基于定量遙感的湘潭市城區(qū)熱島時(shí)空格局分析

田鑫，鐘玉林，李儒

(1.湘潭市勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南 湘潭 411100； 2.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100094)

基于定量遙感的湘潭市城區(qū)熱島時(shí)空格局分析

田鑫1*，鐘玉林1，李儒2

(1.湘潭市勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南 湘潭 411100； 2.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100094)

利用2013年～2014年5個(gè)時(shí)相Landsat 8 OLI和TIRS數(shù)據(jù)，反演了夏季全程和冬季地表溫度，反演結(jié)果絕大部分值在歷史數(shù)據(jù)最高溫度(日間)附近，反演結(jié)果具有一定的表征力；計(jì)算了反演區(qū)的熱島強(qiáng)度，分析了夏季湘潭城區(qū)地表溫度的空間分布與隨時(shí)間的變化情況，結(jié)果顯示城市熱效應(yīng)空間分布格局不同時(shí)相表現(xiàn)出類(lèi)似的模式，發(fā)現(xiàn)城市在夏季地表溫度呈現(xiàn)“南高北低”和高溫區(qū)沿湘江分布的情況；原先夏季高溫區(qū)在冬季出了低溫，表現(xiàn)出夏熱冬冷的現(xiàn)象，這一定程度說(shuō)明地表熱效應(yīng)對(duì)地表類(lèi)型反應(yīng)靈敏。同時(shí)分析植被指數(shù)、城市建筑物指數(shù)與城市地表溫度等間關(guān)系，結(jié)果顯示城市綠化對(duì)城市地表溫度降低的確有一定的作用，地表溫度對(duì)城市建筑物密集區(qū)敏感。這一成果對(duì)地方城市規(guī)劃建設(shè)具有現(xiàn)實(shí)意義和借鑒價(jià)值。

熱紅外遙感；地表溫度；熱島時(shí)空格局

1 引 言

我國(guó)城市熱島問(wèn)題嚴(yán)重，受到較多的關(guān)注[1]。湘潭地處我國(guó)夏季高溫區(qū)，城市熱島問(wèn)題尤為突出，急待城市管理者解決。湘潭市是我國(guó)中部長(zhǎng)株潭一體化區(qū)域規(guī)劃中的核心城市之一，自“十八大”以來(lái)，隨著一體化規(guī)劃的落實(shí)與新城鎮(zhèn)化推進(jìn)，舊城改造與新城區(qū)建設(shè)同步迅速展開(kāi)，城市地表覆蓋類(lèi)型發(fā)生大范圍變化，導(dǎo)致地表下墊面長(zhǎng)波輻射顯著變化，產(chǎn)生了嚴(yán)重的城市熱島問(wèn)題。針對(duì)湘潭市城區(qū)的熱島效應(yīng)開(kāi)展研究對(duì)城市建設(shè)具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義，與建設(shè)“兩型社會(huì)”的目標(biāo)也保持一致。

針對(duì)我國(guó)城市熱島效應(yīng)和熱動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的研究較多，鄔丹等基于RS與GIS開(kāi)展了長(zhǎng)沙市城市熱島影響因子分析和熱島時(shí)空效應(yīng)分析[2]。張桂華等開(kāi)展了北京城市及周邊熱島日變化及季節(jié)特征的衛(wèi)星遙感研究與影響因子分析[3]；蘇偉忠等開(kāi)展了南京市熱場(chǎng)分布特征及其土地利用/覆被關(guān)系研究[4]；吳志剛等以武漢市為例，開(kāi)展了基于Landsat 8數(shù)據(jù)的地表溫度反演及分析研究[5]。厲華等應(yīng)用MODIS數(shù)據(jù)開(kāi)展了長(zhǎng)株潭地區(qū)地表溫度與地表覆蓋類(lèi)型以及熱島時(shí)空分析研究，但該研究成果空間分辨率有限(1 000 m)[6]。孫華等應(yīng)TM數(shù)據(jù)開(kāi)展長(zhǎng)株潭城市群地表溫度反演，該研究重點(diǎn)關(guān)注于溫度反演，但并未涉及更多的熱島時(shí)空格局分析[7]。針對(duì)湘潭市的較高時(shí)間、空間分辨率的熱島效應(yīng)以及熱空間動(dòng)態(tài)研究處于空白狀態(tài)，開(kāi)展湘潭市的熱島效應(yīng)以及熱空間動(dòng)態(tài)研究迫在眉睫，對(duì)城市規(guī)劃與建設(shè)具有現(xiàn)實(shí)意義。

城市熱島研究多使用熱紅外遙感技術(shù)快速反演地表溫度。國(guó)內(nèi)外學(xué)者相應(yīng)提出了多種基于遙感的溫度反演技術(shù)，主要有輻射傳導(dǎo)方程、單窗算法等[8，9]。

本文以湘潭市城區(qū)為研究區(qū)域，利用5個(gè)時(shí)相的Landsat 8遙感數(shù)據(jù)，采用輻射傳導(dǎo)方程對(duì)研究區(qū)的地表溫度進(jìn)行定量反演，通過(guò)計(jì)算熱島強(qiáng)度、歸一化的植被指數(shù)、歸一化建筑指數(shù)，統(tǒng)計(jì)城市熱島與這些下墊面(用地類(lèi)型)間的相關(guān)關(guān)系，開(kāi)展城市熱島的時(shí)空分布強(qiáng)度與格局分析研究。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)域

本研究以湘潭市中心城區(qū)(雨湖區(qū)、岳塘區(qū))為研究區(qū)(如圖1所示)。湘潭位于湖南省的中部偏東地區(qū)，地跨東經(jīng)111°58′～113°05′，北緯27°21′～28°05′。湘潭市總的地貌輪廓是北、西、南地勢(shì)高，中部、東部地勢(shì)低平，但地勢(shì)起伏較為和緩，反差強(qiáng)度不大，近 80%的面積在海拔 150 m以下。2010年城市建成區(qū)面積達(dá)到 85 km2，中心城區(qū)集中了湘潭市大部分人口和工商業(yè)單位，尤其以沿湘江兩岸形成了重要的人口聚集區(qū)。

圖1 研究區(qū)域位置示意圖(Landsat 8 OLI 9月17日-R(4)、G(3)、B(2)合成真彩色影像)

2.2 時(shí)間序列數(shù)據(jù)

本研究使用Landsat 8數(shù)據(jù)，包括多光譜與熱紅外數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)獲取條件允許的前提下，構(gòu)成了5時(shí)相時(shí)間序列以研究城市核心區(qū)一年內(nèi)的地表溫度/熱島的空間格局。時(shí)間序列數(shù)據(jù)包括：2013年6月13日、7月31日、9月17日、10月3日以及2014年1月23日。本項(xiàng)目中，使用landsat8數(shù)據(jù)的波段有：藍(lán)波段(0.450 μm～0.515 μm)、綠波段(0.525 μm～0.600 μm)、紅波段(0.630 μm～0.680 μm)、近紅波段(0.845 μm～0.885 μm)、中紅外波段(2.100 μm～2.300 μm)和熱紅外波段(10.6 μm～11.2 μm)，其中熱紅外波段空間分辨率 100 m，其他波段為 30 m。

由于研究區(qū)域集中在一景影像內(nèi)，因此無(wú)須影像鑲嵌操作。研究中所選用的這些數(shù)據(jù)云覆蓋量小于10%，數(shù)據(jù)時(shí)相分別具有良好的代表性。數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院遙感地球所數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站和美國(guó)NASA，數(shù)據(jù)軌道號(hào)分別為(123，41)。數(shù)據(jù)已經(jīng)系統(tǒng)輻射校正和幾何精校正，幾何校正精度小于0.5像元(15 m)。根據(jù)以往研究，該數(shù)據(jù)除熱紅外波段數(shù)據(jù)需要進(jìn)行輻射定標(biāo)外，其他數(shù)據(jù)可直接用于反演。熱紅外波段的輻射定標(biāo)工作在ENVI5.1環(huán)境中Radiometric Correction->Radiometric Calibration模塊中完成。

3 研究方法

3.1 遙感溫度反演

本研究使用輻射傳導(dǎo)方程發(fā)進(jìn)行地表溫度反演[9]。該方法目前比較成熟，反演精度較高，是主流方法之一。

依據(jù)輻射傳輸方程，可推導(dǎo)出溫度為T(mén)的黑體在熱紅外波段的輻射亮度B(TS)為：

B(TS)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε

(1)

則依據(jù)普朗克公式，TS為：

TS=K2/ln[K1/B(TS)+1]

(2)

ε為地表比輻射率，TS為地表真實(shí)溫度(K)，B(TS)為黑體熱輻射亮度，τ為大氣在熱紅外波段的透過(guò)率，L↑，L↓分別為大氣上行、下行輻射亮度。對(duì)于Landsat8熱紅外波段(波段10)，K1=774.89W/(m2*μm*sr)，K2=1321.08K(在遙感數(shù)據(jù)頭文件中可查詢(xún))。

因而完成地表溫度TS計(jì)算需要獲取大氣剖面參數(shù)(L↑，L↓及τ)和地表比輻射率(ε)。大氣剖面參數(shù)可在NASA提供的網(wǎng)站(http：//atmcorr.gsfc.nasa.gov/)中，輸入成影時(shí)間以及中心經(jīng)緯度可以獲取。

地表比輻射率可使用NDVI閾值法計(jì)算。為了得到更精確的地表比輻射率數(shù)據(jù)，本文使用覃志豪等提出的先將地表分成水體、自然表面和城鎮(zhèn)區(qū)，分別針對(duì)三種地表類(lèi)型計(jì)算地表比輻射率[10]：

水體像元比輻射率：0.995

自然表面像元比輻射率：

εsurface=0.9625+0.0614Pv-0.0461Pv2

(3)

城鎮(zhèn)區(qū)像元比輻射率：

εbuilding=0.9589+0.086Pv-0.0671Pv2

(4)

上式中，Pv為植被蓋度：

Pv=[(NDVI-NDVISoil)/(NDVIVeg-NDVISoil)]

(5)

取經(jīng)驗(yàn)值NDVIVeg=0.70和NDVISoil= 0.05，即當(dāng)某個(gè)像元的NDVI大于0.70時(shí)，Pv取值為1；當(dāng)NDVI小于0.05，Pv取值為0。

3.2 熱島強(qiáng)度

為了進(jìn)行不同時(shí)相間城市熱島情況對(duì)比分析，將該時(shí)相內(nèi)地表溫度進(jìn)行歸一化處理，形成熱島強(qiáng)度指數(shù)(Heat Island Intensity Index，HIII)[11]。之后可將HIII按照一定標(biāo)準(zhǔn)，劃分熱島強(qiáng)度等級(jí)，HIII其表達(dá)式為：

HIII=(Ti-Tmin)/(Tmin+max)

(6)

3.3 歸一化指數(shù)計(jì)算

地表土地覆蓋類(lèi)型與地表溫度密切相關(guān)，研究?jī)烧哧P(guān)系有利于弄清城市熱島形成的機(jī)制和空間格局關(guān)系[12]。因而，本文也計(jì)算了兩類(lèi)歸一化的遙感指數(shù)，用以指示不同地表覆蓋類(lèi)型。

(1)歸一化的植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index，NDVI)該指數(shù)能夠較好反映出地表植被覆蓋和生長(zhǎng)狀況[13]，表達(dá)式為：

NDVI=(ρNIR-ρR)/(ρNIR+ρR)

(7)

式中ρNIR和ρR分別為近紅外和紅光波段反射率。

(2)歸一化建筑指數(shù)(Normalized difference build-up index，NDBI)，該指數(shù)對(duì)城鎮(zhèn)建筑覆蓋去就有較好的專(zhuān)題識(shí)別能力，可作為建筑覆蓋區(qū)的指示指標(biāo)[14]，其表達(dá)式為：

NDBI=(ρMIR-ρNIR)/(ρNIR+ρMIR)

(8)

式中ρNIR和ρMIR分別為近紅外和中紅外波段反射率。

3.4 反演結(jié)果與制圖說(shuō)明

本研究中所用的地表溫度、熱島強(qiáng)度以及遙感指數(shù)都是在ENVI5.1軟件環(huán)境中完成。由于遙感影像本身因素影響，直接反演或計(jì)算結(jié)果中存在一些異常點(diǎn)(極端大或極端小)，如選用全部數(shù)值制圖造成分類(lèi)區(qū)間過(guò)多，將這些點(diǎn)排除在外，將結(jié)果值限定在一定范圍，不影響制圖效果。在制圖時(shí)，考慮圖面效果，擴(kuò)大取值范圍(具體取值范圍見(jiàn)表1)，該取值集中了99%以上的有效反演值(去除占總反演值數(shù)量0.015%以下的極端值)。

制圖取值范圍與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) 表1

由于地面同步數(shù)據(jù)缺乏，因此使用歷史天氣數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于天氣預(yù)報(bào)網(wǎng)(http：//www.tianqihoubao.com/)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，反演結(jié)果中，各時(shí)相76%以上的反演結(jié)果集中在歷史氣溫±5℃范圍內(nèi)(具體比例見(jiàn)表1)，考慮遙感影像獲取方式及時(shí)間(北京時(shí)間當(dāng)日11時(shí)前后)與歷史數(shù)據(jù)采集間的正常差異，反演結(jié)果在一定精度范圍內(nèi)，具有表征力。雖然由于缺乏地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，未能對(duì)反演溫度做出精度評(píng)定，但考慮到反演實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)情況，該反演溫度及相互間差異用于相對(duì)量上的參考和定性分析仍然具有意義。

4 結(jié)果與分析

4.1 不同時(shí)相間地表溫度空間格局

本項(xiàng)目使用2013年6月～10月4時(shí)相遙感數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)反映了湘潭地區(qū)夏季熱-最熱階段間的地表地物的光譜綜合狀況。6月，湘潭地區(qū)初步進(jìn)入夏季，氣溫開(kāi)始快速上升。從6月13日反演結(jié)果看，地表溫度主要集中在30℃～40℃之間。在城區(qū)中湘江的兩側(cè)存在一定面積超過(guò)40℃的地區(qū)，尤其在湘江的東南側(cè)地區(qū)，部分地區(qū)地表溫度達(dá)到了45℃以上，6月13日的地表溫度極高處就集中在該區(qū)域內(nèi)，達(dá)到50℃以上。該區(qū)域也是湘潭的中心城區(qū)和工廠區(qū)，與之形成對(duì)比的是城北地區(qū)，地表溫度主要集中在30℃～35℃之間，零星出現(xiàn)40℃～45℃區(qū)域，該高溫區(qū)域主要是建筑聚集區(qū)。7月31日反演結(jié)果顯示，40℃以上高溫區(qū)域面積迅速擴(kuò)大，并連接成片，在該片區(qū)內(nèi)，又有近一半以上區(qū)域溫度達(dá)到45℃～50℃，原先(6月13日)個(gè)別極高溫點(diǎn)連成了極高溫片，城市高溫問(wèn)題已經(jīng)非常嚴(yán)重。此時(shí)，城北地區(qū)雖然地表溫度較城南相對(duì)較低(低約5℃～10℃)，但依然高達(dá)35℃以上，并有40℃以上高溫區(qū)穿插分布。9月17日反演結(jié)果顯示，大面積高溫區(qū)域(40℃以上)面積大幅減小區(qū)域出現(xiàn)了不連續(xù)的星狀分布，自北向南，分散在城市中，但是高溫區(qū)域相對(duì)聚集去還是在城市的南部湘江拐彎處兩側(cè)。與7月比，城市核心區(qū)(城市南部)地表溫度下降非常明顯，但城北地區(qū)溫度相對(duì)保持穩(wěn)定。在10月3日，城區(qū)地表溫度下降迅速，城市地表溫度下降到了25℃～40℃之間，城市內(nèi)大部分地區(qū)地表溫度在20℃～25℃之間，原先的高溫地區(qū)溫度在25℃～30℃，在該區(qū)域內(nèi)的極高溫區(qū)溫度也不超過(guò)40℃。極高溫區(qū)與其他月份相比，有向東南移動(dòng)的趨勢(shì)。

圖2 4時(shí)相湘潭市城區(qū)遙感反演地表溫度

從4個(gè)時(shí)相的地表溫度反演結(jié)果看，如圖2所示，整個(gè)湘潭城區(qū)地表溫度空間分布具有一定的規(guī)律性，呈現(xiàn)“北低南高”的現(xiàn)象，南北區(qū)域地表溫度相差5℃以上，最大可達(dá)15℃。城市高溫區(qū)同時(shí)呈現(xiàn)沿江高溫與城南高溫區(qū)并存的情況。沿著湘江，自北而下兩岸附近地表溫度多高于同緯度城市其他位置，時(shí)常出現(xiàn)低溫區(qū)內(nèi)的高溫點(diǎn)(面)。而城南高溫區(qū)表現(xiàn)出了穩(wěn)定的狀態(tài)，在不同季節(jié)高溫區(qū)有所不同，但高溫區(qū)位置(包含極高溫區(qū))保持了相對(duì)不變。通過(guò)地面實(shí)地調(diào)查以及真彩色影像分析，發(fā)現(xiàn)這些現(xiàn)象與城市地表覆蓋類(lèi)型有明顯的關(guān)系。湘潭地區(qū)夏季地表溫度自6月開(kāi)始逐漸攀升，經(jīng)過(guò)7月達(dá)到較高值，到9月即開(kāi)始逐漸下降，到10月初極熱情況有效緩解。

4.2 不同時(shí)相間熱島強(qiáng)度空間格局

地表溫度反映了地面溫度的絕對(duì)值，依據(jù)公式(3)劃分熱島強(qiáng)度，定量的分析熱島效應(yīng)的空間分布狀況，該指標(biāo)反應(yīng)的是該區(qū)域內(nèi)部的相對(duì)情況[15]。熱島強(qiáng)度分級(jí)依據(jù)表2所列指標(biāo)進(jìn)行，共分5級(jí)。通過(guò)熱島強(qiáng)度排除冗余數(shù)據(jù)干擾，更直觀的顯示出城市的熱島強(qiáng)度和空間分布情況。

熱島強(qiáng)度等級(jí)劃分 表2

4個(gè)時(shí)相的熱島強(qiáng)度圖明顯反映出城區(qū)內(nèi)不同區(qū)域的熱島效應(yīng)空間分布狀況。城市熱島高等級(jí)區(qū)主要集中于城南湘江兩岸地區(qū)，而且極值區(qū)也出現(xiàn)相對(duì)固定的位置。城市熱島強(qiáng)度的空間分布格局表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，具體地表溫度的情況類(lèi)似。但結(jié)合地表溫度絕對(duì)值，發(fā)現(xiàn)在高溫區(qū)內(nèi)又有明顯的極高高溫區(qū)，這導(dǎo)致了7月31日、9月17日極高溫區(qū)面積減小的假象，但實(shí)際上只是該區(qū)域內(nèi)部由分裂出了更高溫度等級(jí)區(qū)，而不是區(qū)域內(nèi)地表溫度下降，這說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)隨時(shí)相變化的地表熱效應(yīng)仍然有著顯著的差異。但如果扣除一定數(shù)量等級(jí)上的差異(合并部分相近等級(jí)的差異)，城市熱效應(yīng)空間分布格局在不同時(shí)相上仍然表現(xiàn)出類(lèi)似的模式。

圖3 4時(shí)相湘潭市城區(qū)遙感熱島強(qiáng)度及空間分布

在冬季(圖4，2014年1月23日反演結(jié)果)，較夏季，地表溫度具有一定分布特點(diǎn)，即12℃～15℃與15℃～18℃空間分布交替出現(xiàn)并呈均勻分布，溫差值小，而不像上四時(shí)相(夏季)明顯出現(xiàn)大溫差、等溫范圍大面積聚集狀態(tài)。結(jié)合實(shí)地地面覆蓋類(lèi)型(圖1、6)，這一定程度上說(shuō)明，不同的地表覆蓋類(lèi)型在冬季(氣溫較低時(shí)相)，對(duì)地表溫度的影響有限。本時(shí)相的熱島強(qiáng)度結(jié)果實(shí)際上是對(duì)不同位置地表溫度之間的差異進(jìn)行了放大處理，因而在強(qiáng)度圖上表現(xiàn)處理板塊林立的效果，顯示出不同等級(jí)熱強(qiáng)度的空間分布斑駁復(fù)雜，這也反映出不同地區(qū)的地表溫度的細(xì)微差別。在冬季，城區(qū)地表溫度高值區(qū)分布位置與前四時(shí)相相似，仍然在城市南部地區(qū)(工廠區(qū)見(jiàn)圖5)出現(xiàn)。但同時(shí)，原先夏季高溫區(qū)在冬季出了低溫，表現(xiàn)出夏熱冬冷的現(xiàn)象。這一定程度說(shuō)明這些地表類(lèi)型對(duì)地表熱效應(yīng)反應(yīng)靈敏。該區(qū)域以密集的城市建筑為主。

圖4 冬季湘潭城區(qū)地表溫度及熱場(chǎng)強(qiáng)度空間格局

在夏季4個(gè)時(shí)相反演結(jié)果中，城區(qū)高溫區(qū)都集中在湘潭城區(qū)南靠近湘江處，該處也集中了地表溫度極值區(qū)。在冬季，該區(qū)域也表現(xiàn)地表溫度高于其他區(qū)域的現(xiàn)象，溫度極值區(qū)也與前4時(shí)相中位置重合。通過(guò)實(shí)地調(diào)查與高空間分辨率影像對(duì)比解譯，發(fā)現(xiàn)此處為雪花屋場(chǎng)、上屋場(chǎng)、麻園嶺所在地，為湘潭鋼鐵廠所在地。以7月31日反演結(jié)果為例，從Google Earth上查詢(xún)到2013年7月29日高清影像，顯示了該區(qū)域的地面覆蓋類(lèi)型，以工業(yè)廠房為主，極大值點(diǎn)如圖5所示。

圖5 2013年7月28日湘潭市區(qū)高溫區(qū)域地表覆蓋情況

4.3 地表溫度與典型地表覆蓋類(lèi)型關(guān)系

通過(guò)對(duì)4個(gè)時(shí)相地表溫度反演結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)地表溫度與地面覆蓋類(lèi)型有著明顯的關(guān)聯(lián)性，因而本研究計(jì)算了湘潭中心城區(qū)的兩類(lèi)遙感指數(shù)，從植被與地面建筑物覆蓋情況來(lái)分析地面溫度熱島強(qiáng)度與地面覆蓋類(lèi)型間的關(guān)系。

NDVI指數(shù)表征地面植被覆蓋的情況，該值越小表面地面植被覆蓋率越低，反之越高。從圖6圖上可以看出，湘潭城北區(qū)域植被覆蓋明顯高于城南地區(qū)，而且在城北地區(qū)零星分布這NDVI小值區(qū)域。結(jié)合圖2～圖4，NDVI小值區(qū)，反演出的地表溫度都相對(duì)較高，反之較低。這說(shuō)明NDVI與地表溫度密切相關(guān)，但在溫度較低或較高時(shí)，NDVI對(duì)地表溫度的影響能力下降。NDBI反映地面建筑物的覆蓋(密集)情況，該值越大，地面建筑物覆蓋越多，該值越大，地表反演溫度值越大。城市綠化對(duì)城市地表溫度降低的確有一定的作用，城市建筑物密集區(qū)對(duì)地表溫度敏感。通過(guò)這兩個(gè)指數(shù)能夠一定程度上解釋湘潭城區(qū)內(nèi)的熱空間分布情況。

圖6 湘潭城區(qū)NDVI與NDBI指數(shù)

5 結(jié) 論

本項(xiàng)目利用landsat8 OLI和TIRS數(shù)據(jù)，反演了湘潭主城區(qū)4個(gè)相近時(shí)相的地表溫度，并計(jì)算了相應(yīng)的熱島強(qiáng)度，分析了該區(qū)6月～10月地表溫度值和溫度的空間分布和演變情況，同時(shí)計(jì)算了熱島強(qiáng)度并將熱島等級(jí)劃分為5等級(jí)，分析了區(qū)域內(nèi)等級(jí)的空間分布，①發(fā)現(xiàn)湘潭城區(qū)內(nèi)夏季地表溫度自6月起開(kāi)始逐漸上升到7月達(dá)到一定的高潮，整個(gè)城區(qū)都處于高溫極高溫環(huán)境中，到9月開(kāi)始下降，至10月時(shí)城市極端高溫情況等到一定緩解；②結(jié)合地表覆蓋情況(NDVI和NDBI指數(shù))分析，發(fā)現(xiàn)城市北部地區(qū)植被覆蓋相對(duì)較高，地表溫度相對(duì)較低，但建筑物集中區(qū)出現(xiàn)高溫情況，城市地表溫度南高北低，南部地區(qū)高溫區(qū)穩(wěn)定，且高溫區(qū)內(nèi)部區(qū)域地表熱效應(yīng)仍有差異，局部地區(qū)仍然有極高溫情況；③城市熱島強(qiáng)度分析結(jié)果與地表溫度分析結(jié)果一致，尤其是對(duì)高溫區(qū)內(nèi)的極高溫現(xiàn)象反映更加明確；④對(duì)冬季湘潭城市地表溫度反演結(jié)果發(fā)現(xiàn)該城市在冬季地表溫度差異明顯縮小，地表溫度小溫度差范圍內(nèi)相對(duì)均勻交替分布，同時(shí)該結(jié)果也顯示了一些地區(qū)(地表以建筑物為主)地表溫度變化劇烈，出現(xiàn)明顯的“夏熱冬冷”現(xiàn)象。這些成果對(duì)湘潭市城市的規(guī)劃與建設(shè)，尤其是城市不同用地類(lèi)型的布局具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 喬治，田光進(jìn). 基于MODIS的2001年—2012年北京熱島足跡及容量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[J].遙感學(xué)報(bào)，2015(3)：476～484.

[2] 鄔丹，鄒凱，楊波. 基于RS與GIS的長(zhǎng)沙市城市熱島影響因子分析[J]. 地理空間信息，2015(1)：65～68.

[3] 張佳華，侯英雨，李貴才等. 北京城市及周邊熱島日變化及季節(jié)特征的衛(wèi)星遙感研究與影響因子分析[J]. 中國(guó)科學(xué)·地球科學(xué)，2005(S1)：187～194.

[4] 蘇偉忠，楊英寶，楊桂山. 南京市熱場(chǎng)分布特征及其與土地利用/覆被關(guān)系研究[J]. 地理科學(xué)，2005(6)：6697～6703.

[5] 吳志剛，江滔，樊艷磊，陳聯(lián)君. 基于Landsat8數(shù)據(jù)的地表溫度反演及分析研究——以武漢市為例[J]. 工程地球物理學(xué)報(bào)，2016(1)：135～142.

[6] 歷華，柳欽火，鄒杰. 基于MODIS數(shù)據(jù)的長(zhǎng)株潭地區(qū)NDBI和NDVI與地表溫度的關(guān)系研究[J]. 地理科學(xué)，2009(2)：262～267.

[7] 孫華，林輝，熊育久. 基于Landsat TM圖像的長(zhǎng)株潭城市群地表溫度遙感反演[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(2)：85～90.

[8] 樊輝. 基于Landsat TM熱紅外波段反演地表溫度的算法對(duì)比分析[J]. 遙感信息，2009(1)：36～40+48.

[9] 覃志豪，Arnon Karnieli. 用NOAA-AVHRR熱通道數(shù)據(jù)演算地表溫度的劈窗算法[J]. 國(guó)土資源遙感，2001(2)：33～42.

[10] 高懋芳，覃志豪，徐斌. 用MODIS數(shù)據(jù)反演地表溫度的基本參數(shù)估計(jì)方法[J]. 干旱區(qū)研究，2007(1)：113～119.

[11] 葉彩華，劉勇洪，劉偉東，劉誠(chéng)，權(quán)維俊. 城市地表熱環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)研究及應(yīng)用[J]. 氣象科技，2011(1)：95～101.

[12] 李昕瑜，杜培軍，阿里木·賽買(mǎi)提. 南京市地表參數(shù)變化與熱島效應(yīng)時(shí)空分析[J]. 國(guó)土資源遙感，2014(2)：177～183.

[13] Rouse J W，Haas R H，Schell J A et al. Monitoring Vegetation Systems in the Great Plains with ERTS[C]//NASA. Goddard Space Flight Center 3d ERTS-1 Symp，1974，1 ：309～317.

[14] Zha，Y.，Gao，J.，Ni，S.，Use of Normalized Difference Built-up Index in Automatically Mapping Urban Areas From TM Imagery，International Journal of Remote Sensing，2003，24(3)：583～594.

[15] 史超，王學(xué)平，程誠(chéng). 基于定量遙感的武漢城市熱島強(qiáng)度時(shí)空格局演變分析[J]. 測(cè)繪與空間地理信息，2014，12：113～117.

Spatio-Temporal Pattern Analysis on the Urban Heat Island of Xiangtan City

Tian Xin1，Zhong Yulin1，Li Ru2

(1.Xiangtan Geotechnical Engineering and Surveying Institute，Xiangtan 411100，China； 2.China Institute of Remote Sensing and Digital Earth，CAS，Beijing 100094，China)

Landsat 8 OLI and TIRS data，acquired in 5 date during 2013 and 2014，were used to retrieve the land surface temperature in summer and winter. The retrieval temperature close to the highest recorded one in daytime，indicated that the result was reliable. Also the heat island index was calculated to analyze the temperature pattern in different place and time. The result indicated that there was a similar mode in the spatial distribution pattern of urban heat island effect. That mode was “high in south while low in north” and the high temperature alongside the Xiangjiang River in summer，and the place where the temperature was high in summer had a low temperature in winter，which was so called the phenomenon of heat in summer while cold in winter. To some extent，this phenomenon indicated that the heat island effect was sensitive to the land cover type. At last，the relationship between the vegetation index and urban building index and the land surface temperature was analyzed and showed the urban greening played a role in reducing the urban heat island effect and the land surface temperature was sensitive to the area of dense urban building. This result is of practical significance for and reference to the urban planning and construction of local cities.

thermal infrared remote sensing；land surface temperature；spatio-temporal pattern of heat island

1672-8262(2017)03-97-07

P231.1

A

2016—10—28

田鑫(1981—)，男，工程師，注冊(cè)測(cè)繪師，碩士，主要從事城市測(cè)繪及遙感應(yīng)用研究。