基于Landsat TM/ETM＋的西安市城市熱島效應(yīng)時(shí)空演變

蘇雅麗，張艷芳

（陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710062）

城市熱島效應(yīng)是城市化的結(jié)果，是指城市發(fā)展到一定規(guī)模，由于城市下墊面性質(zhì)的改變、大氣污染以及人工廢熱的排放等導(dǎo)致熱量在城市空間范圍內(nèi)聚集，使得城區(qū)氣溫明顯高于周圍郊區(qū)氣溫，在城市熱場(chǎng)分布圖上顯示出城區(qū)好像一個(gè)溫暖島嶼的現(xiàn)象［1］，成為城市不同于其以外地域氣候最明顯的特征之一［2］。近年來(lái)，大規(guī)模城市化對(duì)于城市局部氣候的影響日益增強(qiáng)，因此對(duì)城市熱島效應(yīng)的研究已成為諸多學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。在研究?jī)?nèi)容上，目前利用Landsat T M/ET M＋數(shù)據(jù)研究城市熱島主要集中于城市熱島的形成機(jī)制、形態(tài)結(jié)構(gòu)及時(shí)空變化特征3個(gè)方面［3－4］。形成城市熱島效應(yīng)的主要驅(qū)動(dòng)因素是城市下墊面性質(zhì)的改變和大量人為熱排放，此外，風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度等外部因素也對(duì)城市熱島效應(yīng)的強(qiáng)度有重要影響［5－9］。有研究已證明植被覆蓋與城市熱島效應(yīng)的關(guān)系呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性的特點(diǎn)［10－12］。一些學(xué)者對(duì)南京、蘭州、江蘇等地的城市熱島效應(yīng)進(jìn)行的分析研究表明市區(qū)存在比較明顯的城市熱島效應(yīng)，并且城市熱島效應(yīng)都有增強(qiáng)的趨勢(shì)［13－15］。在研究方法上，早期的城市熱島遙感研究主要是利用美國(guó)氣象衛(wèi)星NOAA/AV HRR進(jìn)行城市熱島分布特征及動(dòng)態(tài)變化分析，Landsat T M/ET M＋基本是在20世紀(jì)90年代后的熱島研究中得到廣泛應(yīng)用的［4］。對(duì)西安熱島效應(yīng)的研究表明，作為西北地區(qū)最大的中心城市，西安因城市熱島效應(yīng)平均氣溫上升了1.07℃［16］。一些學(xué)者對(duì)西安城市熱島效應(yīng)做了研究［17－19］，但從方法來(lái)看，主要是基于氣象資料的整理分析，這種方法通過(guò)選取空間上離散的點(diǎn)信息計(jì)算城市熱島，存在空間尺度轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，較難全面地掌握城市熱島效應(yīng)的空間分布情況。本文則主要是以Landsat T M/ET M＋遙感影像為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)不同時(shí)期的遙感影像進(jìn)行對(duì)比分析，研究西安市城市熱島效應(yīng)的時(shí)空演變特征。

1 研究區(qū)概況

西安市位于黃河流域中部的關(guān)中平原，地理坐標(biāo)為107°40′—109°49′E 和33°39′—34°45′N，北臨渭河，南依秦嶺，東西長(zhǎng)約204 k m，南北寬約116 k m，平均海拔424 m，面積9 983 k m2。西安屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫13.6℃，年平均降雨量553.3 mm。轄區(qū)范圍包括蓮湖區(qū)、新城區(qū)、碑林區(qū)、雁塔區(qū)、未央?yún)^(qū)、灞橋區(qū)、閻良區(qū)、臨潼區(qū)、長(zhǎng)安區(qū)9區(qū)和藍(lán)田縣、周至縣、戶縣、高陵縣4縣。近年來(lái)隨著西部大開發(fā)的推進(jìn)，西安市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城鎮(zhèn)建設(shè)急劇擴(kuò)大，由于城市周圍地理環(huán)境、下墊面因素以及人為因素的影響，熱島效應(yīng)十分明顯［20］。

西安市的蓮湖區(qū)、新城區(qū)、碑林區(qū)、雁塔區(qū)、未央?yún)^(qū)、灞橋區(qū)6區(qū)，是西安市經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)和人口最為稠密的地區(qū)，因此，本文以城6區(qū)為研究重點(diǎn)區(qū)域，分析西安市城市熱島強(qiáng)度和空間分布特征。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究采用了三景Landsat T M/ET M＋遙感數(shù)據(jù)，第6波段空間分辨率為120 m，其余6個(gè)多光譜波段空間分辨率為30 m，成像時(shí)間分別為1990年8月23日，2002年6月2日，2007年8月12日。

2.2 土地覆蓋分類

根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況，采用監(jiān)督分類將1990，2002年和2007年西安市土地覆蓋類型分為6類：水體、耕地、林地、草地、建設(shè)用地和未利用地，得到3個(gè)時(shí)期的土地覆蓋類型情況。

3 研究方法

3.1 亮度溫度反演

在研究城市熱島效應(yīng)時(shí)，許多學(xué)者利用單窗算法或單通道算法反演地表溫度的方法來(lái)研究城市熱島效應(yīng)。雖然亮度溫度和地表溫度在數(shù)值上并不相等，但二者具有很強(qiáng)的相關(guān)性，亮度溫度的空間分布可以很好地?cái)M合地表溫度在空間上的分布［10］。本研究的目的是獲得城市熱島的相對(duì)強(qiáng)度和空間分布格局，因此可以不反演出地表的真實(shí)溫度，只需要反演出和地表真實(shí)溫度具有同一強(qiáng)弱趨勢(shì)變化的亮度溫度。

在求算亮度溫度的過(guò)程中，首先要將Landsat T M/ET M＋數(shù)據(jù)第6波段的灰度值（DN值）轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的熱輻射亮度值，其次，再將熱輻射亮度值轉(zhuǎn)換成亮度溫度。公式如下：

式中：L——輻射亮度；DN——像元灰度值；Gain——增益；Bias——偏移值，計(jì)算得到的輻射亮度〔W/（m2·sr·μm）〕。求得熱輻射亮度L后，再利用如下公式將其轉(zhuǎn)化為亮度溫度：

式中：TB——亮度溫度；K1，K2——亮度反演常量。計(jì)算得到的亮度溫度單位為K。

將式（1）和式（2）合并，得到亮度溫度的計(jì)算公式：

Landsat T M/ET M＋的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 Landsat TM/ETM＋熱紅外波段相關(guān)參數(shù)值

3.2 城市熱島比例指數(shù)

由于客觀條件的限制，難以獲得一個(gè)地區(qū)不同時(shí)期的同時(shí)相遙感影像圖，為了減少不同時(shí)期遙感影像圖之間的差異，引入城市熱島比例指數(shù)（URI）［21］。城市熱島比例指數(shù)是通過(guò)計(jì)算城市熱島面積與建成區(qū)面積的比例，并賦于權(quán)重來(lái)表征熱島在城市建成區(qū)的發(fā)育程度。公式如下：

式中：URI——城市熱島比例指數(shù)；m——正規(guī)化等級(jí)指數(shù)；i——城區(qū)高于郊區(qū)的溫度等級(jí)；n——城區(qū)高于郊區(qū)的溫度等級(jí)數(shù)；W——權(quán)重值，取第i級(jí)的級(jí)值；P——第i級(jí)的百分比。城市熱島比例指數(shù)值越大，熱島現(xiàn)象越嚴(yán)重。

3.3 歸一化植被指數(shù)

植被通過(guò)光合作用、蒸騰和蒸散作用降低溫度，增加濕度，調(diào)節(jié)城市溫度［11］。歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）是反映土地覆蓋植被狀況的一種遙感指標(biāo)，主要用于檢測(cè)植被生長(zhǎng)狀態(tài)和植被覆蓋度。

式中：B4，B3——第4波段和第3波段的像元灰度值（DN 值）。

4 結(jié)果與分析

4.1 城市熱島效應(yīng)時(shí)間演變特征

為了定量分析西安市城市熱島效應(yīng)，根據(jù)式（3）分別反演出1990，2002和2007年西安市的亮度溫度。由于3期的遙感影像不是同一季的，為了提高研究的可比性，對(duì)這3期的亮度溫度進(jìn)行極值歸一化處理，并對(duì)歸一化后的亮溫進(jìn)行等級(jí)分類，將亮溫劃分為6個(gè)等級(jí)（圖1），并統(tǒng)計(jì)出各個(gè)等級(jí)的比例（表2）。從圖1中可以看出，城區(qū)中心主要是4—6級(jí)，而外圍區(qū)域的亮溫主要位于1—3級(jí)，所以，本研究將4—6級(jí)確定為城市熱島范圍。通過(guò)式（4）計(jì)算得到1990，2002，2007年西安市城市熱島比例指數(shù)分別為：0.007，0.201，0.572。從城市熱島比例指數(shù)的逐年變化看出，1990年至今，西安市城市熱島效應(yīng)逐年增加。這主要是由于自改革開放，城市中土地利用結(jié)構(gòu)和能源消耗結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，城市下墊面除少量綠地和水體外，絕大多數(shù)為人工鋪砌的導(dǎo)熱率和熱容量較大的道路和建筑物，再加之人類活動(dòng)所產(chǎn)生的熱量，使得西安市城市熱島效應(yīng)在1990—2007年呈增加趨勢(shì)。其中，又因自2000年西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，西安作為西北地區(qū)最大的中心城市，經(jīng)濟(jì)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，特別是從2001年開始，西安市生產(chǎn)總值連續(xù)8 a保持了13%以上的速度［22］，城市化進(jìn)程加快，所以，在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展下城市熱島效應(yīng)也較以前有大幅增加，表現(xiàn)在2002—2007年僅5 a的城市熱島比例指數(shù)就增加了0.371，增幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1990—2002年的增幅0.194。

表2 1990－2007年西安市城市熱島強(qiáng)度等級(jí)比例 %

4.2 城市熱島效應(yīng)空間演變特征

分析西安市熱島強(qiáng)度空間分布圖（圖1）可知：1990—2007年西安市熱島效應(yīng)逐年增強(qiáng)，且呈現(xiàn)出由中央向四周擴(kuò)散的現(xiàn)象。具體來(lái)說(shuō)，1990年西安市城市熱島效應(yīng)呈散點(diǎn)狀分布在蓮湖區(qū)和新城區(qū)，且范圍很小，僅占到0.99%。這與這一時(shí)期計(jì)劃經(jīng)濟(jì)下經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢有很大關(guān)系。2002年西安市熱島效應(yīng)凸現(xiàn)，熱島效應(yīng)范圍由散點(diǎn)分布變?yōu)槠瑺罘植迹饕性谏徍^(qū)、新城區(qū)、碑林區(qū)和雁塔區(qū)，且分布范圍也開始由蓮湖區(qū)、新城區(qū)、碑林區(qū)和雁塔區(qū)向未央?yún)^(qū)、灞橋區(qū)蔓延。到2007年，熱島效應(yīng)已基本呈連片狀覆蓋西安城區(qū)，熱島效應(yīng)占到城區(qū)總面積的83.87%，并且5，6級(jí)的熱島效應(yīng)分布范圍較2002年有大幅增加。這主要是由于實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略后，西安市土地利用類型發(fā)生了很大的變化，1990—2007年建設(shè)用地面積逐漸擴(kuò)大，耕地和未利用地逐漸減少。其中2000—2007年，耕地減少2 599.8 h m2，未利用地減少2 016.0 h m2，建設(shè)用地增加3 410.0 h m2［23］，大量以磚石、水泥和瀝青等材料為主的高熱容量，高導(dǎo)熱率，低保水性的下墊層的出現(xiàn)，以及城市天穹減少，人類活動(dòng)增加帶來(lái)的大量人為熱，造成了城市熱島效應(yīng)的加劇。其中，又以未央?yún)^(qū)和灞橋區(qū)的熱島效應(yīng)變化最為顯著，5，6級(jí)熱島效應(yīng)主要分布于此。究其原因是未央?yún)^(qū)和灞橋區(qū)自“十一五”開始，大量農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榉寝r(nóng)用地，加之一些工業(yè)重點(diǎn)項(xiàng)目的引入，人為熱大幅增加，加劇了熱島效應(yīng)。比較3個(gè)時(shí)期的土地覆蓋類型情況和圖1還可以看出熱島效應(yīng)呈現(xiàn)出與城市建設(shè)用地相同的變化態(tài)勢(shì)。

土地利用類型的變化導(dǎo)致土地覆被的變化，從而導(dǎo)致諸如植被覆蓋、生物物種量等物理特性的變化，而植被通過(guò)光合作用、蒸騰和蒸散調(diào)節(jié)城市溫度。通過(guò)比較1990，2002和2007年3 a的NDVI分布圖（圖2）和熱島強(qiáng)度空間分布圖（圖1）可知，NDVI值較低的區(qū)域，城市熱島強(qiáng)度往往高，諸如蓮湖區(qū)、新城區(qū)、碑林林區(qū)，相反，NDVI值高的區(qū)域，城市熱島強(qiáng)度反而低，例如未央?yún)^(qū)。但有一例外，灞橋區(qū)雖然有較高的NDVI值，但其城市熱島強(qiáng)度也較高，二者之間并沒(méi)有呈現(xiàn)較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這主要有兩方面的原因。一方面，灞橋區(qū)是西安集紡織、印染、航天、航空、農(nóng)副生產(chǎn)為一體的近郊區(qū)，有西北地區(qū)最大的紡織工業(yè)基地，此外，灞橋熱電廠、西安市硅酸鹽廠等多家大中型企業(yè)也位于灞橋區(qū)。另一方面，城市熱島效應(yīng)與NDVI相關(guān)性的顯著程度呈現(xiàn)由中心向邊緣遞減的格局。此外，城市熱島效應(yīng)與DNVI的相關(guān)性還受到下墊面復(fù)雜性的影響，下墊面土地結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，剖面上亮度溫度與NDVI的相關(guān)性越顯著，植被對(duì)溫度的調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)［10］。

圖1 西安市城6區(qū)熱島強(qiáng)度空間分布

圖2 西安市城6區(qū)NDVI分布圖

為了定量說(shuō)明NDVI與城市熱島效應(yīng)的相關(guān)性，以1990年為例，將西安市NDVI分布圖與西安市亮溫分布圖進(jìn)行空間相關(guān)性分析，得到相關(guān)系數(shù)－0.654 40，可見西安市NDVI與亮溫有顯著負(fù)相關(guān)，即NDVI與城市熱島效應(yīng)有顯著負(fù)相關(guān)。增加植被覆蓋對(duì)于減少城市熱島效應(yīng)具有一定的積極作用。

5 結(jié)論

本文利用3個(gè)時(shí)期的Landsat T M/ET M＋數(shù)據(jù)，對(duì)西安市1990—2007年城市熱島效應(yīng)的時(shí)空演變進(jìn)行了分析。

（1）引入城市熱島比例指數(shù)（URI）定量分析近20 a西安市城市熱島效應(yīng)的強(qiáng)度變化。研究表明，自1990年，西安市城市熱島比例指數(shù)不斷上升，2007年的城市熱島比例指數(shù)較1990年提高了0.565，西安市存在顯著的城市熱島效應(yīng)。

（2）1990—2007年，西安市城市熱島效應(yīng)呈現(xiàn)出散點(diǎn)狀—片狀—連片狀的空間形態(tài)變化特征，并呈現(xiàn)出由蓮湖區(qū)、新城區(qū)、雁塔區(qū)、碑林區(qū)向未央?yún)^(qū)、灞橋區(qū)擴(kuò)散的空間演變趨勢(shì)。

（3）通過(guò)比較分析3個(gè)時(shí)期西安市NDVI分布圖與熱島效應(yīng)分布圖，以及對(duì)1990年西安市NDVI分布圖與亮溫分布圖進(jìn)行空間相關(guān)性分析后得出二者呈顯著負(fù)相關(guān)性，所以，適當(dāng)增加城市綠地對(duì)于緩解城市熱島效應(yīng)具有積極作用。

［1] 彭少麟，周凱，葉有華，等.城市熱島效應(yīng)研究進(jìn)展［J］.生態(tài)環(huán)境，2005，14（4）：574－579.

［2] 鄧蓮堂，束炯，李朝頤.上海城市熱島的變化特征分析［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，2001，17（3）：273－280.

［3] 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)，2006，22（5）：36－40.

［4] 李福建，馬安青，丁原東，等.基于Landsat數(shù)據(jù)的城市熱島效應(yīng)研究［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2009，24（4）：553－558.

［5] 周淑貞.上海市氣候中的“五島”效應(yīng)［J］.中國(guó)科學(xué)：B輯，1988，11：1226－1234.

［6] 胡張保，俞炳豐，秦臨香.西安夏季和冬季城市熱島的多時(shí)間尺度變化特征［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2010，32（1）：111－115.

［7] 陳云浩，宮阿都，李京.基于地表輻射亮溫標(biāo)準(zhǔn)化的城市熱環(huán)境遙感研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，35（4）：462－467.

［8] 肖榮波，歐陽(yáng)志云，李偉峰，等.城市熱島時(shí)空特征及其影響因素［J］.氣象科學(xué)，2007，27（2）：230－236.

［9] 桑建國(guó).熱島環(huán)流的動(dòng)力學(xué)分析［J］.氣象學(xué)報(bào)，2000，58：321－327.

［10] 武鵬飛，王茂軍，張學(xué)霞.北京市植被綠度與城市熱島效應(yīng)關(guān)系研究［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（5）：54－60.

［11] 王修信，胡玉梅，劉馨，等.城市草地的小氣候調(diào)節(jié)作用初步研究［J］.廣西師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，25（3）：23－27.

［12] 夏俊士，杜培軍，張海榮，等.基于遙感數(shù)據(jù)的城市地表溫度與土地覆蓋定量研究遙［J］.感技術(shù)與應(yīng)用，2010，25（1）：15－23.

［13] 江志紅，葉麗梅.近十年南京城市熱島演變的遙感研究［J］.南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，2（2）：148－154.

［14] 馬玉霞，王式功，魏海茹.蘭州市近50年城市熱島強(qiáng)度變化特征［J］.氣象科計(jì).2009，37（6）：660－664.

［15] 朱焱，朱蓮芳，徐永明，等.基于Landsat衛(wèi)星資料的蘇州城市熱島效應(yīng)遙感分析［J］.高原氣象，2010，29（1）：244－250.

［16] 田武文.西安市氣候變暖與城市熱島效應(yīng)問(wèn)題研究［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2006，17（4）：438－443.

［17] 盧新衛(wèi)，陳鵬.西安城市化進(jìn)程與環(huán)境生態(tài)問(wèn)題研究［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2006，20（1）：7－12.

［18] 李星敏，白愛娟.西安市氣候變化與城市發(fā)展［J］.陜西氣象，1998（5）：25－28.

［19] 任春艷，吳殿廷，董鎖成.西北地區(qū)城市化對(duì)城市氣候環(huán)境的影響［J］.地理研究，2006，25（2）：233－241.

［20] 解修平，周杰，張海龍，等.基于Landsat T M的西安市城市熱島效應(yīng)研究［J］.河北師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，31（3）：397－399.

［21] 徐涵秋，陳本清.不同時(shí)相的遙感熱紅外圖像在研究城市熱島變化中的處理方法［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2003，18（3）：129－133.

［22] 佟怡.西部大開發(fā)歷經(jīng)了10年發(fā)展西安經(jīng)濟(jì)翻兩番［EB/OL］.（2010－08－02）［2010－11－10］.http：∥www.dzwww.com/rollnews/news/201008/t20100802＿6457892.ht m.

［23] 郭斌，任志遠(yuǎn).西安城區(qū)土地利用/覆被變化及生態(tài)效應(yīng)測(cè)評(píng)研究［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2009，24（4）：484－4 8 9.