李京忠,薛冰,劉永濤

(1.許昌學(xué)院城市與環(huán)境學(xué)院,河南 許昌 461000;2.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所,沈陽110016;3.許昌市住房公積金管理中心,河南 許昌461000)

近年來,隨著全球城市化進程不斷加快,由城市擴展而產(chǎn)生的溫度變化導(dǎo)致的城市熱島效應(yīng),已經(jīng)引起了全世界的廣泛關(guān)注[1-2]。最明顯變化特征是城市空氣質(zhì)量下降、降水分布與頻率受到了影響,并且進一步威脅居民健康,嚴(yán)重影響了城市人居生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,成為城市化進程中最為突出的問題。

由于遙感技術(shù)的監(jiān)測范圍廣、分辨率豐富、連續(xù)監(jiān)測不受氣象條件的限制等優(yōu)勢[3],迅速成為城市熱島效應(yīng)變化監(jiān)測與分析的有效手段。如王文杰利用ETM研究了北京的熱島效應(yīng)[4],張勇利用CBERS-02熱紅外數(shù)據(jù)對北京、蘇州、無錫做了城市熱島定量化的研究[5],王建凱利用MODIS數(shù)據(jù)對北京的熱冷島效應(yīng)進行了分析[6]。縱觀國內(nèi)的研究都是在單一時相的遙感數(shù)據(jù)上進行的城市熱島效應(yīng)研究,并且與實測數(shù)據(jù)相結(jié)合的較少。針對這種情況,本研究利用3個時相的TM數(shù)據(jù)結(jié)合實測溫度數(shù)據(jù)對河南省許昌市的城市發(fā)展中熱島效應(yīng)的發(fā)展變化情況進行了定性定量的分析研究,旨在分析城市化進程中城市空間變化與城市熱島效應(yīng)變化之間的內(nèi)在關(guān)系,分析城市熱島效應(yīng)產(chǎn)生的機理,為城市化發(fā)展規(guī)劃提供相關(guān)的理論和技術(shù)支持。

1 資料選取與方法介紹

1.1 研究區(qū)概況

許昌市位居河南省中部,總面積4 996 km2,總?cè)丝?45萬。由于近幾年來東城區(qū)的建設(shè)和城北鄭許推進區(qū)的建設(shè),使得許昌進入城市高速發(fā)展階段。城市發(fā)展過程中生態(tài)環(huán)境的建設(shè)是個重要的問題。以1988年5月14日上午10點31分、1992年10月16日上午10點22分、2004年8月30日10點44分的TM遙感數(shù)據(jù)和2009年8月直接測量的地面溫度數(shù)據(jù),對許昌城市熱島效應(yīng)發(fā)展趨勢及其原因進行相關(guān)的研究分析。

1.2 研究思路和技術(shù)方法

本研究利用3個時間段的遙感數(shù)據(jù)對城市溫度進行反演和提取植被指數(shù),分析城市熱力場的發(fā)展變化情況,并結(jié)合實測地面溫度數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析,找出實測溫度與植被指數(shù)和遙感反演溫度之間的統(tǒng)計關(guān)系以及物理機制分析,根據(jù)分析結(jié)果匯總以及許昌市地表溫度的空間分布格局圖,得到近幾年來許昌市城市熱島的發(fā)展趨勢及其原因分析,為城市規(guī)劃決策提供理論依據(jù)。

1.3 實測數(shù)據(jù)獲取

對于地面溫度的測量,在研究區(qū)范圍內(nèi)選取了129個樣點測量分析,選用了簡易室外溫度計,測量時間確定在2009年8月10-30日,考慮到溫度的敏感性,本研究特定選擇在晴空午后1：00-3：00時間段作為溫度采樣的時間。樣區(qū)內(nèi)采樣點的空間分布如圖2所示。

圖1 熱島效應(yīng)研究流程

圖2 采樣點空間分布及實測溫度擬合分布圖

采樣數(shù)據(jù)是攝氏溫度,為了便于和遙感反演的溫度對比分析研究,將攝氏溫度換算成絕對溫度,然后把測量的樣點溫度作為樣點的屬性數(shù)據(jù)輸入并建立地理數(shù)據(jù)庫,利用克里金插值法進行地面溫度擬合[7],得到地面溫度擬合分布圖(圖2)。

2 遙感地表參量反演

2.1 遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

根據(jù)研究區(qū)的范圍,對于選擇的TM影像數(shù)據(jù)進行了裁剪處理,并利用地形圖對影像進行幾何精確校正,平均誤差在0.5個像元內(nèi)。根據(jù) TM數(shù)據(jù)的輻射強度與其DN值的關(guān)系對影像做了輻射定標(biāo)校正。而大氣校正是采用的6S大氣校正模型,其中對于太陽-目標(biāo)物-傳感器的幾何關(guān)系根據(jù)數(shù)據(jù)采集地點和時間的太陽高度角、太陽方位角、衛(wèi)星高度角和衛(wèi)星方位角來確定;結(jié)合研究區(qū)的地理位置和數(shù)據(jù)采集時間把大氣組分和氣溶膠參數(shù)選擇為中緯度夏季大氣模式和大陸性氣溶膠,BRDF模型采用Roujean的模型,其中3個系數(shù)分別取 0.243,0.073,0.642。經(jīng)過幾何校正和輻射校正等預(yù)處理后,對遙感數(shù)據(jù)提取本研究所需要的植被指數(shù)和進行溫度反演。

2.2 植被指數(shù)提取

地表溫度與植被指數(shù)有很大的相關(guān)性[8],植被指數(shù)在城市熱島效應(yīng)的研究中,主要是從城市綠地能有效緩解城市熱島效應(yīng)這個角度出發(fā),指導(dǎo)城市規(guī)劃建設(shè)中合理進行城市綠地的規(guī)劃建設(shè),以及不同樹種的合理分布,有利于降低夏季城市的溫度熱力場。目前研究較為成熟的植被指數(shù)主要是歸一化植被指數(shù)(NDVI)。

式中：ρ3、ρ4——影像的紅波段和紅外波段的反射率。利用許昌地區(qū)2004年的TM遙感影像提取了的NDVI指數(shù),用于分析植被分布特征與城市熱島效應(yīng)的相關(guān)性。

2.3 地表溫度反演

利用TM遙感數(shù)據(jù)反演地表溫度主要是利用TM 6波段的熱紅外波段數(shù)據(jù),通過模擬大氣對輻射傳輸?shù)挠绊懣梢詾橛嬎愦髿庑?yīng)提供一種有效的方法。文中參考中緯度夏季標(biāo)準(zhǔn)大氣剖面,模擬得到各個大氣參數(shù),Lλatm↓為 1.68 W/(m2?μm ?sr),Lλatm↑為 1.74 W/(m2?μm?sr),τ為 0.77 。

式中 ：TS——地表真實溫度 ;Lλ(TS)——溫度為 TS的黑體在熱紅外波段的輻射亮度;Lλatm↑——大氣向上輻射亮度 ;Lλatm ↓——大氣向下輻射亮度;ελ——地表比輻射率;τ——大氣在熱紅外波段的透過率。代入以上數(shù)據(jù),其中Landsat TM 6中心波長取值為11.457μm,反解普朗克(planck)函數(shù)也就是黑體輻射定律即可獲取地表真實溫度,也可以采用如式(3)的簡化公式：

圖3 NDVI＞0.2與地面溫度相關(guān)性分析圖

對實測溫度和NDVI指數(shù)進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),NDVI值在0.2以下的區(qū)間內(nèi)對應(yīng)的樣點溫度集中在310 K附近;NDVI值在0.5～0.7的這個區(qū)間內(nèi)對應(yīng)的樣點溫度介于300～303 K之間。由此可見綠色植被的降溫效應(yīng)是非常顯著的,這反映出綠地建設(shè)對城市

通過式(2)和式(3)可獲取研究區(qū)的遙感反演的地表溫度,本研究中反演了許昌地區(qū)1988年、1992年、2004年3個時期地表溫度分布圖,利用這3個時期反演的地表溫度分布圖分析城市發(fā)展過程中,城市熱力場的形成、顯著、增強的這樣一個過程,對于城市發(fā)展過程中,城市規(guī)劃布局優(yōu)化,降低城市熱力場形成的主要因素,對提高城市人居環(huán)境具有較高的實用價值和意義。

3 城市熱島效應(yīng)定量分析

3.1 植被指數(shù)與地表溫度相關(guān)系分析

通過對比實測溫度和NDVI指數(shù)曲線走勢發(fā)現(xiàn)(圖3、圖4所示),在NDVI值大于0.2的區(qū)間內(nèi),實測溫度與NDVI值近似成為一個反比關(guān)系;隨著實測溫度(TS)的升高,NDVI值逐漸降低,經(jīng)過線性回歸分析得到回歸方程：

TS=37.59-16.45NDVI (4)

且兩者相關(guān)系數(shù)為-0.868 32,標(biāo)準(zhǔn)差為1.057 K。當(dāng)NDVI每增加0.1,平均地表溫度降低1.65 K。在NDVI值小于0.2的區(qū)間內(nèi),兩者之間出現(xiàn)無規(guī)律性的變化,兩者相關(guān)系數(shù)僅為-0.095 34。通過對比樣點屬性信息發(fā)現(xiàn)由于NDVI小于0.2所對應(yīng)的像元多為混合像元,且像元內(nèi)植被所占比例較少,沒有植被覆蓋或少量植被覆蓋。由此可知利用NDVI指數(shù)作為參數(shù)研究城市熱島效應(yīng)的過程中,對于植被覆蓋較高的純像元或者近似純像元對應(yīng)的樣點非常有效,這兩者近似為反比關(guān)系。環(huán)境影響的重要性,城市化進程不能忽視其綠地的規(guī)劃和建設(shè)。

圖 4 NDVI＜0.2與地面溫度相關(guān)性分析圖

3.2 遙感反演溫度與實測地表溫度分析

對2009年實測溫度和2004年影像反演溫度進行分析(圖5),兩者的變化趨勢基本一致。采樣點大體上分為為城郊地區(qū)、市區(qū)和道路3個臺階,這3個臺階的溫度依次升高。市區(qū)要比城郊地區(qū)高3～5 K;而道路要比市區(qū)高4～7 K,比城郊地區(qū)高9 K左右。這是由于道路和市區(qū)硬化度高,房屋建筑密集所致。而在城郊地區(qū)和道路發(fā)現(xiàn)遙感反演溫度普遍的要比實測溫度高1～2 K;在市區(qū)范圍內(nèi)兩者的差異很大,這是由于2004-2009年期間城市發(fā)展過程中地物屬性的改變以及遙感反演溫度和實測溫度獲取方法的差異所導(dǎo)致。

圖5 實測溫度和反演溫度分析圖

3.3 城市熱力場分析

從1988年、1992年和2004年這3個時相的遙感反演溫度(附圖6)上來看,1988年時,許昌城市建設(shè)較為落后,城市區(qū)面積小,而且城市建筑密度較低,城市化進程緩慢,城市熱島效應(yīng)初步形成。市區(qū)的溫度分布與市區(qū)周邊地區(qū)的溫度差別不是很大。且市區(qū)內(nèi)的溫度分布高低不等,在附圖6a上表現(xiàn)為市區(qū)內(nèi)色調(diào)較為復(fù)雜,呈花斑狀分布。1992年時,城市化發(fā)展建設(shè)進入快速通道,市區(qū)內(nèi)的溫度明顯比周邊地區(qū)的溫度高,而且分布較為均勻,在城市區(qū)范圍內(nèi)形成了明顯的熱島效應(yīng)。由于1992年的數(shù)據(jù)是10月16號上午10：22時采集的,這個時節(jié)是秋收過后,田地里沒有農(nóng)作物覆蓋,裸土溫度在上午日照充分的情況下,在TM第六波段上表現(xiàn)為較高的溫度,這也是在1992年的遙感溫度反演圖上表現(xiàn)出較多高溫斑點的原因。2004年城市化進程高速發(fā)展達到一個新階段,城區(qū)范圍擴大,城市建筑密度增大,城區(qū)由于受到熱島效應(yīng)表現(xiàn)為強烈的高溫?zé)崃?在2004年城區(qū)范圍內(nèi)多是以較高溫度的顏色——紅色。從城區(qū)周邊向著城區(qū)中心逐漸升高,顏色逐漸由綠變紅,表現(xiàn)為明顯的環(huán)形熱力場。

利用遙感反演溫度圖生成許昌多期城市熱島變化圖(附圖7),可以看出城市熱島效應(yīng)隨著城市的擴展逐漸的向外擴展,熱島效應(yīng)向北和東迅速擴展,這和許昌城市這些年的發(fā)展規(guī)劃相一致,北面是鄭許推進區(qū)的開發(fā)建設(shè)區(qū)和魏都民營企業(yè)園的建設(shè)區(qū),東面是東城區(qū)的建設(shè)開發(fā)區(qū)。西面和南面進程緩慢是自然擴展的結(jié)果?？v向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)從1988-2004年這個階段,許昌市的城市化進程加快,但在加快的過程中,忽視了地面植被的覆蓋狀況,致使城市熱力場效應(yīng)逐漸增加,從1988年的初顯城市熱島效應(yīng)到1992年形成城市熱島效應(yīng)規(guī)模,在2004年達到顯著的城市熱島效應(yīng),發(fā)現(xiàn)熱島效應(yīng)的增強對許昌城區(qū)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了較大的影響。

通過對2009年實測數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn),2004-2009年城市發(fā)展迅速,東城區(qū)的擴建,鄭許推進區(qū)的擴展給許昌市區(qū)的擴大帶來了直接效應(yīng),這也給城市熱島效應(yīng)的顯著增加提供了主導(dǎo)因素。從2009年的溫度擬合圖上可以看出(圖5),東城區(qū)的擴建過程中,居民小區(qū)的建設(shè)注重城市綠化建設(shè),溫度場相對與舊城區(qū)較低;但是鄭許推進區(qū)由于多是工廠企業(yè)的進駐,工廠企業(yè)在運轉(zhuǎn)的過程中產(chǎn)生大量的熱量,另一個方面工廠企業(yè)的建設(shè)過程地面采用瀝青硬化致使地面溫度直接上升,在2009年溫度擬合圖上表現(xiàn)為溫度較高,熱島效應(yīng)顯著。

4 結(jié)論和展望

4.1 結(jié) 論

(1)當(dāng)NDVI值在0.2～1這個區(qū)間內(nèi),NDVI與地面溫度有著較高的負(fù)相關(guān)性,其值為-0.868 32;且當(dāng)NDVI值增加0.1,地表夏季溫度下降1.65 K。所以在植被覆蓋較好的地區(qū)利用NDVI植被指數(shù)進行城市溫度熱力場研究具有較高的價值,對于城市熱島效應(yīng)影響研究具有較大的實際意義。

(2)對比遙感反演溫度圖和實測溫度擬合圖發(fā)現(xiàn)許昌在城市化進程中,舊城區(qū)和鄭許推進區(qū)熱力效應(yīng)顯著;東城區(qū)的熱力效應(yīng)不明顯,但其道路網(wǎng)絡(luò)周圍的熱力效應(yīng)較強。在今后的城市規(guī)劃建設(shè)中,注意道路網(wǎng)絡(luò)和城市綠地相應(yīng)的規(guī)劃建設(shè),提高城市的植被覆蓋率,有效緩解城市熱島效應(yīng)。對于改善城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,提高城市宜居環(huán)境,增強許昌城市綜合評價的競爭力,有著不可低估的作用。

4.2 展 望

本研究的數(shù)據(jù)是用 Landsat TM 5,TM數(shù)據(jù)的分辨率對于區(qū)域范圍的研究具有較高的實用價值,但是在城市熱島效應(yīng)的研究中對于城區(qū)熱力場細(xì)節(jié)變化提取中不具有優(yōu)勢,若是采用較高分辨率紅外航片進行相關(guān)的研究效果會更好,對于城市溫度熱力場整體的變化有更好的表現(xiàn)。

[1] Owen T W,Carlson T N,Gillies R R.An assessment of satellite remotely sensed land cover parameters in quantitatively describing the climatic effect of urbanization.International[J].Journal of Remote Sensing,1998,19(9)：1663-1681.

[2] Carlson T N,Arthur ST.The impact of land use/land cover changes due to urbanization on surface microclimate and hydrology：A satellite perspective[J].Global and Planetary Change,2000,25：49-65.

[3] 趙英時.遙感應(yīng)用分析原理與方法[M].北京：科學(xué)出版社,2003：36-39.

[4] 王文杰,申文明,劉曉曼,等.基于遙感的北京市城市化發(fā)展與城市熱島效應(yīng)變化關(guān)系研究[J].環(huán)境科學(xué)研究,2006,19(2)：44-48.

[5] 張勇,余濤,顧行發(fā),等.CBERS-02 IRM SS熱紅外數(shù)據(jù)地表溫度反演及其城市熱島效應(yīng)定量化分析中的應(yīng)用[J].遙感學(xué)報,2006,10(5)：789-797.

[6] 王建凱,王開存,王晉才.基于MODIS地表溫度產(chǎn)品的北京城市熱島(冷島)強度分析[J].遙感學(xué)報,2007,11(3)：330-337.

[7] 田宜平,袁艷斌,李紹虎,等.建立盆地三維構(gòu)造-地層格架的插值方法[J].中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報,2000,25(2)：191-194.

[8] Weng Q H,Lu D S,Jacquelyn S.Estimation of land surface temperature-vegetation abundance relationship for urban heat island studies[J].Remote Sensing of Environment,2004,89：467-483.