基于衛星影像的連云港市熱島效應分析*

張博宇，王 曉，楊敬華，周海波，陳佳星

（江蘇海洋大學 海洋技術與測繪學院，江蘇 連云港222005）

引言

城市熱島效應（Urban Heat Island）是指城市因大量的人工發熱、建筑物和道路等高蓄熱體及綠地減少等因素，造成城市“高溫化”。由于城市建筑群密集、柏油路和水泥路面比郊區的土壤、植被具有更大的吸熱率和更小的比熱容，使得城市地區升溫較快，并向四周和大氣中大量輻射，造成了同一時間城區氣溫普遍高于周圍的郊區氣溫，高溫的城區處于低溫的郊區包圍之中，如同汪洋大海中的島嶼，人們把這種現象稱之為城市熱島效應[1-2]。近年來，孟凡超等[3]研究了單次極端溫度過程中城市熱島對建筑負荷的影響，梁錦等[4]研究了高反照率屋頂對城市熱島及空調能耗的影響，王東東等[5]研究了近十年南京市區的熱島效應變化，林道光等[6]研究了湖南婁底市區不同時間段熱島效應的變化。胡江波等[7]研究了2009-2018 漢中市區熱島的變化，朱浩等[8]以岳陽為例，研究了長江中游水網地區的城市熱島效應，張澤等[9]基于MODIS 影像研究了呼和浩特市熱島效應和植被覆蓋率的關系，沈中健等[10]研究了1996-2017年閩三角城市群區域熱島時空格局演化分析，周義昌等[11]研究了2009-2019年肇慶城市熱島效應變化特征，顏廷凱等[12]進行了基于WRF/UCM數值模擬的嚴寒地區城市熱島效應研究。

上述文章以地區或城市研究了在城鎮化進程中，熱島的變化，以及熱島效應對周圍環境的影響，研究的成果對中國城鎮化進程的推動和節能減排的提高有著巨大的意義，本文以連云港市區為研究對象，研究了近20年來，連云港市區熱島的變化，并對其成因進行了分析。

1 數據簡介

1.1 研究區域簡介

連云港，古稱“海州”，江蘇省地級市。海域6677 平方公里。因面向連島、背倚云臺山，又因海港，得名連云港。位于中國沿海中部，東瀕黃海，屬溫帶季風氣候，東部與朝鮮、韓國、日本隔海相望，西與徐州市、宿遷市相連，南部與淮安市和鹽城市毗鄰，北至西北與山東省日照市、臨沂市相鄰，下轄3個區、3個縣，總面積7615 平方公里。2017年常住人口451.84 萬人。

連云港位于中國沿海中部，江蘇省東北部，處于北緯33°59′～35°07′、東經118°24′～119°48′之間。東瀕黃海，與朝鮮、韓國、日本隔海相望，北與山東日照市接壤，西與山東臨沂市和江蘇徐州市毗鄰，南連江蘇宿遷市、淮安市和鹽城市。東西最大橫距約129 千米，南北最大縱距約132 千米。土地總面積7499.9 平方千米，水域面積1759.4 平方千米，市區建成區面積120 平方千米。境內山海齊觀，平原、大海、高山齊全，河湖、丘陵、灘涂、濕地、海島俱備。地勢由西北向東南傾斜，形如一只飛向海洋的彩蝶。地貌基本分布為西部崗嶺區、中部平原區、東部沿海區和云臺山區四大部分。西部丘陵海拔100米～200米。中部平原海拔3米～5米，主要是山前傾斜平原、洪水沖積平原及濱海平原3 類，總面積5409 平方千米。擁有耕地面積3797.9 平方千米。東部沿海主要是約700 平方千米鹽田和480 平方千米灘涂。云臺山脈屬于沂蒙山的余脈，有大小山峰214 座，其中云臺山主峰玉女峰海拔624.4米，為江蘇省最高峰。連云港有云臺山、錦屏山、馬陵山、羽山等山脈。連云港有標準海岸線162 千米，21個島嶼，其中東西連島為江蘇第一大島，面積7.57 平方千米，基巖海岸為江蘇省獨有。

1.2 數據來源

1984年3月，世界上第一顆光學對地衛星Landsat-5發射。Landsat-5 搭載了兩個載荷的成圖儀，一個是專題制圖儀，另外一個是多光譜成像儀，2013年，Landsat-8發射升空，Landsat-5 也逐漸退出了歷史舞臺。Landsat-8同樣搭載了兩個制圖儀，分別是OLI 和TIRS。Landsat-5影像有多個波段，并且第六個波段是熱紅外波段，其感應到的主要的能量來源是地球表面的物體散發出來的熱輻射，因此，利用這個波段的數據可以反演地表溫度。在最新的Landsat-8 數據中，由于成圖儀的更新，原來的獲取地表溫度的波段也發生了變化，分成了兩個通道獲取，分別是第10 通道和第11 通道。

1.3 數據介紹

本文涉及的數據包括Landsat-5、Landsat-8，主要利用Landsat-5 的TM6 波段，Landsat-8 的band10 來反演地表溫度。選擇時相相近，含云量低，影像清晰的圖幅于http：//earthexplore.usgs.gov/進行下載，涉及的帶號為120_36，所選用的數據如表1。

表1 數據展示

2 實驗和評價標準

2.1 實驗

首先對數據進行大氣校正處理，然后在ENVI 中選擇使用Radiometric Correction 計算條帶的輻射亮度，隨后使用band math 工具計算NDVI，植被覆蓋率，地表輻射率，黑體輻射亮度，最后利用公式（1）反演地表溫度。

2.2 熱島分級標準

表2 局地熱島強度等級劃分標準

熱島強度是對某個城市城郊氣溫差異的一趨勢性的大概的表達，只有地表溫度不能具體地看出局部的熱島效應的特征，為得到某一靶向目的地的熱島效應的強度和特征，可以將整個區域的每一個像元的溫度值加起來，計算整個區域的溫度平均值，將其作為標準代入計算以反映靶向目的地的熱島強度。

其中，IUHILOCAL是靶向目的地的熱島強弱程度，Tskin是靶向目的地的溫度，Tmean是整個研究區域的地表溫度的平均值。根據ENVI 中的Compute Statistics 得到Tmean，對城市熱島效應的強度按照表2 所示劃分標準，分為無、弱、中等、強、極強這五個等級進行劃分，利用ENVI 中的Color Slice 工具實現，選擇合適的顏色帶表示不同強度的熱島，統計各級強度熱島所占面積比例。

3 實驗結果

本文選取2000、2002、2013、2016年的衛星影像作為實驗素材，利用ENVI 和ArcGIS 等分析工具，對連云港市進行了科學分析，得出連云港市的熱島分布圖，實驗結果如圖1、圖2、圖3、圖4 所示。

圖1 連云港2000年熱島效應圖

圖2 連云港2002年熱島效應圖

圖3 連云港2013年熱島效應圖

圖4 連云港2016年熱島效應圖

4 結論

4.1 從時間上分析

觀察圖1 到圖4，不難發現，連云港市區的熱島有擴大趨勢。在圖中可以明顯看出，圖中部位置的高亮區域增加。對比地圖可以發現，增加的區域為連云港海州區。根據公開的資料顯示，1992年才成立海州區。2000年以后是中國城鎮化進展最快最明顯的時候。海州區從2000年到2017年，修建了大量的建筑物，完成了人口的城鎮化。但是，很明顯可以看出來，城鎮化導致了熱島效應。

4.2 從空間上分析

從空間上可以看出來，熱島主要出現城區，港口，以及工業區。

4.3 野外熱島

分析圖2、圖3，除了城區以外，在野外也出現了大量的高溫區域。這種現象的成因如下：

本次實驗所選的所有數據，均為夏季數據（即6/7/8月），在夏季田地里面種有大量的小麥、水稻和玉米。大片作物的中心區域，往往較為悶熱。所以導致了在野外出現了大量的高溫區域。