余 洋 韓如冰 唐中華

基于Landsat數(shù)據(jù)的綿陽(yáng)市城市熱島效應(yīng)研究

余 洋 韓如冰 唐中華

（西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 綿陽(yáng) 621000）

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市熱島也隨之不斷發(fā)展演變。以2004年至2016年的四組Landsat衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用基于輻射傳輸方程的方法獲取了綿陽(yáng)市2004年至2016年的四幅地表溫度分布圖像；采用監(jiān)督分類法獲取了四幅地表分類圖像。研究結(jié)果表明：從2004年至2016年，綿陽(yáng)市的城市區(qū)域沿著涪江和安昌河兩岸不斷延伸，城市建成面積擴(kuò)大了一倍多，農(nóng)田和林地的面積則分別減少了17.8%和12.1%；城市熱島分布范圍不斷擴(kuò)大，強(qiáng)度在不斷地增強(qiáng)；適當(dāng)?shù)脑黾映鞘械乃w和植被的面積則能夠明顯削弱城市熱島效應(yīng)強(qiáng)度。

城市熱島；地表溫度；土地分類；地溫反演；Landsat

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，世界上超過一半的人口居住在城市中[1]。伴隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市的下墊面等表面也隨之變化[2,3]，因而大中城市均出現(xiàn)了不同程度的城市熱島效應(yīng)（UHI）[4]。熱島效應(yīng)不僅會(huì)改變城市氣候，還會(huì)造成城市氣溫升高，提升建筑設(shè)備的運(yùn)行能耗，甚至危害人體健康[5]。因而城市熱島效應(yīng)引起國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者的關(guān)注，研究對(duì)象幾乎都針對(duì)的是大城市（如北京，上海，廣州，香港，蘇州等）[6-8]，對(duì)中等城市的研究相對(duì)較少。而實(shí)際上，盡管中等城市的規(guī)模和人口密度和大型城市有很大區(qū)別，但中等城市的熱島效應(yīng)已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的特征。本文將以四川省綿陽(yáng)市這個(gè)中等城市為例進(jìn)行熱島效應(yīng)相關(guān)研究。

近幾十年來(lái)，城市熱島研究中越來(lái)越關(guān)注地表溫度的作用[9]，由于傳統(tǒng)的氣象數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確的獲得全面的城市氣溫，特別是在研究城市土地利用的分類、城市熱島的時(shí)空演變和發(fā)展等方面[10-12]，廣泛采用了遙感技術(shù)數(shù)據(jù)和地理信息系統(tǒng)的研究方法。

本文根據(jù)2004年至2016年的4組Landsat數(shù)據(jù)綿陽(yáng)城市熱島演變進(jìn)行研究。采用基于輻射傳輸方程的方法獲取了四個(gè)不同年份的城市地表溫度圖像，并且采用均值——標(biāo)準(zhǔn)差的方法并將它們進(jìn)行歸一化處理，用以分析和比較不同年份的城市熱島強(qiáng)度。此外還利用監(jiān)督分類法獲取了綿陽(yáng)市四個(gè)不同年份的土地利用圖像，以探究不同時(shí)期綿陽(yáng)市的城市化進(jìn)程。

1 數(shù)據(jù)及研究區(qū)域概況

1.1 研究區(qū)域

綿陽(yáng)市地理坐標(biāo)為北緯30°42′至33°03′，東經(jīng)103°45′至105°43′（見圖1），位于四川盆地的東北邊緣地帶，城市建筑和人口密集的區(qū)域主要集中于涪江和安昌河兩岸以及其交匯處。

本文基于2016年谷歌地球衛(wèi)星圖像手動(dòng)繪制了綿陽(yáng)主城區(qū)的城市邊界，并將其用作研究區(qū)域，整個(gè)研究區(qū)域主要包括涪城區(qū)和游仙區(qū)兩個(gè)部分。

圖1 研究區(qū)域位置示意圖

1.2 數(shù)據(jù)

本文使用4組Landsat ETM +數(shù)據(jù)影像來(lái)研究綿陽(yáng)的城市熱島效應(yīng)，它們均來(lái)自地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站。

由于在2003年5月Landsat7搭載的ETM+搭載的機(jī)載掃描行校正器發(fā)生了故障，因此在此之后其所有獲取的圖像都發(fā)生了嚴(yán)重的條帶丟失的情況，針對(duì)這一情況，我們采用ENVI 5.3軟件當(dāng)中的插件對(duì)四組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了修復(fù)工作。

表1 四組Landsat數(shù)據(jù)

2 地表溫度反演方法

有文獻(xiàn)表明，對(duì)于ETM+數(shù)據(jù)，采用單通道算法和基于輻射傳輸方程的算法獲取的地表溫度精度要高于其它的算法[13,14]，因此本文選用基于輻射傳輸方程的算法來(lái)反演綿陽(yáng)市的地表溫度。

2.1 地溫反演

歸一化差異植被指數(shù)（）反映植被分布狀況，值越高，則植被的覆蓋度越大，生長(zhǎng)也越茂密。的計(jì)算式見公式（1），通常在-1~1的范圍內(nèi)。

地表比輻射率是同種溫度下地表輻射量和黑體輻射量的比值，用于表征物體表面的發(fā)射能力，是反演地表溫度的必要參數(shù)。水體的地表比輻射率近似于黑體，本文將比輻射率設(shè)置為0.995，對(duì)于城市和自然表面，則按照已有研究公式進(jìn)行計(jì)算[15]。

Landsat7所搭載的衛(wèi)星傳感器接收到的紅外熱輻射值大致可以分為三部分：大氣向上輻射、地表接收到的大氣反射、地表輻射的通過大氣層抵達(dá)衛(wèi)星傳感器的輻射量。紅外熱輻射值的計(jì)算見公式（4）。

進(jìn)一步根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)來(lái)計(jì)算地表溫度：

式中，1和2是紅外波段的定標(biāo)參數(shù)，對(duì)于Landsat7 ETM+傳感器，1=666.09W/(m2?sr?μm)，2=1282.71K。

2.2 城市熱島強(qiáng)度計(jì)算

為了更好地比較不同時(shí)期城市熱島強(qiáng)度的差異，對(duì)獲得的地表溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，并且根據(jù)表2將地表溫度劃分成不同的溫度等級(jí)。

表2 地表溫度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

為更好的表征城市的熱島強(qiáng)度，進(jìn)一步計(jì)算城市熱島強(qiáng)度指數(shù)（）來(lái)比較不同年份城市熱島強(qiáng)度的差異，熱島強(qiáng)度指數(shù)通過式（6）進(jìn)行計(jì)算。

2.3 地表分類精度分析

基于2004年至2016年綿陽(yáng)市的四組Landsat ETM影像數(shù)據(jù)，研究土地覆蓋（LULC）地圖并研究LULC的變化。對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算混淆矩陣、各個(gè)準(zhǔn)確性和Kappa系數(shù)，結(jié)果顯示所有準(zhǔn)確率都超過80%。

表3 地表分類的精度評(píng)價(jià)表

3 結(jié)果分析

3.1 地表溫度結(jié)果分析

基于輻射傳輸方程法和四組Landsat ETM +數(shù)據(jù)反演得到的地表溫度圖像，如圖2所示。由圖2可知，自2004年至2016年，高溫區(qū)域沿著安昌河和涪江兩側(cè)在不斷擴(kuò)張，綿陽(yáng)市地表溫度最高的部分始終位于城市區(qū)域。由表4可知，自2004年春季至2009年春季，地表溫度最小值幾乎恒定，而最大值和平均值分別增加了2.5℃和1.2℃。而自2013年夏季至2016年，地表溫度的最小值增加了1.62℃，最大值和平均值分別增加了15.6℃和8.32℃。因此可知，自2004年至2016年，綿陽(yáng)市的平均地表溫度一直在增長(zhǎng)。

圖2 綿陽(yáng)市不同年份地表溫度圖像

表4 綿陽(yáng)市不同年份地表溫度統(tǒng)計(jì)表

3.2 熱島強(qiáng)度指數(shù)分析

由圖3和表5可知，自2004年至2016年，綿陽(yáng)市城市熱島強(qiáng)度不斷地增強(qiáng)，極高溫地區(qū)和高溫地區(qū)的面積不斷增長(zhǎng)且集中在城市區(qū)域；極低溫地區(qū)和低溫地區(qū)的面積則不斷的減少且集中在水體和自然植被覆蓋的區(qū)域。自2004年至2009年，綿陽(yáng)市的熱島強(qiáng)度指數(shù)（URI）變化不大，盡管極高溫區(qū)域增加了4.55%，但高溫區(qū)域減少了5.98%，而URI僅增加了0.011。自2009年至2016年，極高溫區(qū)域和高溫區(qū)域的面積分別增加了16.26%和3.82%，低溫區(qū)域面積減少了20.41%，URI從0.31增加到0.49，城市的熱島強(qiáng)度顯著提高。

圖3 綿陽(yáng)市不同年份溫度等級(jí)圖像

表5 綿陽(yáng)市不同年份各溫度等級(jí)面積（百分比）和URI值

3.3 地表分類圖像

圖4為采用監(jiān)督分類方法獲取的綿陽(yáng)市2004年至2016年的土地利用/土地覆蓋（LULC）圖像。表6統(tǒng)計(jì)了綿陽(yáng)市2004年至2016年四個(gè)年份各自的土地利用狀況。由圖4和表6可知，自2004年至2016年，綿陽(yáng)市城區(qū)面積持續(xù)增加，農(nóng)田、耕地等植被區(qū)域面積持續(xù)減少。特別是2013年至2016年期間，城區(qū)面積增加了將近一倍。

由圖4可知，綿陽(yáng)市新建區(qū)域主要集中分布在涪江、安昌河的沿岸地區(qū)。新建城區(qū)區(qū)域從2004年的17.9%提高到2016年的47.6%（新建城區(qū)面積與總城區(qū)面積的比值）。同時(shí)，農(nóng)田、耕地、林地等自然植被覆蓋區(qū)域面積的逐年減少。以林地為例，2004年林地占城區(qū)總面積的17.8%，而2016年林地僅占城區(qū)總面積的5.7%。

圖4 綿陽(yáng)市不同年份LULC圖像

表6 綿陽(yáng)市不同年份土地利用類型統(tǒng)計(jì)表

4 主要研究結(jié)論與展望

本文以綿陽(yáng)市2004年至2016年的四組Landsat ETM+數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，獲取了四個(gè)不同年份的地表溫度圖像以及土地利用/土地覆蓋圖像，分析了綿陽(yáng)市城市熱島的時(shí)空分布特征以及演變過程，主要的結(jié)論包括以下幾條：

（1）從2004年到2016年，綿陽(yáng)市的平均地表溫度在不斷增高，高溫區(qū)域和極高溫區(qū)域的面積總體呈增大的趨勢(shì)，主要集中在人口和建筑比較密集的區(qū)域。期間綿陽(yáng)市的城市熱島強(qiáng)度也在不斷的增強(qiáng)，并且城市熱島分布的范圍也越來(lái)越廣，不少植被區(qū)域在城鎮(zhèn)化過后地表溫度陡然增高，熱島強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)。

（2）從2004年到2016年，綿陽(yáng)市的土地利用狀況發(fā)生了顯著的變化，沿著涪江和安昌河兩岸城市建成區(qū)域面積不斷增加。從2004年至2016年，整個(gè)城市的建成區(qū)面積百分比增加了29.7%；而農(nóng)田、林地等植被覆蓋區(qū)域的面積則不斷的減少，農(nóng)田面積減少了17.8%，林地面積減少了12.1%。這種改變帶來(lái)的直接影響則是城市熱島的分布范圍隨著建成區(qū)域的擴(kuò)大而不斷擴(kuò)大，且強(qiáng)度不斷增加。

（3）城市下墊面的類型是影響城市熱島的一項(xiàng)重要因素，下墊面的透水性與輻射吸收系數(shù)的改變使得整個(gè)城市蓄積大量的熱量，導(dǎo)致城市熱島強(qiáng)度增加。自2004年到2016年，綿陽(yáng)市大量的自然植被表面被城市區(qū)域取代，造成城市熱島強(qiáng)度增強(qiáng)以及分布范圍擴(kuò)大，因此在未來(lái)的城市規(guī)劃和城市改造中，應(yīng)采取一些技術(shù)措施，盡量保留一定面積的植被和水體區(qū)域。這些技術(shù)措施包括：改造既有建筑屋面為淺層蓄水屋面或者綠化屋面；下墊面采用透水性強(qiáng)、反射率高的材料；暖通工程師應(yīng)優(yōu)化冷熱源設(shè)計(jì)方案，盡量減小系統(tǒng)排熱量對(duì)熱島效應(yīng)的影響。

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Research on Urban Heat Island Effect of Mianyang City Based on Landsat Data

Yu Yang Han Rubing Tang Zhonghua

( School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang, 621000 )

With the continuous advancement of urbanization, urban heat islands also continue to evolve. Based on the four sets of Landsat satellite image data from 2004 to 2016, this paper uses the method based on the radiative transfer equation to obtain four surface temperature distribution images in Mianyang City from 2004 to 2016; uses the supervised classification method to obtain four surface classification images . The research results show that from 2004 to 2016, the urban area of Mianyang City continued to extend along the banks of the Fujiang and Anchang Rivers, the urban built-up area more than doubled, and the area of farmland and woodland decreased by 17.8% and 12.1%, respectively; The distribution range of urban heat islands continues to expand, and the intensity continues to increase; an appropriate increase in the area of urban water and vegetation can significantly weaken the intensity of the urban heat island effect.

urban heat island; land surface temperature; land classification; ground temperature inversion; Landsat

P237

B

1671-6612（2021）02-196-06

余 洋（1995.6-），男，在讀碩士研究生，E-mail：760753261@qq.com

2020-07-24