城市熱島的遙感監測方法及應用

趙劍橋

摘 要 隨著城市規模的迅速擴大，城市熱島效應愈發明顯。遙感技術提供的大范圍地表溫度空間變化信息，非常適用于分析不同空間分辨率下的城市熱場空間分布特征。城市熱島的遙感監測方法主要有基于溫度、基于植被指數、基于熱力景觀的方法。利用遙感技術監測城市熱島效應，目前比較側重熱島范圍與強度的監測，而對于緩解城市熱島的方法和途徑的研究還比較薄弱，應當利用遙感資料與技術對此加強研究。

關鍵詞 城市熱島；地表溫度；地面亮溫；植被指數；熱力景觀

中圖分類號：X16；X87 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.09.072

城市熱島是指城市中的氣溫明顯高于外圍郊區的現象，是城市發展最顯著的特征之一[1]。對于城市熱島出現的原因，很多研究者認為與下墊面性質結構、植被覆蓋情況、天氣、地形、社會經濟等密切相關。隨著城市化的發展，城市熱島強度及規模日益加劇[2]，城市熱島效應產生的危害很大，熱島中心區域呈上升氣流，附近的廢氣、污染物進入城區加重污染，嚴重影響居民健康。

一般來說城市熱島研究有兩條途徑：1）通過固定氣象站點的觀測數據，對城市中具體站點進行時序觀測或對多個城鄉站點進行對比觀測，分析城鄉的地表溫度差異；2）利用衛星遙感獲取的地表熱場分布數據對比分析城鄉的地表溫度差異。早期城市熱島研究主要運用站點的觀測數據，但由于觀測站點的分布較為稀疏，有一定的局限性，影響了對于城市熱場空間分布特征的客觀分析。因此，現在依賴傳統定點觀測的城市熱島研究越來越少。通過遙感手段獲取的觀測資料具有覆蓋范圍廣、時間同步性好的特點，其提供的大范圍地表溫度空間變化信息，非常適用于分析不同空間分辨率下的城市熱場空間分布特征。

1 基于溫度的監測方法

根據處理溫度方法的不同，可分為基于地表溫度與基于地面亮溫兩類方法[3]。

1.1 基于地表溫度的監測方法

城市熱島效應與下墊面性質結構關系密切，但由于下墊面的復雜性以及實時探空數據獲取的不易，使得地表溫度的精確反演存在一定難度，因此這一方法大多是通過簡化方法獲取大氣參數、地表比輻射率等求取地表溫度。陳健等基于MODIS和ASTER影像數據，以劈窗算法反演地表溫度，利用分類結果和歸一化植被指數（NDVI）等，定量分析滄州地區的城市熱環境。研究表明，市區為高溫中心，建筑物密集地、郊區人類活動頻繁地帶溫度較高，農村用地和荒地也出現了明顯的局部熱中心[4]。楊沈斌等基于Landsat TM/ETM+影像的數據，通過反演地表溫度計算城市熱島強度，研究北京城市熱島季節特征，結果顯示北京城市熱島季節變化特征明顯，與總云量季節變化關系顯著。夏季出現最大熱島強度，空間分布特征表現為片狀發散與零星熱島并存；冬季表現為冷島特征，其空間分布與夏季熱島一致；春季與秋季的熱島強度最小，不過春季的熱島空間差異較大[5]。

1.2 基于地面亮溫的監測方法

地面亮溫是傳感器在衛星高度上能夠觀測到的熱輻射強度，也稱地表輻射溫度。在城市區域范圍有限的前提下，基于地面亮溫的城市熱島研究一般假設研究區的大氣條件接近理想，水汽狀況近似一致，可以忽略大氣對輻射亮溫的影響[6]。劉恩勤等利用Landsat7 ETM+遙感數據，利用亮溫代替實際地面溫度來表征城市熱場的方法，通過地物熱紅外波段輻射值反演研究城市熱島效應，結果顯示研究區熱島效應明顯，熱場分布有明顯的規律性[7]。

雖然利用地面亮溫數據進行城市熱島研究的成果較多，但地面亮溫并不是地表真實溫度，實際上兩者相差很大，用地面亮溫研究城市熱島效應，只能相對表達熱島的分布狀況，其結果并不是對城市熱島強度的真實反映，所以基于地面亮溫的監測方法存在一定的局限性。

2 基于植被指數的監測方法

植被指數是表征地表植被信息的重要指標，作為反映城市綠地覆蓋狀況的最重要信息源，廣泛應用于對植被覆蓋及其活力的評價。其中，NDVI反映對植被比較敏感的近紅外和可見光波段反射光譜的信息，較多地應用于植被分布狀況研究中。王艷姣等基于植被指數的北京城市熱島變化研究表明，北京夏季郊區NDVI的增加對郊區地表溫度的調節作用非常顯著[8]。唐曦等在上海城市熱島效應與植被關系的研究中，基于遙感數據對不同下墊面結構的亮溫和NDVI進行線性回歸比對分析，研究表明植被與下墊面溫度的負相關程度夏季較春季高，夏季植被對溫度的影響更明顯，即夏季植被對降低下墊面溫度效果非常顯著[9]。邊倩倩等基于ETM+遙感影像的城市熱島效應與植被覆蓋關系研究表明，研究區溫度的分布（中心高、邊緣低）與植被覆蓋程度（中心低、邊緣高）相反[10]。

基于植被指數研究城市熱島也存在一定局限性：1）冬季綠色植被很少的地區，無法保證結果的準確性；2）干旱地區無法適用這個方法；3）對于海拔也有一定要求，如果高程差超過500 m，則研究結果難以符合實際[11]。

3 基于熱力景觀的監測方法

景觀生態學的興起與發展，使基于熱力景觀的監測方法成為城市熱島研究的新方法。這種方法應用GIS和遙感技術，從景觀生態學角度研究城市熱島，建構城市熱島空間格局與評價體系。

黃聚聰等借鑒景觀生態學的方法計算景觀指數，利用Landsat ETM+影像數據反演地表溫度，使用景觀格局指數分析廈門城市熱島的季節變化特征。其所選取的景觀指數包括類型面積、斑塊數量、平均斑塊面積、最大斑塊指數、平均鄰近指數、面積加權形狀指數、連通性指數、聚合度。這些指數從數量特征、形態特征、結構特征三個方面表征廈門城市熱島空間格局特征及季節變化，研究表明：廈門城市熱島在夏季最強，春秋次之，冬季最弱[12]。唐澤等基于Landsat ETM+影像數據，以單窗算法反演長春市夏季地表溫度，以線性光譜混合模型獲取長春市不透水面蓋度和植被覆蓋率，構建熱力景觀動態度指數，分析城市熱力景觀格局的時空變化特征，研究表明，近10年來，長春市高溫區域向郊區擴展，熱力景觀整體呈現破碎化[13]。

相關研究表明，基于熱力景觀的監測方法能夠比較快捷地獲得空間范圍內的地溫、土地利用類型和植被指數等，但是其在時間連續性上還存在局限性。

4 結語

遙感技術的優勢使其成為監測城市熱島效應不可或缺的重要手段，但目前利用遙感技術監測城市熱島比較側重熱島范圍與強度的監測，而對于緩解城市熱島的方法和途徑的研究還比較薄弱，建議今后利用遙感資料與技術對此加強研究。

參考文獻：

[1] 喬治，田光進.基于MODIS的2001年—2012年北京熱島足跡及容量動態監測[J].遙感學報，2015，19（3）：476-484.

[2] 易佳，田永中，高陽華，等.基于RS的山地城市熱島效應及其與土地覆被變化關系研究——以重慶市主城區為例[J].云南師范大學學報（自然科學版），2008，28（6）：64-69.

[3] 王榮華.京津冀都市圈植被覆蓋和城市熱島時空變化特征分析[D].北京：首都師范大學，2008.

[4] 陳健，楊旭媛.基于ASTER數據的城市熱環境遙感監測研究[J].國土資源遙感，2011（3）：100-105.

[5] 楊沈斌，趙小艷，申雙和，等.基于Landsat TM/ETM+數據的北京城市熱島季節特征研究[J].大氣科學學報，2010，33（4）：427-435.

[6] 周甜甜，廉麗姝，紀曉璐.遙感技術在城市熱島研究中的應用進展[J].魯東大學學報（自然科學版），2016，32（4）：379-384.

[7] 劉恩勤，楊武年，陳寧.基于遙感技術的城市熱島效應研究——以成都地區為例[J].四川地質學報，2009，29（4）：484-487.

[8] 王艷姣，閆峰，張培群，等.基于植被指數和地表反照率影響的北京城市熱島變化[J].環境科學研究，2009，22（2）：215-220.

[9] 唐曦，束炯，樂群.基于遙感的上海城市熱島效應與植被的關系研究[J].華東師范大學學報（自然科學版），2008（1）：100-105.

[10] 邊倩倩，梁立恒，馬友利.基于ETM+遙感影像的城市熱島效應與植被覆蓋關系研究——以長春市為例[J].黑龍江科技信息，2016（32）：165.

[11] 胡華浪，陳云浩，宮阿都.城市熱島的遙感研究進展[J].國土資源遙感，2005（3）：5-9.

[12] 黃聚聰，趙小鋒，唐立娜，等.城市熱力景觀格局季節變化特征分析及其應用[J].生態環境學報，2011，20（2）：304-310.

[13] 唐澤，鄭海峰，任志彬，等.城市地表熱力景觀格局時空演變——以長春市為例[J].生態學報，2017，37（10）：3264-3273.

（責任編輯：劉昀）