基于遙感影像的城市熱島效應分析

許兆軍，胡娟

(1.湖南省遙感中心，湖南長沙 410007； 2.湖南省國土資源規劃院，湖南長沙 410007)

基于遙感影像的城市熱島效應分析

許兆軍1?，胡娟2

(1.湖南省遙感中心，湖南長沙 410007； 2.湖南省國土資源規劃院，湖南長沙 410007)

以婁底市區為例，基于LandSat5 TM定量反演了城市亮度溫度，采用Quick Bird數據解譯了城市綠化現狀，通過研究亮度溫度與綠化覆蓋率的關系，對城市綠化規劃布局進行了探討。研究表明:婁底市城區熱島效應顯著，熱島中心主要分布在舊城區，最高溫度為30.78℃；城市亮度溫度與綠化覆蓋率呈現負相關，相關系數為－0.9，通過提高城市綠化率等方法可以有效緩解城市熱島效應；城市綠地系統應根據婁底城市熱場分布的特點，有重點、有針對性地進行規劃布局，建立完善的城市綠地系統是改善城市熱環境的根本保證。

熱島效應；亮度溫度；綠化覆蓋率；綠地系統規劃；婁底市

1 引 言

城市熱島效應也稱“大氣熱污染現象”，是城市化的發展導致城市中的氣溫高于外圍郊區的現象。在氣象學近地面大氣等溫線圖上，郊外的廣闊地區氣溫變化很小，如同一個平靜的海面，而城區則是一個明顯的高溫區，如同突出海面的島嶼。由于這種島嶼代表著高溫的城市區域，所以就被形象地稱為“城市熱島”[1]。其成因在于人類對原有自然下墊面的人為改造并以城區溫度明顯增高為主要標志。它的出現加強了城市夏季高溫的酷熱程度，同時還伴隨有植被覆蓋空洞、城市干島、城市霾島等現象，影響城市生態環境質量。

由于遙感技術具有快速、全方位地獲取不同空間分辨率、多光譜信息的特征，已成為對城市熱島效應影響因素的監測與分析的有效手段。在已有的相關研究——土地覆蓋變化狀況和城市熱島的關系[3～5]，或城市下墊面與城市熱島的關系[6～10]中，絕大多數都是利用TM影像研究大區域內城市熱島與NDVI(標準差異植被指數)的關系。關于城區內城市熱島與城市綠化覆蓋率的關系，以及城市熱島對城市綠化布局的影響很少有專門的研究。本文采用兩種遙感影像，分別用TM影像反演了城市地表亮度溫度，用Quick Bird影像解譯了城市綠化覆蓋情況，通過研究分析亮度溫度與綠化覆蓋率的關系，對城市綠化的規劃布局進行了探討。

2 城市概況及數據源選擇

婁底市城區位于湖南省中部，婁底市東北部，漣水中游，滬昆鐵路與洛湛鐵路交會處。面積428 km2，其中建城區面積約32 km2，人口29萬。婁底市屬中亞熱帶季風濕潤氣候，雨量充沛，四季分明。年內最高氣溫41.2℃，最低－1.6℃。

目前，常用于熱紅外衛星遙感的信息源主要有NOAA氣象衛星AVHRR的第4通道(10.5 μm～11.3 μm)、第5通道(11.5 μm～12.5 μm)以及陸地衛星TM/ETM＋的第6通道(10.4 μm～12.5 μm)數據[2]。雖然TM6波段的噪聲等效溫差(NETD即溫度分辨率)為0.5K比NOAA衛星熱紅外通道(NETD為0.1 K～0.3 K)低，但是其地面分辨率為120 m(ETM＋為60 m)，遠高于NOAA氣象衛星的1.1 km。由于LandSat7于2003年5月31日后無法獲取合格的數據，因此本次調查采用2006年9月5日獲取的124/41景LandSat5 TM數據，其熱紅外波段為120 m，可見光、近紅外的空間分辨率為30 m，更適宜分析研究城市熱環境的細部特征，有利于研究熱島的空間分布。城市綠化解譯采用2006年7月的Quick Bird數據，其分辨率達0.61 m，完全能滿足城市綠化現狀解譯要求。

3 研究方法

3.1 數據處理

遙感數據的具體處理過程如下:

(1)輻射校正:根據124/41景影像頭文件提供的波段增益參數，采用式(1)對TM6進行入瞳輻照度還原(或還原地面反射P輻射量)和大氣校正。

(2)數據配準:因為熱紅外波段數據地理信息相對較弱，應用ENVI軟件對124/41景熱紅外波段數據與高分辨率可見光波段數據進行校正，達到地理信息的一致性。經校正后生成了熱紅外6波段圖像，可與高分辨率可見光波段數據匹配、融合，融合后的圖像具有參照地理信息，可用于校正選點。

(3)數據校正:采用實測控制點，對Quick Bird數據進行校正。采用1∶5萬DRG對124/41景熱紅外波段數據與進行校正，達到幾何位置的一致性。

(4)密度分割:因遙感探測到的是城市下墊面地物的輻射溫度，表現為熱紅外波段的灰度值，這種輻射溫度與氣溫具有很好的相關性，可近似反映城市地表溫度。對經校正后的熱紅外波段值進行統計分析，分10個等級進行密度分割。

3.2 地表亮度溫度

TM/ETM＋的熱紅外波段接收的是與地表溫度高低相對應的熱紅外輻射強度。由于地表比輻射率與地表溫度的耦合性、大氣下行輻射效應(環境輻照度)以及陸面上方氣溶膠的局地變化、比輻射率方向性及非同溫混合像元的普遍存在，使得準確反演地表真實溫度較復雜。而城市熱島研究大多注重的是溫度相對強弱的空間分布特點，且城市下墊面輻射溫度與低空(1.5 m)氣溫呈現顯著線性關系，因此可以用地面輻射溫度(亮度溫度)來研究城市熱島效應[11～13]。加之城市區域范圍有限，可認為區域水汽狀況一致，在晴空無云狀態下，可直接用亮溫表征城市熱場的空間相對分布。研究表明[13]，利用TM熱紅外亮溫計算模式，可得到TM6圖像數值和下墊面像元亮度溫度定量關系:

其中，L為下墊面輻射值(mw·cm－2·sr－1· μm－1)，G為增益系數(w·cm－2·sr－1·μm－1)，DN為TM6的像元量化灰度級別，B為偏移系數(w·cm－2· sr－1·μm－1)。然后，采用普朗克函數計算星上亮度溫度

其中，T為亮溫(℃)；K1＝1260.56(K)；K2＝60.766(mw·cm－2·sr－1·μm－1)，亮度溫度反演結果如圖1所示。

3.3 綠化覆蓋率

綠化覆蓋率是城市綠化種植中的喬木、灌木、草坪等所有植被的垂直投影面積占城市總面積的百分比。計算公式:城市綠化覆蓋率(%)＝(城市內全部綠化種植垂直投影面積÷城市總面積)×100%。利用面向對象分類軟件eCognition進行解譯，解譯結果如圖2所示。

圖1 婁底市區亮度溫度反演圖

4 數據分析

4.1 亮度溫度

對亮溫反演結果進行統計分析，結果顯示:城區亮度溫度分布較集中，最高溫度為30.78℃，低溫中心主要分布在公園、水域等水體和植被覆蓋密集區，如珠山森林公園、婁星廣場、石馬公園等地；郊區最低溫度為25.27℃。低溫中心主要分布在永光洲、城區東南的山區等地。

婁底市區亮溫反演圖表明，婁底市城區(圖1中黑線為城區范圍線)整體溫度明顯比周邊偏高，呈現高溫區。城區內溫度水平梯度小，不到1℃，城區邊緣氣溫水平梯度大，約為2℃。婁底市城區是一個由眾多熱島組成的大熱島，強熱島和二級熱島占整個城區面積的三分之二以上。中心城區范圍內熱島分布更加普遍，除幾個大型公園周圍呈現較低溫區以外，其他地區均為二級熱島以上區域。經統計，婁底市內有大小強熱島區域81個，面積達327.88 km2，占城區總面積的10%。其中面積大于10 km2的強熱島區域有:華達機械總廠區域(26.28 km2)，漣鋼電爐分廠(23.56 km2)，城區西南市食品廠、市皮革廠、外貿局汽車隊區域(23.47 km2)，漣鋼鋼渣堆放場(20.51 km2)，火車站內車站軌道區域(14.73 km2)，市一中操場及其西側單位(16.58 km2)，熱軋薄板廠西邊工廠(11.02 km2)，熱軋薄板廠南邊工廠(10.46 km2)等8處；面積小于10 km2的強熱島區域有73處。

經過分析可以看出，婁底市熱島中心并不在市中心，而是分布于漣鋼廠區、中心城區西南以及城區鐵路沿線，呈現出多中心分布特征。

4.2 城市綠化覆蓋率

婁底市城區總面積為32.32 km2，各類綠化覆蓋面積之和為11.59 km2，計算得婁底市的城市綠化覆蓋率為35.85%。從圖2可以看出，漣鋼集團內各廠區，火車站站臺，城區西南食品廠、皮革廠、外貿局區域等地，綠化覆蓋率較低。各大公園及城區邊緣綠化覆蓋率較高。通過婁底市區綠化現狀圖與亮度溫度的對比分析，可以進一步研究城市內部植被覆蓋與亮度溫度之間的關系，即隨著綠化覆蓋率的降低，亮度溫度逐漸增高。這是由于城市中綠地改變了下墊面的性質，從而影響地表的熱量平衡狀況，綠地因反射和吸收部分太陽輻射，使得地表所得凈輻射減少，而所得凈輻射又有大部分用于植物蒸騰耗熱和在光合作用中轉化為化學能，使增加環境溫度的熱量大大減少。大面積綠地光合作用，吸收空氣中的二氧化碳，可削弱城市溫室效應，進一步緩解熱島效應。可見，提高城市綠化率對緩解城市熱島效應是有利的。

圖2 婁底市區綠化現狀解譯圖

4.3 亮溫值與綠化覆蓋率相關關系

為了研究亮溫值與綠化覆蓋率相關關系，需將亮溫值轉化為服從正態分布的亮溫偏移值，一定程度上消除了部分大氣及幾何參數的影響，轉化公式為:

其中:i為像元序號，Zi為轉換后的亮溫偏移值為市區內像元亮溫的平均值，σ為市區像元亮溫的標準差。

圖3為綠化覆蓋率與亮溫偏移值的散點圖，圖中為植被覆蓋率與亮溫偏移值的數據。通過線性擬合后得出，城區內的亮溫偏移值與植被覆蓋率之間的相關系數為－0.9，二者呈較強負相關，說明植被覆蓋率的增加可以明顯減緩城市熱島效應。

圖3 植被覆蓋率與亮溫偏移值的散點圖

由此可見，下墊面的亮溫分布總體上表現出與地面覆蓋類型很強的相關性。具有水泥等結構的城鎮用地亮溫較高，而植被覆蓋率較高的水田和林地以及各類坑塘等介質的亮溫低于城鎮，亮溫最低的介質是較深的水體。陳峰、解修平等一些學者對北京、上海、西安等城市的熱島效應進行研究時也得出過類似結論[8，9，13，14]。

5 討 論

城市熱島效應危害很大。熱島現象可加劇大氣污染，同時，可能造成一些地質災害，另外，酷熱的天氣給人們生活和健康造成嚴重的影響。通過婁底市區綠化現狀解譯圖與城市熱島分布圖的對比分析，認為城市綠化、水面是削減城市熱島效應的有效因素。通過增加城市綠地，改善城市下墊面的熱特性，是消減城市熱島效應有效和切實可行的途徑。

(1)加強城市綠化，提高城市綠化的總體水平，是削減城市熱島效應的關鍵措施。研究表明，綠化覆蓋率與熱島強度成反比，綠化覆蓋率越高，則熱島強度越低。當覆蓋率達到一定程度后，綠地對熱島有較明顯的削弱作用，且達到在其中生活舒適度令人滿意的程度，如石馬公園、春園公園、青山公園、月琴公園、珠山公園、婁星廣場等公園，綠化覆蓋率高達70%以上，整個地域消除了熱島現象。由于綠地對熱島有明顯的削弱作用，區域內無大范圍的熱島。而城區內市食品廠、市皮革制品廠等單位，漣鋼集團內各工廠廠區，以及火車站等單位，綠化植物少，熱量集聚，形成高強熱島區。

(2)合理增加城市水面，水面不僅能夠有效地緩解城市內的熱島效應，而且也是城市生態系統的重要組成部分。漣水流域及婁星廣場內的水體地表溫度明顯低于城市用地地表溫度。在500 m×500 m尺度下，水面積比例與地表溫度成線性負相關關系，水面積比例越高，降溫越明顯[8]。根據婁底市的自然條件和城市特點，在有條件的地區，利用天然水逐步增加水體面積，對于建設生態完善、環境優美的城市空間，具有積極的意義。

(3)建立規模化的集中綠地，減低熱島的影響。綠化覆蓋率達到一定程度后，綠地因蒸騰作用散失的熱量高于所得到的太陽輻射能，溫度降低，空氣冷卻收縮下沉，地面氣壓升高，氣流從綠地吹向非綠地，形成局部環流，在地面導致綠地的“可透性現象”，客觀上起到了降低周圍環境氣溫的作用。研究表明[3]，規模大于3 km2而且綠化覆蓋率達到60%以上的集中綠地，其內部的熱輻射強度有明顯的降低，基本上與郊區的熱輻射強度相當，即可以形成城市中心綠地為中心的低溫區域。在當前整個城市普遍高溫，熱島效應嚴重的情況下，這些低溫區域，可以為城市居民提供可貴的戶外活動場所。珠山公園以及其周邊的大片綠地，使得該區域內無城市熱島出現。城市中心區中市林業局等單位內有大范圍綠地，呈現低溫區域。

(4)采用合理的綠化結構，提高單位面積綠地削減熱島的效益。喬灌草復層種植結構的綠地降溫效果最好，其次為喬草型和灌草型綠地，草坪型綠地最低。市一中操場，綠化較好，也較美觀，但其綠化植物結構全部為草坪，所以降溫效果不好，圖像上呈現部分強熱島區。又如，市廣電中心，其綠地占單位總面積的比例達到30%以上，但全部為草坪，在熱島效應分布影像圖上呈現二級熱島區。合理布置綠化結構，才能達到削減熱島效應的目的。

6 結 語

本文采用遙感方法研究城市熱島效應，定量反演婁底市亮度溫度，解譯了城市綠化覆蓋現狀，分析了二者之間的關系，得到如下結論:

(1)城區亮度溫度分布較集中，主要分布在舊城區，最高溫度為30.78℃，比郊區最低溫高5.51℃。緩解舊城區的熱島效應，是目前的當務之急。

(2)婁底市亮溫偏移值與植被覆蓋率呈明顯負相關，相關系數為－0.9，因此，通過提高城市綠化率等方法可以在一定程度上緩解城市熱島效應，減少城市熱島效應所帶來的危害。

(3)城市綠地系統的規劃應根據婁底城市熱場分布的特點，從可持續發展的戰略出發，合理布局集中綠地、建立生態廊道、增加水面等，有重點、有針對性地進行綠地建設，轉變城市綠化工作“見縫插綠”的局面，實現“規劃建綠”。建立完善的城市綠地系統是改善城市熱環境的根本保證。

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Urban Thermal Island Analysis by Remote Sensing Images

Xu ZhaoJun1，Hu Juan2
(1.Remote Sensing Center of Hunan Province，Changsha 410007，China；2.Hunan Planning Institute of Land and Resources，Changesha 410007，China)

Taking Loudi as an example，based on LandSat5 TM image data，quantitative inversion of the city's brightness temperature，based on Quick Bird data，interpretation of the status quo of urban greening.By analyzing the relationship between brightness temperature and green coverage，study the Urban Thermal Island effect.The layout of urban greening are discussed.Studies have shown that:Urban Thermal Island effect significant Thermal Island centers are mainly located in the old city.The maximum temperature reached 30.78℃，higher than the rural minimum temperature 5. 51℃.Priority is to alleviate the Thermal Island effect the old city.The district brightness temperature deviation mean value was positively correlated with the vegetation cover ratio and the correlation coefficient is－0.9，by improving the urban greening and other methods can effectively alleviate the Urban Thermal Island effect，reduce the Urban Thermal Island effect caused harm.Loudi urban green space system should be based on the characteristics of urban thermal field distribution to carry out a focused，targeted planning.To improve the environment of the urban heat the fundamental guarantee is the establishment of a sound urban green space system.

Urban Thermal Island；Lightness Temperature；Green Coverage；Green Space System Planning；Loudi City

1672－8262(2010)06－71－05

P237

A

2010—03—16

許兆軍(1978—)，男，工程師，研究方向:國土資源遙感、環境遙感。

湖南省建設廳“園林城市遙感調查示范研究項目”(2007－10)