常德市近15年熱島效應變化及分析

左青 陶前輝 李博 楊波

摘 要：以常德市規劃區為研究區，利用2003年、2008年、2013年、2017年及2018年5景遙感影像數據，提取植被覆蓋度及建筑指數，反演其地表溫度，并評價熱島強度。結果表明，城市地表溫度與建筑指數、植被覆蓋度具有相關性，分別呈正相關和負相關;常德市熱島效應顯著，2003—2013年熱島強度比例指數由0.222升高為0.245，熱島面積增加14.035km2;2013—2018年熱島比例指數下降為0.221，熱島面積減少19.466km2;在2013—2018年期間，海綿城市的試點建設區域熱島格局有破碎狀趨勢，說明建設海綿城市對熱島效應具有一定的緩解作用。

關鍵詞：植被覆蓋度;歸一化建筑指數;城市熱島強度;海綿城市;常德市

中圖分類號 X16 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2020）05-0136-05

Change and Analysis of Heat Island Effect in Changde City in Recent 15 Years

Zuo Qing et al.

（College of Resources and Environmental Sciences/Key Laboratory of Geospatial Big Data Mining and Application， Hunan Normal University， Changsha 410081， China）

Abstract： Taking Changde city Planning Area as the research area， vegetation coverage and building index were extracted from five remote sensing images in 2003， 2008， 2013， 2017 and 2018， to retrieve the land surface temperature and evaluate the urban heat island intensity. The results show that there is a correlation between urban land surface temperature and building index and vegetation coverage， with positive correlation and negative correlation respectively; Changde City has a significant urban heat island effect. From 2003 to 2013， the urban-heat-island ratio index increased from 0.222 to 0.245， and the area of heat island increased by 14.035 km2; From 2013 to 2018， urban-heat-island ratio index decreased to 0.221， and the area of heat island decreased by 19.466 km2.During the period from 2013 to 2018， the pattern of urban heat island in the pilot construction area of sponge city has a trend of fragmentation， which indicates that the construction of sponge city has a certain mitigation effect on the urban heat island effect.

Key words： Vegetation Coverages; Normalized Difference Build-up Index （NDBI）; Urban Heat Island Intensity （UHII）; Sponge City; Changde City

1 引言

隨著社會經濟飛速發展，城市人口迅猛增長，城市化進程的不斷加快，城市下墊面受到人類活動的干擾增強，其結構發生改變，城市生態對熱環境的調節能力已經超過其閾值，熱島效應（Urban Heat Island，UHI）給城市系統帶來的氣候、生態環境及人類健康等問題也愈發嚴峻[1-4]。

目前，國內外學者從宏觀和微觀角度對城市熱島的演變格局、影響因子及緩解策略等方面進行了大量研究[5-9]。但國內外學者對熱島效應的研究主要聚焦在北京、上海、廣州、歐洲城市群等大城市[10-13]，較少涉及對中小城市的熱島效應的研究。本研究以中小型城市常德市為對象，該市近年來城市化進程加快，城市熱島效應明顯，研究常德市近15年夏季（6—8月）城市熱島的分布及變化情況，分析城市熱島與植被覆蓋度及建筑指數的關系，從而緩解常德市的城市化發展過程中引起的熱島效應，為其它中小城市的發展合理規劃景觀格局及改善生態環境提供理論基礎與決策依據。

2 研究區與數據源

2.1 研究區概況 常德市（110°27′33″E—112°17′52″E， 28°23′31″N—30°07′53″N）位于湖南省西北部，大體處于西洞庭湖區，屬亞熱帶季風濕潤氣候區，四季分明，春秋短，夏冬長。常德市作為長江經濟帶、環洞庭湖生態經濟圈的重要城市，其經濟實力穩居湖南省第3，僅次于長沙市與岳陽市。本研究選取常德市城市規劃區作為研究區，包括長庚街道、白馬湖街道、穿紫河街道、丹陽街道等20個街道（鄉/鎮），總面積613.6km2（圖1）。

2.2 數據源及其預處理 選取近15年5景夏季（6—9月）的Landsat5-TM （2003/07/27、2008/06/06）及Landsat8-OLI（2013/08/07、2017/08/18、2018/07/20）的遙感影像資料作為反演研究區LST數據源。選取的5景影像云層覆蓋較少，在研究區內幾乎無云層覆蓋，可以確保反演的精度。5景Landsat影像數據均從美國地質調查局（USGS）官網（http：//glovis.usgs.gov）獲取，其條帶號為124/040。

LST反演之前均在ENVI5.3中進行幾何校正、輻射定標、大氣校正等圖像預處理工作，以消除成像過程中的幾何畸變、噪音等影響，然后對研究區進行掩膜裁剪。

3 研究方法

本研究對2003年、2008年、2013年、2017年及2018年5景Landsat TM/OLI 數據，采用仿歸一化指數法、混合像元法、輻射傳輸法分別提取了NDBI、植被覆蓋度以及地表溫度，同時采用均值—標準差法劃分熱島強度等級，計算熱島強度比例指數，常德城區溫度變化趨勢，探討NDBI和植被覆蓋度對地表溫度和熱島強度的影響。

3.1 植被覆蓋度提取

3.1.1 NDVI計算 NDVI為歸一化植被指數，本研究采用非線性歸一化處理得到NDVI：

[NDVI=DNNIR-DNRDNNIR+DNR] （1）

式中，[DNNIR]表示近紅外波段;[DNR]表示熱紅外波段。

3.1.2 植被覆蓋度計算 植被覆蓋度（[FV]），可用以表征地表植被覆蓋情況。計算公式如下：

[FV=NDVI-NDVISNDVIV-NDVIS] （2）

式中，[NDVI]為歸一化植被指數;[NDVIV]、[NDVIS]分別為純植被和純土壤的植被指數;取[NDVIV=0.7]和[NDVIS=0]，且[FV]的值域為[[0，1]]，當影像中某個像元的[NDVI]大于0.7時，[FV]取值為1;當[NDVI]小于0，[FV]取值為0。

3.2 NDBI提取 歸一化建筑指數（NDBI）是基于歸一化植被指數提出：

[NDBI=DNMIR-DNNIRDNMIR+DNNIR] （3）

式中，[DNMIR]表示中紅外波段;[DNNIR]表示近紅外波段。

3.3 LST反演 本研究采用熱輻射傳輸法對Landsat TM/OLI數據進行LST反演[14]，基于輻射強度反演地表溫度。

3.3.1 地表比輻射率計算 比輻射率[ε]是用以研究城市地表熱環境的一個重要參數，把地物類型分為水體、城鎮和自然表面3類并給水體的[ε]賦值為0.995。 通過以下公式分別對城鎮的比輻射率（[εsurface]）和自然表面的比輻射率（[εbuilding]）進行計算：

[εsurface=0.9625+0.0614FV-0.0461F2V] （4）

[εbuilding=0.9589+0.086FV-0.0671F2V] （5）

式中，[FV]表示植被覆蓋度。

3.3.2 輻射亮度值計算 根據輻射傳輸方程，溫度為[T]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↓]/τ?ε] （6）

式中，[ε]為地表輻射率;[TS]為地表真實溫度;[B（TS）]為黑體在[TS]的熱輻射亮度;[τ]為大氣在熱紅外波段的透過率;[L↑]為大氣向上輻射亮度，單位[W/（m2?sr?μm）];[L↓]為大氣向下輻射到達地面后反射的能量，單位[W/（m2?sr?μm）]。Landsat影像的大氣剖面參數（[τ]、[L↑]、[L↓]）可以通過NASA提供的網站（http：//atmcorr.gsfc.nasa.gov/）直接獲取。

3.3.3 地表溫度計算 根據普朗克公式的反函數，求得地表真實溫度[TS]：

[TS=K2/ln（K1/B（TS）+1）] （7）

對于Landsat5 TM數據，[K1][=][607.76 W/（m2][?sr][?μm）]，[K2=1260.56? K];對于Landsat8 TIRS數據，[K1][=][774.89W/（m2][?sr][?μm）]，[K2=1321.08? K]。

3.4 城市熱島強度等級評估與計算

3.4.1 UHII等級評估 在實際工作中，根據均值-標準差法評價熱島強度等級時，一般分為4～7級[15]。本研究參考將熱島強度劃分為5級：強冷島區、冷島區、無熱島、熱島區及強熱島區（見表1）。

3.4.2 URI計算 城市熱島比例指數（URI）由徐涵秋[16]提出，計算過程如下：

[URI=1100mi=1nWiPi] （8）

式中，m為熱島強度等級總數量，在此取值為5;i為熱島等級序號;n為熱島等級數量;Wi為熱島的權重值，取第i級的級數;Pi為第i級熱島面積百分比。一般認為，地表溫度高于平均溫度的區域屬于熱島區域，指數值越大，熱島現象越嚴重。

4 結果與分析

4.1 地表溫度分布及變化 以常德市中心城區為研究區，利用Landsat遙感影像數據，通過熱紅外波段反演得到各年地表溫度（圖2），并統計各年平均溫度（表2）。從圖2可以看出，在2003—2013年期間研究區溫度整體呈上升趨勢，在2013—2018年期間研究區溫度整體有所下降。2013年受到副熱帶高氣壓帶的影響出現異常高溫現象[17-18]。同時，沅江北岸的長庚街道、白馬湖街道、穿紫河街道、丹陽街道、府坪街道、啟明街道及灌溪鎮中心高于白鶴鎮、蘆荻山鄉、東江街道、丹洲鄉及灌溪鎮外圍地區的溫度，沅江南岸的武陵鎮東北部、德山街道及樟木橋街道北部的溫度高于斗姆湖街道、樟木橋街道及石門橋鎮的溫度;即NDBI對地表溫度的影響高于植被覆蓋度對地表溫度的影響。以常德市西北部產業新城灌溪鎮為例，灌溪鎮以機械制造業作為主產業發展城市化，土地利用類型以工業用地為主，呈現出1個高溫中心。而水體在整個研究區呈現明顯的低溫狀態，如柳葉湖和沅江，呈現出低溫中心。根據研究區地表溫度反演統計（表2），2003年、2008年平均溫度在30℃左右，到2013年平均溫度達45℃，溫度呈上升趨勢，上升近15℃;2017年和2018年平均溫度在35℃左右，溫度呈下降趨勢，同2013年相比，下降近10℃。