劉廣杰，王金亮

(云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500)

基于TM影像的唐山市城市熱島效應(yīng)研究

劉廣杰，王金亮

(云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500)

摘要：城市熱島效應(yīng)是城市化過程對氣候影響的典型表現(xiàn)。利用Landsat TM影像對2000年和2009年唐山市中心城區(qū)及其周邊區(qū)域溫度進(jìn)行反演，分析了唐山市熱島效應(yīng)在空間上的變化，發(fā)現(xiàn)唐山市熱島效應(yīng)在空間上分布范圍增大，在強(qiáng)度上減弱的現(xiàn)象，并分析了熱島效應(yīng)與NDVI的關(guān)系，對改善熱島效應(yīng)提供了一定的建議。

關(guān)鍵詞：熱島效應(yīng)； Landsat TM；溫度反演；唐山市

0引言

城市熱島是城市主城區(qū)的氣溫高于城區(qū)周邊郊區(qū)的現(xiàn)象，是城市化過程中氣候變化最明顯的表現(xiàn)之一，反映了城市面積的擴(kuò)大對區(qū)域環(huán)境的影響。城市熱島形成的因素包括下墊面、人為熱和溫室氣體排放3個方面。城市內(nèi)部下墊面不透水面積大，降水很快從排水管流失，可供蒸發(fā)的水分比郊區(qū)少：大量人工構(gòu)筑物改變了下墊面的熱屬性，瀝青、水泥混凝土等人工構(gòu)筑物具有較小的熱容量和吸熱快的特性，在相同的環(huán)境條件下，比綠地或其他自然下墊面升溫快，因而其表面溫度明顯高于自然下墊面，形成了城市中以人工構(gòu)筑物為中心的高溫區(qū)域。城市中排放的大量人為熱、溫室氣體CO2等也是形成熱島的一個重要原因。近年來, 隨著我國城市化進(jìn)程的加快，特別是大城市區(qū)域規(guī)模的擴(kuò)大，城市熱島現(xiàn)象日益明顯，而唐山作為北方重要的工業(yè)城市和特大城市之一，在其城市化過程中必然對周圍的區(qū)域環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。唐山市熱島效應(yīng)的變化具有一定的代表性，對其進(jìn)行研究有利于進(jìn)一步揭示城市化對區(qū)域環(huán)境的影響。

1分析區(qū)域概況

唐山位于河北東部沿海，東隔灤河與秦皇島相望，西與天津毗鄰，南鄰渤海，北依燕山，隔長城與承德接壤，是河北省的主要出海通道和主要經(jīng)濟(jì)區(qū)。全年降水量在600mm左右，年均氣溫11℃。唐山地區(qū)是中國乃至世界最重要的工業(yè)區(qū)之一，擁有鋼鐵、石油、化工、陶瓷、機(jī)械制造等支柱產(chǎn)業(yè)，同時也是東北亞地區(qū)重要的港口城市和物流中心，擁有四通八達(dá)的高速公路網(wǎng)絡(luò)和世界級億噸深水大港曹妃甸港。唐山市的國內(nèi)生產(chǎn)總值、人均GDP、人均可支配收入等主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)常年位居河北省首位。

2研究方法

2.1數(shù)據(jù)源

本文選用2000年9月6日和2009年9月15日2個時相的遙感影像(Landsat-5 TM)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源。軌道號為122/032，影像覆蓋整個唐山市市轄區(qū)。在進(jìn)行熱島效應(yīng)遙感研究中,基礎(chǔ)分析數(shù)據(jù)是TM影像的第6波段，波長范圍為10.4～12.5μm。

2.2地面輻射溫度計(jì)算

地面輻射溫度，是遙感器在衛(wèi)星高度所觀測到的熱輻射強(qiáng)度相對應(yīng)的溫度。Landsat TM/ETM+的第6波段為熱紅外波段，其波長范圍為10.4～12.5m，對熱異常敏感，可用于熱島研究中辨別地表溫度差異。Landsat TM/ETM+的第6波段提供的熱紅外波段的空間分辨率分別為120m和60m，遠(yuǎn)高于氣象衛(wèi)星NOAA/AVHRR遙感數(shù)據(jù)的空間分辨(1.1km)。Landsat影像的像元所對應(yīng)的數(shù)據(jù)是以灰度值(DN值)來表示的，TM6 DN值越大，表示地表熱輻射強(qiáng)度越大，溫度越高。從ETM+/TM6求算亮度溫度的過程需要將DN值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的熱輻射強(qiáng)度值，然后根據(jù)熱輻射強(qiáng)度推算對應(yīng)的亮度溫度。對于TM影像，各像元的輻射強(qiáng)度與其DN值有如下的關(guān)系：

Lλ=Gain×DN+Bias

式中：Lλ-M傳感器接收到的輻射強(qiáng)度；DN- TM影像的像元灰度值；Gain和Bias-分別為TM的增益和偏置。

將熱輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為像元亮度溫度的公式為:

式中：TB-像元亮度溫度，單位為開；K1、K2-衛(wèi)星發(fā)射前預(yù)設(shè)的常量。

2.3地表比輻射率計(jì)算

地表比輻射率又稱為發(fā)射率，是指物體在溫度T波長λ處的輻射出射度與同溫、同波長下的黑體輻射出射度的比值，它主要取決于地表的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和遙感器的波段區(qū)間，并隨著觀測條件(觀測波長、觀測角度等)的變化而變化。在大尺度上對比輻射率精確測量的難度很大，目前只是基于某些假設(shè)獲得比輻射率的相對值，本文主要根據(jù)可見光和近紅外光譜信息來估計(jì)比輻射率。計(jì)算地表比輻射率所需的植被覆蓋度Pv 的計(jì)算采用的是混合像元分解法,將整景影像的地類大致分為水體、城鎮(zhèn)和自然地表，具體的計(jì)算公式如下：

式中，NDVI-歸一化植被指數(shù)，NDVIv-代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值；NDVIs-代表裸露地表覆蓋區(qū)域的NDVI值，即無植被覆蓋像元的NDVI值。

根據(jù)覃志豪的研究[6，11]，將遙感影像分為水體、城鎮(zhèn)和自然表面3種類型。本專題采取以下方法計(jì)算研究區(qū)地表比輻射率：水體像元的比輻射率賦值為0.995，自然表面和城鎮(zhèn)像元的比輻射率估算則分別根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

εsurface=0.9625+0.0614Pv-0.0461Pv2

εbuilding=0.9589+0.086Pv-0.0671Pv2

式中：εsurface和εbuilding-分別代表自然表面像元和城鎮(zhèn)像元的比輻射率。

2.4輻射傳輸方程

輻射傳輸方程法利用與衛(wèi)星過空時間同步的大氣數(shù)據(jù)來估計(jì)大氣對地表熱輻射的影響，把這部分大氣影響從衛(wèi)星傳感器所觀測到的熱輻射總量中減去，從而得到地表熱輻射強(qiáng)度，再把這一熱輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的地表溫度。

衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ由三部分組成：大氣向上輻射亮度Lup；地面的真實(shí)輻射亮度經(jīng)過大氣層之后到達(dá)衛(wèi)星傳感器的能量；大氣向下輻射到達(dá)地面后反射的能量。衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值的表達(dá)式可寫為(輻射傳輸方程)：

式中：ε-地表輻射率，Ts-地表真實(shí)溫度，B(TS) -普朗克定律推到得到的黑體在TS的熱輻射亮度，τ-大氣在熱紅外波段的透過率。

則溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度B(TS)為:

上式中所涉及的參數(shù)，可在NASA依據(jù)影像成像時間和中心經(jīng)緯度查詢獲得(如圖1)。

3結(jié)果分析

3.1城市熱島效應(yīng)時空演變特征

利用上面的公式，分別反演出2000年和2009年唐山市的地表溫度。反演結(jié)果如圖2、圖3所示。由于天氣、溫度等原因，為了提高研究的可比性，本文引入相對亮溫來表示城市熱島效應(yīng)強(qiáng)度[1]。相對亮溫是該點(diǎn)亮溫減去平均亮溫與區(qū)內(nèi)平均亮溫之比，將它作為描述該點(diǎn)熱島強(qiáng)度的一個指標(biāo)，其表達(dá)式為：

式中：TR-表示相對亮溫，Ti-表示研究區(qū)第i點(diǎn)亮溫，Ta-表示研究區(qū)的平均亮溫。

根據(jù)計(jì)算的相對溫度對研究區(qū)的熱島效應(yīng)按照表1進(jìn)行等級劃分。

表1　熱島等級劃分

對反演的地面溫度進(jìn)行熱島等級劃分，其結(jié)果如圖4、圖5所示。

從圖中可以看出，2000年的唐山市城市熱島現(xiàn)象十分明顯，城區(qū)的溫度明顯高于周邊郊區(qū)的溫度，形成島嶼狀的高溫區(qū)域，界線清晰。熱島區(qū)主要分布于路南區(qū)和開平區(qū)、古冶區(qū)、豐潤縣城(現(xiàn)唐山市豐潤區(qū))。所有的高溫區(qū)域都出現(xiàn)在居民聚集地區(qū)，表現(xiàn)為城市熱島特征。強(qiáng)熱島區(qū)分布于路南和開平區(qū)且形成被熱島區(qū)包圍的態(tài)勢，主要因?yàn)榇藚^(qū)域建筑物密集，陸地下墊面以不透水層為主，綠化面積較少，熱島效應(yīng)明顯，只有市中心的大城山區(qū)域成為孤立的綠島。城市周邊溫度降低明顯，在人口聚集的村莊和城鎮(zhèn)表現(xiàn)為弱或中等熱島。綠島區(qū)主要是植被覆蓋較高的地區(qū)及各類水體。

通過2009年的熱島強(qiáng)度圖可以看出，由于城市的發(fā)展，不透水層面積增大，熱島區(qū)域也較2000年有明顯的變化。但由于綠色發(fā)展理念的提出和唐山市實(shí)施的城市轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，地表綠色植物的增多，環(huán)境的改善，使市轄區(qū)中心區(qū)域的熱島強(qiáng)度得到明顯的降低。表現(xiàn)較為明顯的即為陡河水庫區(qū)域，由于水質(zhì)污染和工程施工，在2000年的熱島強(qiáng)度圖中表現(xiàn)為強(qiáng)熱島，而在2009年中則表現(xiàn)為綠島和弱綠島。

表2為研究區(qū)內(nèi)2000年和2009年各個熱島等級的面積變化情況，從表中可以看出，由于城市的發(fā)展，綠島區(qū)域的面積下降了294.29km2，但由于可持續(xù)發(fā)展理念的實(shí)施，研究區(qū)域內(nèi)的弱綠島面積得到增加，同時極強(qiáng)熱島和強(qiáng)熱島的面積均有明顯的下降。由此可以看出，城市綠地面積的增加可以有效地改善城市熱島效應(yīng)的強(qiáng)度，降低下墊面溫度。

表2　研究區(qū)內(nèi)2000年到2009年熱島等級變化

3.2城市熱島效應(yīng)與植被關(guān)系

植被是影響城市熱島效應(yīng)最重要的因素之一，地表溫度在有植被覆蓋和無植被覆蓋的地方差異很大，因此熱島效應(yīng)的強(qiáng)度會因植被覆蓋的不同而不同。本文采用歸一化植被指數(shù)(NDVI)來衡量植被覆蓋。計(jì)算公式如下：

式中：ρnir和ρred-分別是近紅外波段和紅光波段。

本文利用TM影像的3、4波段，分別計(jì)算2000年和2009年研究區(qū)內(nèi)的NDVI，結(jié)果如圖6、圖7。

從圖中可看出在非城市地區(qū)，NDVI值是比較大的，而且隨著城市發(fā)展、不透水層面積的增加，NDVI值逐漸降低，在商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)和一些居住區(qū)，植被的覆蓋較少，NDVI值則很小。結(jié)合圖5和圖7，可以發(fā)現(xiàn)NDVI指數(shù)和熱島效應(yīng)強(qiáng)度呈明顯的負(fù)相關(guān)(水體由于其特殊性，NDVI很低，但溫度不高)，NDVI較高的區(qū)域，地表溫度相對較低，熱島強(qiáng)度低，多為城市的綠島和弱綠島區(qū)域，如大城山和鳳凰山公園、城市周邊郊區(qū)廣闊的農(nóng)田等；而NDVI較低的地區(qū)，地表溫度相對較高，熱島強(qiáng)度高，多為研究區(qū)內(nèi)的熱島和強(qiáng)熱島區(qū)域。

兩個年份的NDVI圖對比可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋正在迅速減少，以路南區(qū)和開平區(qū)、古冶區(qū)、豐潤區(qū)為中心沿公路向外輻射的區(qū)域內(nèi)，植被覆蓋整體呈現(xiàn)降低趨勢，導(dǎo)致城區(qū)中間的過渡地帶綠島減少，城市熱島效應(yīng)的面積增大，并有以上述三個區(qū)域?yàn)橹行倪B接成片的趨勢。

4城市熱島效應(yīng)改善措施

(1)要保護(hù)城區(qū)的綠地、水體面積。因?yàn)槌菂^(qū)的水體、綠地對減弱夏季城市熱島效應(yīng)起著十分可觀的作用。綠地能吸收太陽輻射，而所吸收的輻射能量又有大部分用于植物蒸騰耗熱和在光合作用中轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，用于增加環(huán)境溫度的熱量大大減少。綠地中的園林植物，通過蒸騰作用，不斷地從環(huán)境中吸收熱量，降低空氣的溫度。研究表明：城市綠化覆蓋率與熱島強(qiáng)度成反比，綠化覆蓋率越高，則熱島強(qiáng)度越低，當(dāng)覆蓋率>30%后，熱島效應(yīng)得到明顯的削弱；覆蓋率>50%，綠地對熱島的削減作用極其明顯。規(guī)模>3hm2且綠化覆蓋率達(dá)到60%以上的集中綠地，基本上與郊區(qū)自然下墊面的溫度相當(dāng)，即消除了熱島現(xiàn)象，在城市中形成了以綠地為中心的低溫區(qū)域，成為人們戶外游憩的優(yōu)良環(huán)境。

(2)城市熱島強(qiáng)度隨著城市發(fā)展而加強(qiáng)，因此在控制城市發(fā)展的同時，要控制城市人口密度、建筑物密度。因?yàn)槿丝诟呙芏葏^(qū)也是建筑物高密度區(qū)和能量高消耗區(qū)，常形成氣溫的高值區(qū)。應(yīng)優(yōu)化城市結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)城市周邊二級城市的建設(shè)，合理控制主城區(qū)規(guī)模，防止人口過渡集中于城區(qū)。城市布局應(yīng)符合空間環(huán)境的要求，盡量減少對大氣流動的阻礙，以利于空氣流動，緩解局部地區(qū)溫度分布不均的狀況，緩解熱島效應(yīng)。

(3)減少人為熱釋放，盡量將民用煤改為液化氣、天然氣。改善能源配置和使用條件，可采用工業(yè)集中、供熱集中的方式。控制城市機(jī)動車數(shù)量，一方面減少人為熱的產(chǎn)生，另一方面能減少溫室氣體的排放，有利于緩解熱島效應(yīng)。

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Research on Urban Heat Island Effect Based on

Landsat TM Images of Tangshan City

LIU Guang-jie，WANG Jin-liang

(College of Tourism & Geographic Sciences, Yunnan Normal University, Kunming Yunnan 650500 ,China)

Abstract：Urban heat island effect is a typical manifestation of the climatic effect of urbanization process. The temperature of Tangshan downtown and its surrounding area in the year of 2000 and 2009 were inversed based on the Landsat TM images of 2000 and 2009. The changes of temperature of these two years were examined. The results showed that Tangshan heat island effect increased in terms of the space distribution. However, it decreased on the strength. The relationship between NDVI and the heat island effect was analyzed, which provides some suggestions to improve the heat island effect.

Key words：urban heat island; Landsat TM; temperature inversion; Tangshan

中圖分類號：X83

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-9655(2015)04-0118-05

收稿日期：2014-11-29