基于TM的城市热岛效应研究及其应用探讨——以许昌市为例

李京忠,薛冰,刘永涛

(1.许昌学院城市与环境学院,河南 许昌 461000;2.中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳110016;3.许昌市住房公积金管理中心,河南 许昌461000)

近年来,随着全球城市化进程不断加快,由城市扩展而产生的温度变化导致的城市热岛效应,已经引起了全世界的广泛关注[1-2]。最明显变化特征是城市空气质量下降、降水分布与频率受到了影响,并且进一步威胁居民健康,严重影响了城市人居生态环境质量,成为城市化进程中最为突出的问题。

由于遥感技术的监测范围广、分辨率丰富、连续监测不受气象条件的限制等优势[3],迅速成为城市热岛效应变化监测与分析的有效手段。如王文杰利用ETM研究了北京的热岛效应[4],张勇利用CBERS-02热红外数据对北京、苏州、无锡做了城市热岛定量化的研究[5],王建凯利用MODIS数据对北京的热冷岛效应进行了分析[6]。纵观国内的研究都是在单一时相的遥感数据上进行的城市热岛效应研究,并且与实测数据相结合的较少。针对这种情况,本研究利用3个时相的TM数据结合实测温度数据对河南省许昌市的城市发展中热岛效应的发展变化情况进行了定性定量的分析研究,旨在分析城市化进程中城市空间变化与城市热岛效应变化之间的内在关系,分析城市热岛效应产生的机理,为城市化发展规划提供相关的理论和技术支持。

1 资料选取与方法介绍

1.1 研究区概况

许昌市位居河南省中部,总面积4 996 km2,总人口445万。由于近几年来东城区的建设和城北郑许推进区的建设,使得许昌进入城市高速发展阶段。城市发展过程中生态环境的建设是个重要的问题。以1988年5月14日上午10点31分、1992年10月16日上午10点22分、2004年8月30日10点44分的TM遥感数据和2009年8月直接测量的地面温度数据,对许昌城市热岛效应发展趋势及其原因进行相关的研究分析。

1.2 研究思路和技术方法

本研究利用3个时间段的遥感数据对城市温度进行反演和提取植被指数,分析城市热力场的发展变化情况,并结合实测地面温度数据进行相关性分析,找出实测温度与植被指数和遥感反演温度之间的统计关系以及物理机制分析,根据分析结果汇总以及许昌市地表温度的空间分布格局图,得到近几年来许昌市城市热岛的发展趋势及其原因分析,为城市规划决策提供理论依据。

1.3 实测数据获取

对于地面温度的测量,在研究区范围内选取了129个样点测量分析,选用了简易室外温度计,测量时间确定在2009年8月10-30日,考虑到温度的敏感性,本研究特定选择在晴空午后1：00-3：00时间段作为温度采样的时间。样区内采样点的空间分布如图2所示。

图1 热岛效应研究流程

图2 采样点空间分布及实测温度拟合分布图

采样数据是摄氏温度,为了便于和遥感反演的温度对比分析研究,将摄氏温度换算成绝对温度,然后把测量的样点温度作为样点的属性数据输入并建立地理数据库,利用克里金插值法进行地面温度拟合[7],得到地面温度拟合分布图(图2)。

2 遥感地表参量反演

2.1 遥感数据预处理

根据研究区的范围,对于选择的TM影像数据进行了裁剪处理,并利用地形图对影像进行几何精确校正,平均误差在0.5个像元内。根据 TM数据的辐射强度与其DN值的关系对影像做了辐射定标校正。而大气校正是采用的6S大气校正模型,其中对于太阳-目标物-传感器的几何关系根据数据采集地点和时间的太阳高度角、太阳方位角、卫星高度角和卫星方位角来确定;结合研究区的地理位置和数据采集时间把大气组分和气溶胶参数选择为中纬度夏季大气模式和大陆性气溶胶,BRDF模型采用Roujean的模型,其中3个系数分别取 0.243,0.073,0.642。经过几何校正和辐射校正等预处理后,对遥感数据提取本研究所需要的植被指数和进行温度反演。

2.2 植被指数提取

地表温度与植被指数有很大的相关性[8],植被指数在城市热岛效应的研究中,主要是从城市绿地能有效缓解城市热岛效应这个角度出发,指导城市规划建设中合理进行城市绿地的规划建设,以及不同树种的合理分布,有利于降低夏季城市的温度热力场。目前研究较为成熟的植被指数主要是归一化植被指数(NDVI)。

式中：ρ3、ρ4——影像的红波段和红外波段的反射率。利用许昌地区2004年的TM遥感影像提取了的NDVI指数,用于分析植被分布特征与城市热岛效应的相关性。

2.3 地表温度反演

利用TM遥感数据反演地表温度主要是利用TM 6波段的热红外波段数据,通过模拟大气对辐射传输的影响可以为计算大气效应提供一种有效的方法。文中参考中纬度夏季标准大气剖面,模拟得到各个大气参数,Lλatm↓为 1.68 W/(m2◦μm ◦sr),Lλatm↑为 1.74 W/(m2◦μm◦sr),τ为 0.77 。

式中 ：TS——地表真实温度 ;Lλ(TS)——温度为 TS的黑体在热红外波段的辐射亮度;Lλatm↑——大气向上辐射亮度 ;Lλatm ↓——大气向下辐射亮度;ελ——地表比辐射率;τ——大气在热红外波段的透过率。代入以上数据,其中Landsat TM 6中心波长取值为11.457μm,反解普朗克(planck)函数也就是黑体辐射定律即可获取地表真实温度,也可以采用如式(3)的简化公式：

图3 NDVI＞0.2与地面温度相关性分析图

对实测温度和NDVI指数进行统计发现,NDVI值在0.2以下的区间内对应的样点温度集中在310 K附近;NDVI值在0.5～0.7的这个区间内对应的样点温度介于300～303 K之间。由此可见绿色植被的降温效应是非常显著的,这反映出绿地建设对城市

通过式(2)和式(3)可获取研究区的遥感反演的地表温度,本研究中反演了许昌地区1988年、1992年、2004年3个时期地表温度分布图,利用这3个时期反演的地表温度分布图分析城市发展过程中,城市热力场的形成、显著、增强的这样一个过程,对于城市发展过程中,城市规划布局优化,降低城市热力场形成的主要因素,对提高城市人居环境具有较高的实用价值和意义。

3 城市热岛效应定量分析

3.1 植被指数与地表温度相关系分析

通过对比实测温度和NDVI指数曲线走势发现(图3、图4所示),在NDVI值大于0.2的区间内,实测温度与NDVI值近似成为一个反比关系;随着实测温度(TS)的升高,NDVI值逐渐降低,经过线性回归分析得到回归方程：

TS=37.59-16.45NDVI (4)

且两者相关系数为-0.868 32,标准差为1.057 K。当NDVI每增加0.1,平均地表温度降低1.65 K。在NDVI值小于0.2的区间内,两者之间出现无规律性的变化,两者相关系数仅为-0.095 34。通过对比样点属性信息发现由于NDVI小于0.2所对应的像元多为混合像元,且像元内植被所占比例较少,没有植被覆盖或少量植被覆盖。由此可知利用NDVI指数作为参数研究城市热岛效应的过程中,对于植被覆盖较高的纯像元或者近似纯像元对应的样点非常有效,这两者近似为反比关系。环境影响的重要性,城市化进程不能忽视其绿地的规划和建设。

图 4 NDVI＜0.2与地面温度相关性分析图

3.2 遥感反演温度与实测地表温度分析

对2009年实测温度和2004年影像反演温度进行分析(图5),两者的变化趋势基本一致。采样点大体上分为为城郊地区、市区和道路3个台阶,这3个台阶的温度依次升高。市区要比城郊地区高3～5 K;而道路要比市区高4～7 K,比城郊地区高9 K左右。这是由于道路和市区硬化度高,房屋建筑密集所致。而在城郊地区和道路发现遥感反演温度普遍的要比实测温度高1～2 K;在市区范围内两者的差异很大,这是由于2004-2009年期间城市发展过程中地物属性的改变以及遥感反演温度和实测温度获取方法的差异所导致。

图5 实测温度和反演温度分析图

3.3 城市热力场分析

从1988年、1992年和2004年这3个时相的遥感反演温度(附图6)上来看,1988年时,许昌城市建设较为落后,城市区面积小,而且城市建筑密度较低,城市化进程缓慢,城市热岛效应初步形成。市区的温度分布与市区周边地区的温度差别不是很大。且市区内的温度分布高低不等,在附图6a上表现为市区内色调较为复杂,呈花斑状分布。1992年时,城市化发展建设进入快速通道,市区内的温度明显比周边地区的温度高,而且分布较为均匀,在城市区范围内形成了明显的热岛效应。由于1992年的数据是10月16号上午10：22时采集的,这个时节是秋收过后,田地里没有农作物覆盖,裸土温度在上午日照充分的情况下,在TM第六波段上表现为较高的温度,这也是在1992年的遥感温度反演图上表现出较多高温斑点的原因。2004年城市化进程高速发展达到一个新阶段,城区范围扩大,城市建筑密度增大,城区由于受到热岛效应表现为强烈的高温热力场,在2004年城区范围内多是以较高温度的颜色——红色。从城区周边向着城区中心逐渐升高,颜色逐渐由绿变红,表现为明显的环形热力场。

利用遥感反演温度图生成许昌多期城市热岛变化图(附图7),可以看出城市热岛效应随着城市的扩展逐渐的向外扩展,热岛效应向北和东迅速扩展,这和许昌城市这些年的发展规划相一致,北面是郑许推进区的开发建设区和魏都民营企业园的建设区,东面是东城区的建设开发区。西面和南面进程缓慢是自然扩展的结果。纵向对比发现从1988-2004年这个阶段,许昌市的城市化进程加快,但在加快的过程中,忽视了地面植被的覆盖状况,致使城市热力场效应逐渐增加,从1988年的初显城市热岛效应到1992年形成城市热岛效应规模,在2004年达到显著的城市热岛效应,发现热岛效应的增强对许昌城区的生态环境产生了较大的影响。

通过对2009年实测数据拟合发现,2004-2009年城市发展迅速,东城区的扩建,郑许推进区的扩展给许昌市区的扩大带来了直接效应,这也给城市热岛效应的显著增加提供了主导因素。从2009年的温度拟合图上可以看出(图5),东城区的扩建过程中,居民小区的建设注重城市绿化建设,温度场相对与旧城区较低;但是郑许推进区由于多是工厂企业的进驻,工厂企业在运转的过程中产生大量的热量,另一个方面工厂企业的建设过程地面采用沥青硬化致使地面温度直接上升,在2009年温度拟合图上表现为温度较高,热岛效应显著。

4 结论和展望

4.1 结 论

(1)当NDVI值在0.2～1这个区间内,NDVI与地面温度有着较高的负相关性,其值为-0.868 32;且当NDVI值增加0.1,地表夏季温度下降1.65 K。所以在植被覆盖较好的地区利用NDVI植被指数进行城市温度热力场研究具有较高的价值,对于城市热岛效应影响研究具有较大的实际意义。

(2)对比遥感反演温度图和实测温度拟合图发现许昌在城市化进程中,旧城区和郑许推进区热力效应显著;东城区的热力效应不明显,但其道路网络周围的热力效应较强。在今后的城市规划建设中,注意道路网络和城市绿地相应的规划建设,提高城市的植被覆盖率,有效缓解城市热岛效应。对于改善城市生态环境质量,提高城市宜居环境,增强许昌城市综合评价的竞争力,有着不可低估的作用。

4.2 展 望

本研究的数据是用 Landsat TM 5,TM数据的分辨率对于区域范围的研究具有较高的实用价值,但是在城市热岛效应的研究中对于城区热力场细节变化提取中不具有优势,若是采用较高分辨率红外航片进行相关的研究效果会更好,对于城市温度热力场整体的变化有更好的表现。

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