基于Landsat衛(wèi)星的寧波城市熱島效應(yīng)研究

王曉霏 施冬

摘要：為了對(duì)寧波地區(qū)城市化進(jìn)程中的熱島效應(yīng)進(jìn)行研究，利用Landsat數(shù)據(jù)對(duì)寧波市的地表溫度進(jìn)行計(jì)算，然后分析寧波地區(qū)地表溫度變化及其與土地利用類型的關(guān)系。分析結(jié)果表明：1995-2015年寧波地區(qū)老城區(qū)等城市中心有著明顯的城市熱島效應(yīng)現(xiàn)象。且隨著寧波市中心到城市邊緣距離的增加，地表溫度明顯減少。對(duì)NDBI、NDVI與LST進(jìn)行相關(guān)性分析可知，NDVI與LST間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，NDBI與LST間存在顯著正相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：LST；熱島效應(yīng)；均值標(biāo)準(zhǔn)差；寧波；土地利用

中圖分類號(hào)：X16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）11-0270-02

城市熱島是城市氣候變化最顯著的特征之一，它不僅增加城市生態(tài)環(huán)境的污染，還對(duì)人體的健康以及人類的生存構(gòu)成巨大的威脅[1]。本文以1995-2015年寧波地區(qū)Landsat遙感影像為原始數(shù)據(jù)，確定城市熱島分布范圍及其時(shí)空變化特征。再利用土地利用數(shù)據(jù)及地表指數(shù)因子數(shù)據(jù)分析其與地表溫度的相關(guān)性，分析寧波熱環(huán)境變化的成因，為城市熱環(huán)境監(jiān)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)[2]。

1研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

研究區(qū)經(jīng)緯度介于28°51′～30°33′N，120°55′～122°16′E之間。其行政區(qū)劃包括六區(qū)、兩縣以及三個(gè)縣級(jí)市，總面積達(dá)約9365km2。寧波地區(qū)緯度適中，平原地區(qū)多年平均氣溫16.2C°，最熱月為7月份[3]。寧波市城鎮(zhèn)化水平達(dá)到56%，隨著城市空間擴(kuò)展、下墊面變化，城市熱島問(wèn)題日益突出。研究選用1995、2007年的Landsat5 TM遙感數(shù)據(jù)和2015年Landsat8 OLI遙感數(shù)據(jù)。由于一景Landsat產(chǎn)品不能完全覆蓋整個(gè)寧波地區(qū)，分別下載條帶號(hào)為118/39，118/40共6景影像。其影像選取原則，云量基本少于5%。

2研究方法

目前提出反演溫度的各種算法，歸納起來(lái)大致分為單通道算法，多通道算法和劈窗算法三類[4]。1995、2007、2015年Landsat數(shù)據(jù)分別采用覃志豪單通道算法、胡德勇等改進(jìn)后的TIRS10_SC算法實(shí)現(xiàn)地表溫度的反演。

3結(jié)果與分析

3.1地表溫度反演結(jié)果

基于上述反演地表溫度算法得出寧波市建成區(qū)1995、2007、2015年地表溫度。1995年高溫區(qū)和次高溫區(qū)占總寧波面積的一小部分[6]。低溫區(qū)和次中溫區(qū)的熱島由水體和林地組成，次高和高等級(jí)的地區(qū)主要是位于市中心及其附近的工業(yè)和住宅用地。與1995年相比，2007年的高溫區(qū)大幅增加且具有更多零散的分布。從市中心到城市邊緣，最高等級(jí)的城市熱島效應(yīng)也在徑向擴(kuò)展[7]。城市地區(qū)向外擴(kuò)張的同時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大的變化，趨向于同心圓模式。與2007年相比，2015年的城市熱島效應(yīng)更加分散，從市中心到西部地區(qū)的熱島區(qū)面積略有減少，而東部沿海地區(qū)的熱島區(qū)面積略有增加。城市熱島范圍總體在逐漸擴(kuò)大，市區(qū)熱島范圍以老城區(qū)為中心向外輻射持續(xù)生長(zhǎng)。另外，寧波市作為我國(guó)重要的通商口岸，熱島現(xiàn)象向鎮(zhèn)海區(qū)和北侖區(qū)沿海地區(qū)擴(kuò)展。象山、寧海、余姚等縣級(jí)地區(qū)，熱島強(qiáng)度呈逐漸增強(qiáng)趨勢(shì)。寧波地區(qū)人口、建筑物密集的市區(qū)溫度明顯高于周邊郊區(qū)，縣級(jí)市的中心溫度也高于外圍地區(qū)，說(shuō)明寧波熱島效應(yīng)的確存在。

3.2城市熱島和土地利用的關(guān)系

本文根據(jù)研究區(qū)土地類型的特點(diǎn)，利用監(jiān)督分類法，將土地利用類型分為林地、城市用地、水體、裸地和耕地5大類。將反演得到的LST與土地利用類型疊加分析，可以得出近20年，城市地表溫度始終處于最高，這是由于城市地區(qū)下墊面主要由柏油、琉璃瓦等非滲透性表面組成，其熱容量較小，地表蒸發(fā)能力也相對(duì)較低，導(dǎo)致城市地區(qū)地表溫度較高。水體地表溫度始終最低，由于水體的熱慣量及熱容量相對(duì)較大，其熱傳導(dǎo)和熱擴(kuò)散率小，從而導(dǎo)致水面溫度總是最低。裸地的地表平均溫度相對(duì)高于耕地，耕地的地表平均溫度相對(duì)高于林地。其中，裸地的熱傳導(dǎo)率大，在接受輻射能量時(shí)容易升溫。耕地的地表平均溫度較低，主要原因是農(nóng)作物可以通過(guò)光合及蒸騰作用減少周圍大氣的熱量。林地的地表平均溫度比耕地低，說(shuō)明林地中植被對(duì)大氣熱量吸收的熱量的作用比耕地明顯。由此可知，水體、林地對(duì)城市的降溫作用起著相當(dāng)重要的作用，大面積的水體覆蓋以及大范圍的植樹(shù)造林能夠有效地緩解城市熱島效應(yīng)。

為了定量地分析各種歸一化指數(shù)與地表溫度之間的關(guān)系，本文統(tǒng)計(jì)樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地表溫度、NDBI、NDVI值，建立二維散點(diǎn)圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析。從圖1看出，1995、2007和2015年LST與NDBI均表現(xiàn)出明顯正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)在0.05置信水平下是顯著的。說(shuō)明城鎮(zhèn)建設(shè)用地的增多對(duì)地表溫度的促進(jìn)升溫作用明顯；1995、2007和2015年NDVI與LST呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)在0.05置信水平下也是比較顯著的。它表明這種植被覆蓋率越高的土地利用類型，就越能抑制城市地表變暖。

4結(jié)論

從時(shí)間序列角度來(lái)看，1995-2015年城市中心的熱島效應(yīng)逐年顯現(xiàn)，且隨著從寧波市中心到城市邊緣的距離增加，地表溫度明顯減少，其中2007年地表溫度下降較快，其余兩年則比較緩慢。寧波市地表溫度與土地利用類型有較為顯著的關(guān)系，地表土地利用類型為城市是地表溫度始終最高。而林地和水體是城市的降溫區(qū)。NDVI與LST之間存在顯著的負(fù)相關(guān)，NDBI與LST之間存在顯著的正相關(guān)。這說(shuō)明城市建筑物占地及下墊面覆蓋類型是形成城市熱島的主要因素。相反植被具有顯著的降溫效果，對(duì)于緩解城市熱島效應(yīng)具有重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 楊英寶，蘇偉忠，江南.基于遙感的城市熱島效應(yīng)研究[J].地理與地理信息科學(xué)，2006（5）.

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[5] 孫芹芹， 吳志峰， 譚建軍. 不同土地利用類型的城市熱環(huán)境效應(yīng)研究——以廣州市為例[J]. 國(guó)土資源遙感， 2010（4）： 67-70.

[6] 徐心馨， 李小娟， 孟丹. 北京市不同下墊面類型對(duì)熱島效應(yīng)及人體舒適度的影響[J]. 首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2013，34（3）： 47-52.

[7] 葉鈺，秦建新，胡順石.長(zhǎng)沙市熱島效應(yīng)時(shí)空特征變化研究[J]. 地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)， 2017，19（4）：518-527.

【通聯(lián)編輯：光文玲】