衛星遙感技術對城市熱島效應進行分析研究，成果較為理想。

1.1 熱島效應計算

現階段，以TM/ETM+6波段為基礎，對地球表面溫度進行反演計算方法較為繁多，比較常用的方法主要包括大氣校正法、單通道算法以及單窗算法三大類。其中大氣校正算法是以實時數據為基礎，求解地表熱輻射傳播過程中被大氣所吸收的部分，然后從總輻射強度中消除大氣的影響，即可得到地球表面溫度數據[5]。單通道算法和單窗算法原理較為相似，以熱輻射傳導方程為基礎，建立地表溫度反演模型，綜合評估大氣透過率、地表比輻射率、大氣平均作用溫度等因素對地表溫度反演的影響[6]，反演精度遠高于大氣校正算法，但相對而言，單窗算法反演精度略高于單通道算法。

1.2 熱島效應分類

由于季節、氣候等因素的影響，利用反演出的真實地表溫度研究城市熱島效應具有一定的局限性[7]，故本文引入距平理論對城市熱島效應進行強度等級劃分。距平是氣候研究過程中較為常用的方法，是指某一指標的實際取值與該指標平均值之間的偏差。

在本次研究過程中，采用單窗算法反演地表溫度，以研究區城市內的真實地表溫度與郊區平均溫度的差值為基礎，推算研究區城市熱島強度分級。由于農田能夠對地表真實溫度進行真實體現，故選擇研究區郊區農田為樣本數據，以像元為單位，將每個像元的真實地表溫度與小區平均溫度的差值作為該像元城市熱島強度。通過查閱相關資料，并結合研究區實際情況，將哈爾濱城市熱島效應強度分為8個等級。距平小于0時，為冷島；距平區間為[0,2.5)時，為清涼島；距平區間為[2.5,5)時，為弱熱島；距平區間為[5,7.5)時，為熱島；距平區間為[7.5,10)時，為次強熱島；距平區間為[10,12.5)時，為強熱島；距平區間為[12.5,15]時，為超強熱島；距平大于15時，為極端熱島。

2.實例研究

2.1 數據源

本文收集了哈爾濱市2004年～2019年間共8景Landsat TM/ETM+影像數據，但部分影像數據質量較差，難以滿足使用需求，通過對8景遙感影像進行精細篩選，選擇了2004年、2009年、2014年、2019年共4景影像數據進行分析研究。

2.2 數據處理

2.2.1 遙感影像預處理

預處理是遙感影像使用前的必要工作，主要是對遙感影像數據進行輻射、幾何及大氣校正，圖像合成、圖像增強以及圖像裁切等操作[8]，從而對原始遙感影像進行優化處理，提高遙感影像的可編輯性，便于后續對其進行分析應用。

2.2.2 熱島效應分析

在本次研究過程中，選擇哈爾濱市主城區作為研究區域，為明確主城區詳細范圍，以四環路為分界線，四環路以內為主城區，即本文的研究區域（如圖1所示），研究區總面積為586.3km2。

圖1 研究區范圍

采用單窗算法，利用ENVI及ArcGIS軟件，分別對2004年、2009年、2014年、2019年遙感影像進行處理，從而獲得哈爾濱主城區地表溫度反演分布圖。各年度反演結果（如圖2所示）：

圖2 研究區2004、2009、2014和2019年度地表溫度分布成果

通過對哈爾濱主城區熱島距平值進行綜合計算，將哈爾濱城市熱島效應強度分為8個等級，利用ENVI軟件，生成哈爾濱2004年、2009年、2014年、2019年城市熱島強度分布圖（如圖3所示）：

圖3 研究區2004、2009、2014和2019年度熱島強度分布成果

3.哈爾濱城市熱島演變特征分析

3.1 時間演變特征

通過對研究區2004年、2009年、2014年和2019年主城區城市熱島強度分布結果進行分析可得：在14年間，哈爾濱主城區的熱島面積不斷增加，熱島效應非常明顯，且熱島效應的強度及覆蓋范圍均呈現大幅度擴張趨勢。城市熱島強度分級統計（如表1所示），冷、熱島面積統計（如表2所示）：

表1 研究區熱島強度分級面積匯總 單位：km2

表2 研究區冷、熱島面積匯總 單位：km2

由表1和表2可知：從2004年到2009年間，哈爾濱市城市 熱島效應有一定的緩解，熱島面積呈現下降趨勢，從2004年的327.1km2下降到2009年的255.2km2，但該時間段內研究區城市強熱島、超強熱島以及極端熱島的面積變化相對較小，占研究區總面積的3%左右。自2009年以來，研究區城市熱島面積呈現持續擴張趨勢，2014年研究區熱島面積增長為316.6km2，2019年為462.6km2，占研究區城市總面積的78.9%，且研究區超強熱島和極強熱島區的區域面積同樣呈現穩定增長趨勢。伴隨著城市熱島面積地不斷增長，研究區清涼島面積呈現大幅度下降趨勢，2004年研究區清涼島面積占比為15.0%，2019年僅為3.3%，故表明研究區城市的建設發展在一定程度犧牲了生態環境，大大降低了研究區綠化面積。

通過對表1和表2進行深入分析發現，研究區的極端熱島和冷島面積呈現明顯的線性關系，當研究區冷島面積降低時，極端熱島面積呈現上升趨勢。其原因為冷島區一般多出現在水域、濕地周邊，而水域和濕地能夠對局部的氣候狀態進行有效調節，當水域面積驟減時，該地區的熱島效應會愈發凸現。

3.2 空間演變特征

通過對各年度研究區熱島強度分布結果分析可知：研究區主要的冷源多為松花江、植物園等具有較高綠化率的濕地和綠地等，主要的熱源則來自人類生產活動較為頻繁的工業工廠、商業中心、交通樞紐、居住用地等。自2004年至2019年間，研究區社會經濟在不斷發展，熱島效應的空間格局也在隨之改變。

從研究區2004年地表溫度分布圖和熱島強度分布圖中可以看出，2004年研究區城市熱島效應相對較弱，主要包括弱熱島、熱島以及次強熱島，分布較為均勻，在工業園區和個別商業中心出現小面積的超強熱島和極端熱島。由表2可知，2004年研究區主城區城市冷島面積和熱島面積較為接近，大致比例為3∶4。

從研究區2009年地表溫度分布圖和熱島強度分布圖中可以看出，2009年研究區城市熱島區域面積驟減，與2004年相比，熱島面積減少了71.9km2，熱島效應有一定程度緩解。研究區城市熱島區域主要集中在工業工廠較多的道外區和香坊區，以及生產活動較為頻繁的鐵路沿線地帶等。

從研究區2014年地表溫度分布圖和熱島強度分布圖中可以看出，2014年研究區城市熱島效應呈現加劇趨勢，雖然城市冷島和熱島的面積沒有較大改變，大致比例仍為3∶4，但研究區弱熱島面積顯著降低，超強熱島和極端熱島面積變化呈上升趨勢，與2009年相比，超強熱島面積占比增加8.0%，極端熱島面積占比增加3.5%。

從研究區2019年地表溫度分布圖和熱島強度分布圖中可以看出，2019年研究區城市熱島效應進一步加劇，且城市熱島面積大幅度增加，面積為462.6km2，占研究區主城區總面積的78.9%，是研究區冷島面積的4倍，熱島和冷島極化的趨勢較為顯著，次強熱島逐漸成為研究區城市熱島的主要構成。相較2014年，清涼島面積減少了60.9km2。研究區城市熱島逐漸向西部及北部區域擴散，且在人類活動較為密集的區域形成獨立熱島，鐵路沿線逐漸成為熱島效應最為顯著區域。

3.3 城市熱島效應緩解建議

研究區城市熱島效應呈現逐年加劇趨勢，具有明顯的熱島高等級，熱島現象呈向西、向北逐年擴張趨勢。結合該地區的地理位置、歷史人文、經濟發展等因素，對其熱島效應形成原因進行分析，并針對具體原因提出相應處理措施，結果如下：

（1）研究區城市用地擴展規模發展較快，城市建成區的快速擴張，使得原有地表結構發生了較大變化，同時也改變了長期固存的熱輻射及熱傳遞模式，致使研究區熱島效應大幅度擴張。針對研究區城市化占地規模增長過快，應盡可能擴大城區綠化面積，大力發展城市綠化，進而降低城市熱島效應；

（2）研究區主城區內高樓林立，樓宇間距小，工商業、居住區相互交會，規劃極為不合理；各類建筑的建造材料主要為混凝土、玻璃幕墻等，熱輻射吸納性較強，但散熱過程較為緩慢，從而使得區域溫度上升較快，進而形成區域熱島效應。針對城區規劃不合理問題，應盡可能減少玻璃幕墻的使用，多使用一些環保材料；

（3）城市人口發展非常迅速，城市規模的發展遠遠跟不上人口數量的增長，只能在相對有限的空間內高密度建造更多的高樓大廈，從而導致城市人口過度集中，產生了大量人為熱源。針對人口過多特點，應盡可能降低人為的熱釋放，減少民用煤炭的使用，多使用天然氣等能源，同時推動集中供暖，嚴格控制熱釋放；

（4）由于機動車擁有量的高速增長，在方便交通出行的同時，也產生了較多的尾氣熱源，從而加重了城市熱島效應。針對該原因，應盡可能采用綠色出行方式，降低汽車尾氣的排放，同時減少重工業企業的污染排放，降低城市熱源。

4.結束語

城市熱島效應逐漸成為現代城市發展的城市病之一，其帶來的危害也受到廣泛關注。以不同時相遙感影像為數據基礎，采用單窗算法對城市地表溫度進行反演分析，基于距平原理，對研究區城市熱島效應強度進行科學劃分，分析研究區熱島效應的時空演變特征規律和差異性，并針對研究區實際概況，咨詢專家建議，本著降低城市熱島效應的目標，提出切實有效地緩解城市熱島效應方案策略，有利于提升城市環境品質，具有較高的適用性和現實意義。