基于衛星遙感的福州市近10年城市熱島效應時空特征分析

彭繼達，張春桂

(福建省氣象科學研究所，福州 350008)

福州市是福建省省會城市，同時也是閩南地區金融、科技、商貿的中心及重要的交通樞紐。近年來，福州市城市化速度穩步加快，城市與人口規模顯著擴大。《福州市城市總體規劃(2011—2020年)》(以下簡稱《總體規劃》)中提出福州市中心城區發展方向與空間布局按照“東拓南進，面江向海”的城市發展方向，拉開城市框架，同時向周邊新店、荊溪、上街、南嶼和南通等區域適度擴展。2020年是《總體規劃》收官之年，歷經10年規劃發展，福州城市與人口規模顯著擴大，特別是城市下墊面結構及其性質變化顯著，原先的自然地表被人造地表如水泥、瀝青等所替代，從而導致城鄉地表熱力特性的改變，再加上四周環山的地形特點，城市熱島效應日益加劇。

遙感研究城市熱島需要熱紅外數據，目前最常用也是最典型的是陸地資源衛星Landsat遙感影像數據的熱紅外波段和MODIS地表溫度產品。相關研究顯示[1-5]，MODIS數據具有歷史存檔時間長、空間覆蓋范圍廣等優點，運用相對較廣泛。AQUA、TERRA雙星聯合每天對地觀測4次，高時間分辨率觀測優勢明顯。Landsat遙感影像數據也具有長時間歷史存檔數據(Landsat5于1984年發射)，相比MODIS而言具有更高分辨率，對小尺度地表溫度分布刻畫的更為準確。隨著長樂區、閩侯縣和福清市等地區的協同發展，以往城市熱島效應研究多集中于福州市部分主城區，已無法滿足福州市城市發展新格局的要求；因此，選取福州市為研究區，基于Landsat遙感影像數據，反演地表溫度，評估城市熱島效應強度，開展城市熱島的時空對比研究。

1 數據資料與研究方法

1.1 數據資料

研究所用衛星影像下載自美國地質勘探局(USGS)官網(https://glovis.usgs.gov/)。綜合考慮衛星數據特點及優勢，選取Landsat5的TM(主題成像儀)影像數據和Landsat8的OLI(陸地成像儀)/TIRS(熱紅外傳感器)影像數據。此外，為避免不同季節性差異及云的影響，僅對福州市夏季的少云影像數據進行檢索，分別選取了2010年9月13日的Landsat5和2020年7月22日的Landsat8影像作為研究數據。

1.2 數據預處理

Landsat衛星影像輻射定標是使用衛星定標參數將衛星接收到的計數值(DN值)轉化為輻射亮度的過程，是遙感信息定量化的前提與基礎。Landsat衛星影像定標利用增益和偏移值，建立DN值與地面反射光譜值之間的相互關系。Landsat衛星影像數據定標公式為

L=GD+B。

(1)

式中：L為表觀輻射亮度，單位為W/(m2·sr·μm )；D為衛星載荷觀測值；G為定標斜率，B為定標截距，G和B單位均為W/(m2·sr·μm)。利用計算出的表觀輻射亮度，根據以下公式計算表觀反射率

(2)

式中：ρ是表觀反射率，為無量綱；π為無量綱數學常數；h是日地之間距離，為天文單位；E是波段太陽輻照度，單位為W/(m2·sr·μm)；θ是太陽天頂角，單位為°。

Landsat衛星在發射和接收電磁輻射的過程中，常受到大氣的影響，從而影響傳感器接收的數據。一般通過大氣校正的方式來消除大氣中水汽、CO2、O3和O2等大氣分子和氣溶膠散射對地物反射率的影響。目前，常用的大氣校正方法有輻射傳輸模型法、暗黑像元法、統計學模型法等。本研究采用FLASSH大氣校正法對影像進行大氣校正，該方法基于MODTRAN4+輻射傳輸模型，可以有效地去除大氣中水汽、氣溶膠散射效應，同時基于像素級的校正，矯正目標像元和鄰近像元交叉輻射的“鄰近效應”[6]。

對Landsat遙感影像數據分別進行輻射定標和大氣校正處理，得到地表真實反射率，并以典型地物植被為例，對比大氣校正前后植被的光譜曲線，可以看到大氣校正去除了部分大氣的影響，特別是在可見光和近紅外波段，使得校正后的植被光譜呈現出真實的植被光譜曲線特征(圖1)。

圖1 Landsat8的OLI影像大氣校正前后典型植被光譜曲線

1.3 研究方法

1.3.1 Landsat影像反演植被覆蓋度 歸一化植被指數(NDVI)是植被生長狀態及植被覆蓋度最佳指示因子，主要利用綠色植物強吸收可見光紅波段(0.6～0.7 μm)和高反射近紅外波段(0.7～1.1 μm)的特點對植被長勢進行遙感監測。NDVI值區間為-1～1，負值表示地面覆蓋為水、雪等，0表示巖石或裸土等，正值表示有植被覆蓋，且隨著植被覆蓋度增加而增大[7-10]。Landsat5 TM衛星影像的3、4通道波段對應紅光波段反射率(Xred)和近紅外波段反射率(Xnir)；Landsat8 OLI衛星影像的4、5通道波段反射率分別對應Xred和Xnir。NDVI(用Indvi表示)計算公式為

(3)

利用NDVI和像元二分模型原理計算植被覆蓋度[11]。像元二分模型原理是假設影像上一個像元的反射率可分為純植被部分反射率和非植被部分反射率兩部分，則任一像元的反射率可以表示為植被覆蓋部分與非植被覆蓋部分的線性加權之和。根據像元二分模型原理，將任一像元的NDVI值表示為由有植被覆蓋部分地表與無植被覆蓋部分地表組成的形式，因此，植被覆蓋度可表示為

(4)

式中：Fv為植被覆蓋度，無量綱；Isoil為完全是裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值，Iveg則代表完全由植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。根據整幅影像上NDVI的灰度分布，以0.50%置信度截取NDVI的上下限閾值分別近似代表Iveg和Isoil。

1.3.2 地表比輻射率計算 根據城市熱島監測的地表比輻射率特征，基于混合像元法計算地表比輻射率。將福州下墊面類型分為水體、城鎮和自然表面3種類型。計算公式如下

ε=FvRvεv+(1-Fv)Rmεm+d。

(5)

其中：ε為地表比輻射率；Rv為植被的溫度比率，Rv=0.933 2+0.058 5Fv；εv和εm分別為植被輻射率和建筑物輻射率，取經驗值；Rm為建筑地表的溫度比率，Rm=0.988 6+0.128 7Fv；d為自然表面的幾何分布與內部反射效應而引起的發射率比例，其取值由植被覆蓋度的組成決定[12-13]。

1.3.3 地表溫度反演 目前，使用較多的地表溫度(LST)反演方法主要有輻射傳輸方程法、劈窗算法、單通道算法和多通道算法。本研究采用輻射傳輸方程法反演LST[14-15]，即

(6)

式中：B(T)為普朗克黑體光譜輻射亮度，Lsensor為傳感器接收到的熱紅外光譜輻射亮度，Latm↓和Latm↑分別為大氣下行輻射亮度和大氣上行輻射亮度，輻射亮度單位均為W/(m2·sr·μm)；T為地表溫度(℃)；τ為大氣透射率，無量綱。Latm↓、Latm↑和τ可通過NASA所屬網站(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)獲得。

地表溫度T可以用普朗克公式的函數獲取，即

(7)

式中，K1、K2系數可由影像頭文件數據得到。

1.3.4 城市熱島強度計算 城市熱島效應評估通常采用熱島強度(S)進行表征[16-19]，計算公式可表示為

(8)

其中，Si為衛星遙感圖像上第i個像元所對應的熱島強度(℃)，Ti是第i個像元的地表溫度(℃)，n為郊區背景內的有效像元數，Tsuburb(j)為郊區背景內第j個像元的地表溫度(℃)。郊區背景的提取是城市熱島強度計算的重要方面，為了提高提取精度，綜合利用土地覆蓋類型和經驗判識并同時考慮距離城區的空間距離、地形等因素確定郊區范圍；參考中國氣象局綜合觀測司制定的《城市熱島衛星遙感監測評估業務管理規定(試行)》(氣測函〔2019〕100號)，按照S的大小將城市熱島強度劃分為4個等級：強熱島(S≥7)、較強熱島(5≤S<7)、弱熱島(3≤S<5)、無熱島(S<3)。

2 結果與分析

2.1 城市熱島空間分布特征

根據上述城市熱島反演方法，分別得到福州市2010年和2020年城市熱島強度空間分布圖(圖2)。如圖所示，2010年福州市晉安區、倉山區、鼓樓區、臺江區均有明顯的城市熱島效應現象，長樂區、福清市、閩侯縣上街鎮和荊溪鎮有小范圍的城市熱島效應。2020年福州市晉安區、倉山區、鼓樓區、臺江區、長樂區、福清市、閩侯縣上街鎮均有明顯的城市熱島效應。與2010年相比，2020年主城區城市熱島范圍有所擴張，福清市、長樂區、閩侯縣上街鎮和南嶼鎮部分區域的城市熱島效應具有較明顯新增或增強現象。

圖2 2010年9月—2020年7月福州市城市熱島強度空間分布對比(審圖號為GS(2017)3320號)

2.2 城市熱島變化特征

分別對2010年和2020年研究區的熱島面積進行統計，分析2010—2020年的熱島面積變化情況。結果表明(表2)，2010—2020年福州市熱島面積呈顯著上升趨勢，從2010年的2 022.90 km2增加到2020年的2 395.61 km2，共增加372.71 km2，熱島區面積占研究區的比例從17.80%上升到21.04%。其中，弱熱島范圍有所減少，從2010年的1 143.37 km2減少到2020年的869.961 km2，共減少273.409 km2。較強熱島范圍有所增加，從2010年的515.06 km2增加到2020年的667.24 km2，共增加152.18 km2。強熱島范圍有明顯增加，從2010年的364.47 km2增加到2020年的858.41 km2，共增加493.94 km2，強熱島區占研究區的比例從3.21%增加到7.54%，增加了4.33%。

表2 2010—2020年福州市城市熱島面積統計

3 結論

伴隨著過去10年福州市政府“東拓南進”的發展規劃，福州市呈現快速發展勢頭，特別是長樂區、福清市、閩侯縣上街鎮等經濟快速發展的非主城區。與此同時，城市熱島效應也不斷增強。近十年，城市熱島面積擴張了372.71 km2，占福州市總面積的3.24%，特別是長樂區、福清市、閩侯縣上街鎮等區域擴張明顯。對不同等級城市熱島強度進行分類統計顯示，強熱島和較強熱島面積均有擴大，弱熱島面積有所減小。福州市正在積極爭創國家中心城市，經濟趨向更高速發展，城市化加劇，應注意快速城市化帶來的城市熱島效應加劇，統籌城市生態環境保護和經濟發展相協調。