基于LandsatTM數(shù)據(jù)的城市熱島效應(yīng)演變分析

孫黎明 施冬 孟飛

摘要：城市化所伴生的城市熱島效應(yīng)、土地利用變化、生態(tài)安全等一系列的城市問題，已經(jīng)成為制約城市發(fā)展進步的關(guān)鍵性因素。本文以天津市為例，以2000～2010年間的陸地衛(wèi)星（Landsat）TM數(shù)據(jù)為主要信息源，以遙感定量反演和GIS的空間分析手段，對不同年份的天津市地表溫度狀況進行分析，引入景觀生態(tài)學理論，利用景觀格局指數(shù)對天津市熱環(huán)境格局動態(tài)進行分析。研究主要得出以下結(jié)論：天津市熱島效應(yīng)出現(xiàn)“由分化總，由總化分”的發(fā)展趨勢，該結(jié)論以期為天津建設(shè)成新型現(xiàn)代化大都市提供決策支持。

關(guān)鍵詞：天津市；熱島效應(yīng)；地表溫度；景觀格局指數(shù)

中圖分類號：X16 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）11-0262-02

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，熱紅外衛(wèi)星遙感技術(shù)手段成為獲取城市地表溫度的一個重要途徑[1]。本文以天津市為研究對象，利用遙感監(jiān)測方法和景觀生態(tài)學方法，分析其時空格局，探索影響城市熱島強度的因素，分析城市熱島提供新的研究方法，加深城市熱島的認識，為天津市城市熱島的防治提供科學依據(jù)，具有重要的科學意義和實際應(yīng)用價值[2]。

1 數(shù)據(jù)源及研究方法

本文基于天津市行政區(qū)規(guī)劃圖，獲取2000年5月，2005年10月，2010年5月三期Landsat5 TM影像，PATH/ROW為122/32，122/33，123/32三景影像[3]。研究所用Landsat5衛(wèi)星影像，只有一個熱紅外波段，故利用覃志豪的單窗算法反演地表溫度，從時空角度結(jié)合景觀格局指數(shù)分析天津市熱島效應(yīng)演變及影響因素。使用覃志豪等推導出基于TM影像的第6波段反演地表溫度的單窗算法，結(jié)合地表比輻射率，大氣透射率，大氣平均作用溫度推算地表實際溫度；基于Landsat數(shù)據(jù)計算亮度溫度，估算地表比輻射率；利用大氣模擬程序，建立了水汽含量與大氣透射率之間的回歸方程估算大氣透射率和大氣平均作用溫度[4]。

2 基于圖譜的天津市熱環(huán)境時空演變分析

為了使相同區(qū)域不同時相遙感影像熱空間分布具有可比性，本文使用地表溫度歸一化處理方法對城市熱環(huán)境數(shù)據(jù)做歸一化處理，將不同溫度范圍統(tǒng)一到0～1之間，用以消除時相的影響，采用基于等距方法劃分熱空間格局特征，將歸一化后的地表溫度劃分為5個等級，分別為強熱島區(qū)（0.8～1）、熱島區(qū)（0.6～0.8）、常溫區(qū)（0.4～0.6）、綠島區(qū)（0.2～0.4）和強綠島區(qū)（0～0.2）[5]。基于天津市歸一化溫度面積比例獲取天津市熱島空間分布圖（如圖1），熱島主要分布在天津市西側(cè)及北側(cè)，且呈縱向分布，各熱島間相距較遠，聚集程度較低，而且中心城區(qū)與濱海新區(qū)有較為明顯的熱島現(xiàn)象，高溫區(qū)域主要集中在城區(qū)、靜海區(qū)、大港區(qū)、寧河縣、武清縣和薊縣。

圖（a）溫度較高，故在反演結(jié)果中出現(xiàn)高溫天氣，屬正常情況。由圖（b）可得知相較于圖（a）熱島效應(yīng)明顯有從北部向中部聚攏的趨勢，主要集中在中南部且熱島趨于密集。武清區(qū)、中心城區(qū)、濱海新區(qū)核心區(qū)這條高溫聚集帶，即“京濱綜合發(fā)展軸”。查看天津市年鑒中心城區(qū)與塘沽區(qū)的年平均溫度分別居第一、二位，這兩處作為重點發(fā)展對象，形成高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)密集帶，因而高溫區(qū)域首先在此處聚集。從圖（c）可直觀地看出中心城區(qū)和濱海新區(qū)具有絕對熱島優(yōu)勢的熱島中心，寶坻區(qū)和薊縣高溫區(qū)域增加，熱島效應(yīng)增強，形成貫穿薊縣、寶坻、中心城區(qū)、西青和靜海的“西部城鎮(zhèn)發(fā)展帶”。寶坻區(qū)與武清區(qū)間的高溫區(qū)域通過津薊線鐵路延伸，而武清區(qū)與中心城區(qū)沿北運河形成熱島帶，從而構(gòu)成了漢沽區(qū)～塘沽區(qū)～中心城區(qū)～武清區(qū)～寶坻區(qū)～薊縣這六點一線的格局。同時，從時間維度觀察，綠島區(qū)面積有大幅度增加，查閱天津市年鑒，發(fā)現(xiàn)與綠島區(qū)面積減少有直接關(guān)系，同時也證明了天津市近年來綠化確實有所好轉(zhuǎn)。

3 天津市熱島效應(yīng)景觀格局變化

3.1景觀格局指數(shù)的選擇

隨著GIS技術(shù)以及專門計算景觀格局指數(shù)軟件的發(fā)展，格局指數(shù)的操作簡單化，常用的景觀指數(shù)多達58種[6]。本文結(jié)合天津市的特點，經(jīng)過比較分析，選用如下幾個指標進行景觀格局的分析：斑塊密度（PD）：描述斑塊破碎度情況。分離度（SPLIT）：某種景觀類型各斑塊間的分離程度。蔓延度（CONTAG）：基于像元間的鄰接概率，反映景觀中斑塊分布的聚集程度。蔓延度越大，說明同類之間的團聚較大；反之說明破碎度較大。均勻度指數(shù)（SHEI）：用以描述景觀中各類斑塊分配的均勻度程度，值越大，說明斑塊分布更均勻[7]。

3.2不同年份熱島效應(yīng)景觀格局分析

基于ARCGIS平臺使用重分類工具，實現(xiàn)歸一化的地表溫度的劃分，分為5個等級，分別為強熱島區(qū)（0.8～1），熱島區(qū)（0.6～0.8），常溫區(qū)（0.4～0.6），綠島區(qū)（0.2～0.4），強綠島區(qū)（0～0.2）。斑塊密度（PD）指數(shù)表明常溫區(qū)和熱島區(qū)比其他類型在不同的研究區(qū)大，進一步說明常溫區(qū)和熱島區(qū)的破碎度大，這對于緩解城市熱環(huán)境來說是有利的；分離度（SPLIT）指數(shù)表明強綠島區(qū)數(shù)值最大，而熱島區(qū)最小，說明天津市熱島效應(yīng)比較明顯，而且綠化設(shè)施做得不是很到位。PD指數(shù)還是常溫區(qū)和熱島區(qū)最大，熱島區(qū)的破碎度最大；SPLIT強熱島區(qū)和強綠島區(qū)占主要比重，屬正常情況。PD指數(shù)是綠島區(qū)數(shù)值最大，說明城市綠化措施比2005年有所加強，同時，熱島區(qū)PD數(shù)值次之，說明城市熱效應(yīng)也有所緩解，與城市熱環(huán)境變化趨勢相同。

天津市2000～2010年10年間蔓延度指數(shù)出現(xiàn)先降低后升高的趨勢。數(shù)據(jù)表明在2000～2005年間天津市各類景觀中存在著許多小斑塊，即整個景觀朝著所有要素密集的格局方向發(fā)展，斑塊破碎度增加，呈現(xiàn)無序發(fā)展趨勢，2005年之后，蔓延度指數(shù)提升表明各類景觀斑塊的邊緣密度降低的同時其斑塊分布也趨向整體，這與天津市發(fā)展的總格局相符。天津市2000～2010年10年間SHEI出現(xiàn)先上升后下降的趨勢。SHEI反映的是景觀要素的多少及各景觀要素所占比例的變化，其數(shù)值越大表明景觀異質(zhì)性也越大，其值越小，表明景觀分布愈趨于整體化。在2000～2005年間SHEI出現(xiàn)略微上升的趨勢，2005～2010年間出現(xiàn)大幅度的下降。這表明前五年景觀破碎度增加，后五年景觀變化較劇烈，景觀破碎度下降。SHEI變化與CONTAG變化正好相反，但二者想要表達的信息是一致的，也就是說在2000～2005年間天津市景觀破碎度上升，結(jié)合PD來看，發(fā)現(xiàn)綠島區(qū)的破碎度變化是趨于上升的，雖然常溫區(qū)的破碎度變化是趨于下降的，但綠島區(qū)的變化占主導；在2005～2010年間天津市破碎度下降，常溫區(qū)破碎度變化占主導。

4 總結(jié)

本文研究表明：2000年左右，天津市主要加大中心城區(qū)與濱海新區(qū)的發(fā)展力度，將“分”化“總”，從而熱島向此兩處聚集，近年來，加大周邊地區(qū)與北部的發(fā)展，將“總”化“分”，熱島又重新分散開來；同時通過景觀格局指數(shù)分析的結(jié)果可以得出，各類景觀斑塊的邊緣密度降低的同時其斑塊分布也趨向整體，說明天津市總體發(fā)展格局趨于整體化，這將有利于緩解城市熱島效應(yīng)。

參考文獻：

[1] 馮曉剛.城市熱島效應(yīng)演變與成因遙感研究——以西安都市圈為例[J].陜西師范大學報，2011.

[2] 王鵬.城市景觀格局與城市熱島效應(yīng)的多尺度分析——以成都市中心城區(qū)為例[D].四川農(nóng)業(yè)大學，2001.

[3] 紀瑞鵬，張喜民，李剛. 沈陽等6城市熱島效應(yīng)衛(wèi)星監(jiān)測研究[J]. 遼寧氣象，2000：422-26.

[4] 徐涵秋.新型Landsat8衛(wèi)星影像的反射率和地表溫度反演[A]. 地球物理學報，2015，58（3）：741-747.

[5] 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(tài)學報，2017（10）.

[6 ] 韓冬銳，徐新良，李靜，等.長江三角洲城市群熱環(huán)境安全格局及土地利用變化影響研究[J].地球信息科學學報，2017，19（1）：39-49.

[7] 李德仁， 李熙. 論夜光遙感數(shù)據(jù)挖掘[J]. 測繪學報， 2015（6）： 591-601.

【通聯(lián)編輯：光文玲】