陳 濤，孫安昌，王 鑫，王 毅

（1. 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢） 地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

基于遙感的武漢地區(qū)LUCC對熱島效應(yīng)的影響研究

陳 濤1，孫安昌1，王 鑫1，王 毅1

（1. 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢） 地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

利用1988年、2002年、2005年的武漢地區(qū)TM遙感影像，選取通用性較強的普適單通道法進行地溫反演，得到3個時期的地表溫度圖、地表均溫和標(biāo)準差的變化情況。利用最大似然法進行監(jiān)督分類，得到不同時期武漢地區(qū)的土地利用圖。圍繞這3年的土地利用/覆蓋變化以及地表溫度反演結(jié)果，探索不同地表覆蓋類型與溫度分布的關(guān)系，并對武漢地區(qū)熱島狀況進行定性分析。

城市熱島；土地利用/覆蓋變化；地溫反演；遙感

城市熱島效應(yīng)一直備受關(guān)注[1-3]。1972年，Rao首次用環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析了地表城市熱島，此后城市熱環(huán)境遙感不斷發(fā)展[4,5]。武漢是華中地區(qū)最大的城市，熱島效應(yīng)明顯，對武漢進行熱島效應(yīng)研究意義重大[6,7]。本文基于1988年、2002年和2005年3個時相的TM、ETM遙感數(shù)據(jù)，通過普適單通道法進行地溫反演，圍繞土地利用/覆蓋變化（land-use and land-cover change，LUCC）以及地表溫度反演所表現(xiàn)的城市熱島狀況進行定性和定量分析，為城市發(fā)展與生態(tài)規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)概況

武漢市位于江漢平原東部，長江和漢水交匯處（113°41'E～115°05'E，29°50'N～31°22'N），面積8 494.41 km2。在地形上北高南低，屬于殘丘性河湖沖積平原。受數(shù)據(jù)條件的限制，本文選擇中心城區(qū)1 600像素×1 400像素為研究區(qū)（圖1）。

圖1 研究區(qū)示意圖

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)準備

本 文所 用 數(shù)據(jù) 為1988-08-11、2002-07-09、2005-09-11三景Landsat TM影像數(shù)據(jù)及其相關(guān)資料。所用圖像處理軟件為Matlab和Envi4.8。

2.2 技術(shù)方法與流程簡介

2.2.1 地溫反演方法

目前已經(jīng)提出的地表溫度反演方法包括熱傳輸輻射法、基于輻射傳輸模型的陸面溫度反演法[8]、單窗算法[9]以及普適單通道法[10]。考慮到普適單通道法的普適性，估算簡便，選用該方法可以滿足在缺乏相關(guān)大氣數(shù)據(jù)時對地溫的反演。

2.2.2 技術(shù)流程

圖2為技術(shù)流程圖。首先使用原始的TM、ETM數(shù)據(jù)進行影像預(yù)處理，再將預(yù)處理后的影像進行土地利用分類，得到土地利用/覆蓋變化數(shù)據(jù)；同時進行地溫反演，統(tǒng)計溫度數(shù)據(jù)，進行密度分割制成溫度專題圖，進行熱島效應(yīng)變化分析；最后根據(jù)土地利用/覆蓋變化和地溫信息，定性和定量分析其對城市熱島的影響。

圖2 研究流程圖

3 結(jié)果與分析

3.1 溫度區(qū)間分布

由于影響地表溫度的因素較多，為了消除這些影響，可以使用密度分割的方法比較不同溫度區(qū)間的范圍變化[11]。將得到的結(jié)果導(dǎo)入GIS，制成溫度專題圖。參考曹麗琴[12]的方法，采用基于穩(wěn)健統(tǒng)計的方法將圖像劃分為7個溫度區(qū)間：極低溫區(qū)、低溫區(qū)、較低溫區(qū)、常溫區(qū)、較高溫區(qū)、高溫區(qū)、極高溫區(qū)，如表1。根據(jù)該區(qū)間繪制溫度專題圖，如圖3。

表1 不同地表溫度區(qū)間表

圖3 3個不同時相溫度專題圖

3.2 不同時相熱場變化分析

標(biāo)準差的變化能反映出地表溫度分布的離散程度。溫度分布離散程度越高，說明高溫范圍與低溫范圍的差距越大，即熱島效應(yīng)越明顯。統(tǒng)計3幅圖中溫度的平均值與標(biāo)準差，繪制圖4。

通過圖4可以發(fā)現(xiàn)，從1988年到2005年，溫度標(biāo)準差上升，武漢的熱島現(xiàn)象逐漸明顯，其中2002年最為嚴重，2005年有所緩解。將這一結(jié)果與溫度圖相對照我們發(fā)現(xiàn)，1988年和2002年極高溫區(qū)和高溫區(qū)呈塊狀分布，在武漢主城區(qū)相當(dāng)集中；2005年的熱島區(qū)域明顯有瓦解的趨勢，自主城區(qū)至郊區(qū)，極高溫和高溫區(qū)域不再是塊狀分布，而是呈線性和散點狀分布，從高溫區(qū)到常溫區(qū)再到低溫區(qū)周圍地段的變化相對平緩。

圖4 地表溫度平均值與標(biāo)準差的變化

3.3 武漢土地利用/覆蓋變化分析

本文選取分類精度相對較高的最大似然法，參考研究區(qū)土地利用圖，將研究區(qū)地物分為長江、湖泊、耕地、林地和城區(qū)5類，如圖5。

圖5 不同時相分類結(jié)果

從分類結(jié)果圖看出，1988～2005年近20 a來，各城區(qū)擴大非常明顯，而湖泊從1988年到2005年呈現(xiàn)

減少的趨勢。在武漢市主城區(qū)范圍內(nèi)的湖泊，面積減小的趨勢則更為明顯，如沙湖、南湖、蓮花湖、月湖、北湖等。為了更清楚地描述土地利用變化情況，使用土地利用動態(tài)度來定量描述土地利用變化狀況：

式中，Av表示某土地利用類型的變化率；AS和Ae分別表示前后兩個時相的面積；T表示前后兩個時相的時間差（單位：a）。

表2為武漢地區(qū)1988～2005年土地利用/覆蓋變化情況，可以發(fā)現(xiàn)，城區(qū)在2002～2005年的增幅明顯大于1988～2002年，武漢市城市化進程在進入21世紀后加快。增長的城區(qū)面積主要來源于湖泊和耕地，其中城區(qū)外圍的擴張來源于經(jīng)濟開發(fā)區(qū)的崛起，土地來源于對耕地的侵占；城區(qū)內(nèi)部的擴張則是由于商業(yè)街、房地產(chǎn)開發(fā)對城市內(nèi)部綠地以及湖泊的侵占，造成城市內(nèi)部更為聚集。在城區(qū)擴張的同時，林地湖泊都有縮小，并且都有速度加快的勢頭。

表2 1988～2005年武漢地區(qū)土地利用/覆蓋變化

3.4 不同覆蓋類型溫度特征分析

為了說明不同土地用地類型與溫度之間的宏觀關(guān)系，利用分類結(jié)果，統(tǒng)計出不同土地利用類型的平均溫度，見圖6。

圖6 不同時相地表覆蓋類型的地溫平均值與標(biāo)準差

可以發(fā)現(xiàn)，在1988、2002和2005這3年中，城區(qū)的平均溫度最高，而長江最低，水體次之，林地與耕地相差不大。城區(qū)的地表覆蓋主要是水泥、瀝青，這些材料的比熱容小，且利于熱的傳導(dǎo)，又由于城區(qū)建筑密集、散熱緩慢，故溫度較高。長江與湖泊主要由比熱容較大的水組成，在受到相同的熱輻射情況下升溫慢。江水流動性好、面積大，受人為等干擾相對較小，故溫度最低。而耕地與林地的散熱主要靠植物的蒸騰作用，其溫度介于城鎮(zhèn)與水體、長江之間。

3.5 溫度等級與土地利用覆蓋類型關(guān)系

地表溫度等級分布變化的原因在于土地利用/覆蓋類型的變化。通常使用各用地類型在不同溫度等級范圍內(nèi)所占的面積來衡量不同用地類型對熱環(huán)境的貢獻大?。▓D7）。

圖7 不同時相各溫度區(qū)間地表覆蓋情況

從圖7可以看出，隨著溫度等級的提升，城鎮(zhèn)建設(shè)用地所占面積比重升高，耕地/林地及水域面積比重逐漸下降。這說明在高溫區(qū)，地表覆蓋主要是水泥、瀝青等不透水材料。從高溫區(qū)向常溫區(qū)過渡時，地表覆蓋類型開始向林地和耕地傾斜，其中在常溫區(qū)域，耕地的面積最大。在極低溫、低溫區(qū)域，長江、湖泊等占了極大的比重，而其他用地面積基本趨于零。因此，在土地類型中，對城市熱島效應(yīng)貢獻最大的是城鎮(zhèn)用地，而湖泊長江等水域則成為緩和熱島效應(yīng)的主體。

4 結(jié) 語

1）從地表溫度的反演結(jié)果看，武漢市城區(qū)的地表溫度明顯高于周圍郊區(qū)，熱島區(qū)域與中心城區(qū)的界線一致。從1988～2005年，武漢市的熱島效

（ ）應(yīng)逐漸加重，其中2002年最為明顯，2002～2005年有緩解的趨勢。

2）分析武漢土地利用/覆蓋變化，武漢市在1988～2005年中，城區(qū)面積不斷擴張，速度不斷加快，而湖泊面積明顯減小，老城區(qū)內(nèi)部的湖泊尤為明顯。

3）不同土地類型的地表溫度有較大差異，表現(xiàn)為城市用地的地表溫度最高，而水體溫度最低；在不同溫度等級中，隨著溫度級別的升高，城區(qū)建設(shè)用地所占比重明顯升高，而耕地、林地和水體則在低溫度級別中所占比例更大。

4）總體來說，城區(qū)面積的擴增和城區(qū)內(nèi)部湖泊面積的減小，導(dǎo)致了熱島范圍的加大以及熱島效應(yīng)的增強。因此，合理進行城區(qū)土地建設(shè)規(guī)劃，保護城市綠地與湖泊，有利于緩解城市熱島效應(yīng)，改善城市熱環(huán)境。

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P237.9

B

1672-4623（2015）01-0062-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.01.021

陳濤，博士，副教授，主要從事環(huán)境遙感監(jiān)測及高光譜遙感信息處理研究。

2013-11-05。

項目來源：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目(2012AA121303)；中國科學(xué)院數(shù)字地球重點實驗室開放基金資助項目(2011LDE003)；長江科學(xué)院開放研究基金資助項目(CKWV2013221/KY)；數(shù)字制圖與國土信息應(yīng)用工程國家測繪地理信息局重點實驗室開放研究基金資助項目(GCWD201202)；農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室開放基金資助項目(2013002)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(CUGL100206)；湖北省自然科學(xué)基金資助項目(2012FFB06501)。