南昌市熱島效應研究及分析

唐 豪，夏麗紅

（1.江西師范大學，南昌 330022；2.鄒崗中學，湖北 孝感 432917）

城市熱島效應是指當城市發展到一定規模時，由于城市下墊面的改變、大氣污染以及人工廢熱的排放等原因使城市溫度明顯高于郊區的溫度，形成類似高溫孤島的現象[1-3]。城市熱島是一種城市公害，尤其是在中緯度地區的夏季，它使原來就較高的氣溫又有所提高。城市熱島效應加劇了城市高溫出現的頻率和高溫災害，惡化了人類生存環境，容易引起一系列城市病和多發流行病[4-7]。

本文選擇南昌市作為研究區，通過使用Landsat影像數據，利用ENVI5.3，建立一系列模型進行地表溫度的反演，從而對南昌市熱島情況進行分析，以期為南昌市的生態建設提供理論建議。

1 研究區概況

南昌市地處江西中部偏北，位于贛江、撫河下游，鄱陽湖西南岸，屬于亞熱帶濕潤季風氣候，氣溫變幅大，氣候特征明顯。

本文主要研究南昌市主城區的熱島效應強度及其十年內的時空變化情況，并以東湖區、青山湖區、青云譜區、西湖區四區為基礎分析熱島效應的影響因素，其研究區范圍如圖1所示。

圖1 研究區范圍

2 資料與方法

2.1 數據來源與預處理

本研究選用的是1989年7月15日、2004年10月12日的遙感影像，其中1989年使用的是Landsat5TM 數據，使用的波段為1～7 波段，其中第6 波段分辨率為120 m，1～5、7 波段分辨率為30 m。2003年使用的是Landsat7ETM+數據。使用的波段為1～7 波段，其中第6 波段分辨率為60 m，1～5、7波段分辨率為30 m。兩景影像軌道號均為121/040，影像覆蓋了整個南昌市地區。本文主要研究區域為南昌市主城區，在數據預處理中進行了幾何校正、配準以及圖像裁剪等預處理。

2.2 地表亮度溫度

利用TM6 波段波段熱紅外波段反演地表溫度。由于不同地物間的發射率差別不大，而熱島研究中關注的是溫度的相對高低，因此可以用亮度溫度近似代替真實溫度進行熱島研究[8-11]。本文使用單窗算法，結合Landsat5 TM 第6 波段進行地表溫度反演。

首先將影像DN 值轉換為星上輻射亮度值，對于Landsat8 與Landsat5 影像分別用以下公式計算：

式中，Lλ為波段λ的大氣頂部光譜輻射值；Qcal為影像像元DN 值；ML和AL是波段λ的調整因子；Lmax與Lmin分別為Landsat5 TMλ波段的最大與最小輻射值，在影像數據頭文件中可以獲取。

然后，將星上輻射亮度轉換成星上亮度溫度：

式中，Tλ為傳感器第λ波段的星上亮度溫度（℃）；Lλ為第λ波段的輻射亮度值，K1、K2都為常量，可分別從Landsat8 的MTL 文件和Landsat5 影像頭文件中獲取。

2.3 地表溫度歸一化

由于所用影像的成像時間不同，用反演的溫度直接進行比較顯然不合理。為了消除時間的影響，本文利用式（4）對得到的地表溫度進行歸一化處理，將兩個不同時期的地表溫度值范圍統一到0～1之間：

式中，Ni為第i個像元歸一化后的值；Ti為第i個像元的地表溫度值；Tmax為遙感影像中地表溫度最大值；Tmin為遙感影像中地表溫度最小值。

2.4 監督分類

采用ENVI5.3 中支持向量機的方法監督分類把地表覆蓋類型分成了水體、自然表面、城市三類，如圖2所示。

圖2 南昌市土地利用分類

3 結果分析

3.1 空間分布分析

圖3（a）為南昌市1989年7月15日的地表溫度反演熱島強度圖，圖3（b）為南昌市2004年10月12日的熱島強度圖。

圖3 南昌市熱島強度

對比圖3（a）和圖3（b），筆者發現，南昌市主城區地面溫度場從西北到東南方向有一個溫度較高區，特別是東城區靠近贛江處和青云譜區中部和東北部區域地面溫度明顯高于其他地區。西湖區、青云譜區和青山湖區三區交界處也形成了一個溫度較高區，這些溫度較高區一起構成了南昌市主城區西北—東南地面溫度較高區的分布格局。

從年際變化來看，南昌市的城市熱島空間分布范圍明顯擴大。城市熱島效應強度也不斷增強，市區和郊區的溫差增大，市區的熱環境變差[12-13]。

3.2 分區地表溫度分析

利用分區統計將南昌市主城區分為東湖區、西湖區、青山湖區、青云譜區四個部分，分別統計其地表溫度得到以下結果，如表1所示。

表1 南昌市主城區各區溫度值

從表1可以看出，同一時期，不同區域差異明顯，1989年青云譜區的溫度最高，2004年青山湖區溫度最高。就區內同時期地面溫度的差異而言，青山湖區的差異最大。不同時期最低溫均出現在青山湖區。

3.3 地表溫度與水體面積分析

圖4 南昌市主城區各區地表溫度與水體面積的關系

由圖4對比分析各區的水體面積比例與地表溫度之間的關系可發現，各區地面溫度與水體面積比例呈負相關關系，水體面積比例上升0.2%，地面溫度下降0.1 K 左右?？梢?，水體也是影響城市熱島效應的一大因素。同時，通過對比發現，青云譜區和青山湖區的水體面積比例較小，其溫度差異卻相對較大；東湖區和西湖區的水體面積比例較大，其溫度差異卻較小。由此可得出，水體面積比率較低對地面溫度的影響要比較高的大。

4 結論

本文采用單窗算法得到的地表溫度并用其分析城市熱島效應的狀況。通過實例分析，筆者發現南昌市城市熱島效應的范圍明顯擴大，并且南昌市的熱島效應強度逐漸加強。同時，通過建立南昌市各區地表溫度與水體面積比例的關系，筆者發現，水體面積與熱島強度呈負相關。