王元波（常德市國土資源規(guī)劃測繪院，湖南　常德　415000）

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熱紅外遙感在海綿城市熱島效應(yīng)監(jiān)測中的應(yīng)用

王元波（常德市國土資源規(guī)劃測繪院，湖南常德415000）

隨著城市化進程的不斷加快和城市經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市環(huán)境問題變得越來越嚴(yán)峻，其中熱島效應(yīng)的增強就是一個非常突出的環(huán)境問題。采用熱紅外遙感技術(shù)進行城市熱島效應(yīng)監(jiān)測，不僅能夠有效的對地面熱狀況進行調(diào)查和了解，還能夠全面的對城市熱島形成的原因和分布特點進行研究，提出有效的治理措施，從而對城市生態(tài)環(huán)境進行保護和改善。本文主要結(jié)合筆者多年工作經(jīng)驗，闡述熱紅外遙感在海綿城市熱島效應(yīng)監(jiān)測中的應(yīng)用。

熱紅外；遙感；海綿城市；熱島效應(yīng)；監(jiān)測

引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市規(guī)模的不斷擴大和人口數(shù)量的不斷增加，城市熱島效應(yīng)變得越來越嚴(yán)重，對城市熱島效應(yīng)的監(jiān)測越來越受重視。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和提高，熱紅外遙感在測量領(lǐng)域越來越受青睞，熱紅外遙感是利用熱紅外波段研究地表物質(zhì)特性的技術(shù)手段，通過熱紅外數(shù)據(jù)反演出地球表面溫度，在城市熱島效應(yīng)監(jiān)測領(lǐng)域有很好的應(yīng)用價值。

1　海綿城市熱島效應(yīng)內(nèi)涵

1.1海綿城市

“海綿城市”是指城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，下雨時能夠及時滲水、蓄水、凈水，然后緩慢的對吸收的水分進行釋放，在緩解城市內(nèi)澇的同時，還能增強土壤保濕性，提升城市生態(tài)功能。

1.2城市熱島效應(yīng)

城市熱島（Urban Heat Island，UHI）是城市生態(tài)系統(tǒng)所特有的一種現(xiàn)象，是人類活動對氣溫影響的最突出特征之一，具體表現(xiàn)為城市中的氣溫高于外圍郊區(qū)氣溫，在氣象學(xué)近地面大氣等溫線圖上，郊外的廣闊地區(qū)氣溫變化很小，如同一個平靜的海面，而城區(qū)則是一個明顯的高溫區(qū)，如同突出海面的島嶼，由于這種島嶼代表著高溫的城市區(qū)域，所以就被形象地稱為城市熱島。隨著城市化進程的不斷加快，自然環(huán)境的植被逐漸被水泥和瀝青面所代替，用于地表潛熱蒸發(fā)的地表水分減少，城市內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得控制地表熱通量的主要因子（如：反照率、熱容、熱島等）發(fā)生改變。同時，以高能耗為典型代表的生活方式的出現(xiàn)，使得人為熱能、溫室氣體等日益增多，從而改變了近地面熱交換和熱輻射，引發(fā)城市及周邊小氣候發(fā)生變化，導(dǎo)致城市局地氣溫與郊區(qū)氣溫的差異，即形成熱島效應(yīng)。

在夏季，城市局部氣溫會比郊區(qū)氣溫高出5℃以上。隨著夏季高溫天氣持續(xù)時間的增長，高溫日的出現(xiàn)越來越頻繁，城市熱島效應(yīng)越來越受到廣泛的關(guān)注，對城市熱島效應(yīng)的研究也已經(jīng)成為當(dāng)今氣候、生態(tài)和環(huán)境問題中的熱點。研究熱島效應(yīng)的成因、空間分布與動態(tài)頻率變化，并探討其緩解對策是構(gòu)建宜居、綠色、安全的人居環(huán)境，走城市可持續(xù)發(fā)展，協(xié)調(diào)人-地-氣系統(tǒng)平衡、良性循環(huán)的重要保證。

圖1為利用氣象衛(wèi)星2006年9月21日13時21分 （北京時）資料處理生成的北京地區(qū)城市熱島監(jiān)測圖。圖中反映出，與郊區(qū)縣（區(qū)）相比，北京市城區(qū)的溫度明顯高于周邊郊區(qū)，且高溫區(qū)的分布呈輻射狀向北部、東北部、南部、西南部等周邊延伸。城區(qū)溫度與郊區(qū)相比，城區(qū)中心區(qū)域比西部和南部城郊溫度高出6～8℃，標(biāo)志著這些地區(qū)熱島效應(yīng)十分明顯。

城市熱島效應(yīng)的重要特征是城區(qū)氣溫明顯高于郊區(qū)。引起城市熱島效應(yīng)的原因是多方面的，如城市人口密集，建筑密布，各種電器及機械設(shè)備不停地散發(fā)出大量的熱能，高樓大廈林立形成人工峭壁，使城市中的空氣流通受阻，導(dǎo)致熱量不斷積累，形成特有的城市環(huán)境，使氣溫和污染明顯高于郊區(qū)。城市熱島現(xiàn)象是反映城市環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)。城區(qū)地表溫度（包括建筑物、公路、廣場、綠地等）與周圍郊區(qū)地表溫度的差異是衡量城市熱島程度的重要因子。地表白天接受太陽短波輻射增溫后，將通過紅外波段放射輻射能。利用遠紅外窗區(qū)通道（10.3～12.5μm）探測地表發(fā)射的輻射能，可反算地表溫度，獲取反映城市熱島現(xiàn)象的城區(qū)與郊區(qū)地表溫度差異。

圖1　北京地區(qū)城市熱島監(jiān)測圖

2　熱紅外遙感技術(shù)特點

2.1內(nèi)涵

自然界任何溫度高于熱力學(xué)溫度（0K或-273℃）的物體都會不斷地向外發(fā)射電磁波。熱紅外遙感即通過熱紅外探測器收集地物輻射出來的人眼看不到的熱紅外輻射通量，經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換而變成人眼能看到的圖像。熱紅外遙感技術(shù)的發(fā)展是為了獲取地物的熱狀況信息，從而推斷地物的特征及環(huán)境相互作用的過程，為科學(xué)研究和生產(chǎn)提供應(yīng)用。簡而言之，熱紅外遙感可用來推測地表瞬時溫度。

2.2熱紅外遙感的特點

由于被遙感的物體在任何時間都在不斷地向外輻射熱紅外線，熱紅外遙感可以全天候進行熱紅外數(shù)據(jù)采集，受外界因素干擾較少。熱紅外遙感比可見光、近紅外、短波紅外遙感復(fù)雜，主要原因在于：

（1）地物從熱輻射的吸收到標(biāo)志地物熱特性的溫度的升高，有一個熱儲存和熱釋放過程，這與地物本身的熱性質(zhì)和環(huán)境條件有關(guān)；

（2）改變地物熱狀況的熱源，不僅是熱輻射，而且還有顯熱輸送和潛熱輸送問題，這涉及到微氣象參數(shù)、土壤物理參數(shù)、植被生化參數(shù)；

（3）熱紅外遙感空間分辯率比較低，混合像元問題也是一個難點；

（4）另外還有定標(biāo)上的困難以及怎樣將測量值校正到目標(biāo)真實物理量值的問題；

（5）對復(fù)雜地形，如植被（包括森林）、斜地形、水體、裸土和城市景觀的混合系統(tǒng)進行精確評價有困難；

（6）受云層影像很大，現(xiàn)階段技術(shù)仍無法消除云層對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影像。

3　熱紅外遙感在海綿城市熱島效應(yīng)監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1熱紅外遙感在海綿城市熱島效應(yīng)監(jiān)測中的應(yīng)用優(yōu)勢

快速城市化進程改變了地表下墊面的物理屬性。原本是土壤、草地和水體等比熱大的自然表面被鋼筋混凝土、瀝青等比熱小的地表代替，這不僅改變了反射面、吸收面的性質(zhì)，還改變了近地面層的熱交換和地面的粗糙度，使大氣的物理狀況受到影響。熱島效應(yīng)容易產(chǎn)生酸雨，破壞城市及周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。傳實地觀測法的點位密度低，數(shù)據(jù)同步性和空間代表性差，要想細致全面的研究城市熱島的平面分布、內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征尚有一定困難。遙感監(jiān)測時相多、范圍廣、能長期連續(xù)觀測，不受氣候影響，可以進行大面積地表溫度測定，且通過遙感手段獲取的觀測資料時間同步性好。隨著當(dāng)前高分辨率衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)的發(fā)展完善，它在城市熱島研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。

3.2案例分析

在城市熱島效應(yīng)監(jiān)測中運用熱紅外遙感監(jiān)測技術(shù)可以通過三色顯示出城區(qū)的溫差，圖2為重慶市熱紅外遙感圖。

圖2是熱紅外衛(wèi)星拍攝的重慶某夏季的一天。經(jīng)過后期的數(shù)據(jù)處理分析，得出了各個片區(qū)不同的溫度值，用顏色進行了區(qū)分。氣溫超過33℃，能測到的熱紅外波段就進入了紅色區(qū)；溫度降至27℃及以下，就會進入藍色區(qū)。熱紅外遙感圖片上顯示，中梁山、銅鑼山整條山脈都呈藍色，枇杷山、佛圖關(guān)、鵝嶺公園等，也明顯比其他區(qū)域偏藍，比較涼爽，市民可以選擇在此休閑、納涼。環(huán)繞主城的長江、嘉陵江以及湖泊等，由于受水汽蒸發(fā)影像，測出的熱紅外線最弱，顏色呈現(xiàn)出深藍色?！皟山背闪酥鞒菂^(qū)溫度最低的地方，顯示為21.9℃。主城一些舊城區(qū)，街道較窄車輛較少，加之綠化比較多，所以氣溫不是很高。如渝中區(qū)下半城、洪崖洞沿線等；南岸科普中心沿線至銅元局一帶，因為背靠南山、長江環(huán)繞，遙感圖上多處“飄藍”，溫度也不高。車輛擁堵的高架橋和城市道路、以車間廠房為主的工業(yè)區(qū)、人口密集的商業(yè)區(qū)及居住區(qū)、發(fā)電廠、機場、火車站，以及新興開發(fā)區(qū)域，產(chǎn)生了大量熱量，是引起城市“熱島”效應(yīng)的主要原因。隨著該市新城建設(shè)腳步的不斷加快，“熱島”的中心逐漸移出主城核心區(qū)?！帮h紅”的重點分布區(qū)域，主要是建設(shè)力度較大、但綠化未跟上的新區(qū)，以及工業(yè)比較密集的區(qū)域，如汽車廠、電機廠等工業(yè)園區(qū)。

圖2　熱紅外遙感圖

3.3城市熱島效應(yīng)治理對策

綜上所述，我們可以知道導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)的主要原因來自于城市建設(shè)和工業(yè)發(fā)展，為了緩解城市熱島效應(yīng)現(xiàn)象，可以增加綠化、規(guī)劃城市通風(fēng)口。城市綠化對減低城市“熱島”強度，改善城市氣候條件有很大作用。綠化率太低，會造成城市的受熱面增加，除了在地表種植喬木之外，還可以增加“垂直”綠化，將墻體、屋頂區(qū)域種植植被進行綠化，增加城市綠化總量，減少熱島效應(yīng)。在城市規(guī)劃建設(shè)過程中，還可通過適當(dāng)分散高層建筑物、建設(shè)城市“通風(fēng)口”及“通風(fēng)帶”，將部分淤積于市內(nèi)的熱量帶出城去，從而緩解城市熱島效應(yīng)。

4　結(jié)語

近年來，在全球增溫和高速城市化進程的背景下，世界范圍內(nèi)的熱島效應(yīng)越來越明顯，我國許多城市出現(xiàn)了高強度的城市熱島效應(yīng)。城市熱環(huán)境及其熱效應(yīng)已成為當(dāng)前城市氣候與環(huán)境研究中，最為重要的研究內(nèi)容之一。熱紅外遙感能夠通過獲取城市地表熱輻射狀況，捕捉城市下墊面熱島強度的大小和空間分布，進而推測出城市氣溫?zé)釐u強度的大小和空間分布，為熱島成因分析和治理提供依據(jù)，研究城市熱島效應(yīng)主要目的和重要手段。目前，國內(nèi)很多城市都開展了城市熱島效應(yīng)監(jiān)測，在不斷為城市規(guī)劃建設(shè)和環(huán)境治理提供決策依據(jù)。

［1］馮 欣.城市擴展及熱島效應(yīng)的動態(tài)監(jiān)測與研究［D］.東北林業(yè)大學(xué)，2007（08）：56～57.

［2］邱 建，賈劉強，王 勇.基于遙感的青島市熱島與綠地的空間相關(guān)性［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，2008，43（4）：427～433.

［3］宋 軒，段金龍，杜麗平.城市熱島效應(yīng)研究概況［J］.氣象與環(huán)境科學(xué)，2009（03）：54～56.

王元波（1982-），男，工程師，本科，主要從事測繪、地理信息工作。

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2095-2066（2016）13-0082-02

2016-4-11