基于Landsat TM／ETM＋ 的天津地區(qū)地表溫度時空分布特征研究

孫艷玲，郭 鵬，高曉燕

（天津師范大學 城市與環(huán)境科學學院，天津 300387）

基于Landsat TM／ETM＋ 的天津地區(qū)地表溫度時空分布特征研究

孫艷玲，郭 鵬，高曉燕

（天津師范大學 城市與環(huán)境科學學院，天津 300387）

以天津地區(qū)為研究對象，利用單窗算法對1993年、2001年和2009年3景Landsat TM／ETM＋遙感影像數(shù)據(jù)進行地表溫度反演，將反演結(jié)果進行標準差分類后得到地表溫度等級圖.通過對不同時期地表溫度分布進行時空分析，得到天津地表溫度高溫區(qū)在1993年到2009年期間主要集中在中心城區(qū)、濱海新區(qū)以及兩者之間道路沿線等區(qū)域，其中，中心城區(qū)高溫區(qū)不斷加劇，濱海新區(qū)高溫區(qū)從無到有、由弱到強，變化非常明顯.分析結(jié)果表明：天津地表溫度的空間分布與城市空間結(jié)構(gòu)基本吻合，變化趨勢與城市發(fā)展基本一致.

地表溫度；Landsat TM／ETM＋；天津；單窗算法

地表溫度（Land Surface Temperature，LST）是研究地表與大氣之間輻射和能量通量傳輸?shù)闹匾獏?shù).隨著城市規(guī)模不斷擴大和城市化進程不斷加快，通過城市地表溫度場了解城市熱環(huán)境及其熱島效應的研究成為當前城市氣候與環(huán)境研究中的熱點問題之一［1－2］.研究城市地表溫度分布可以揭示城市的空間結(jié)構(gòu)和城市規(guī)模的發(fā)展變化，有助于引導城市可持續(xù)發(fā)展，提高人們的居住環(huán)境質(zhì)量［3］.

近年來，國內(nèi)外通過城市地表溫度了解城市熱環(huán)境的研究很多［4－5］，歸納起來，主要可以分為通過常規(guī)定點觀測和通過衛(wèi)星遙感反演2種實現(xiàn)途徑其中定點觀測難以滿足大空間范圍地表溫度獲取的需要，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星熱紅外傳感器已成為獲取地表溫度空間分布的主要途徑.目前，用于反演地表溫度的數(shù)據(jù)源主要有NOAA／AVHRR的熱通道數(shù)據(jù)、TM／ETM＋的第6波段和MODIS的熱紅外波段數(shù)據(jù)等.相比較而言，陸地衛(wèi)星的遙感圖像數(shù)據(jù)地面分辨率較高，其熱紅外波段可用來分析地表熱輻射和溫度區(qū)域差異.此外，Landsat陸地資源衛(wèi)星已有20年的歷史，積累了豐富的遙感圖像數(shù)據(jù)資料，為研究地表溫度的時間動態(tài)變化提供了有利條件.在利用Landsat TM／ETM＋ 數(shù)據(jù)反演地表溫度的研究中，除了傳統(tǒng)上采用的大氣校正法之外，覃志豪等［6］提出了無需額外大氣參數(shù)的單窗算法，Jimёnez－Mu?oz等［7］提出了僅需單個熱紅外波段數(shù)據(jù)的普適性單通道算法.針對不同的具體實例，研究者們分別對大氣校正法、單窗算法和單通道算法進行了比較分析，如黃妙芬等［8］利用北京地區(qū)5景Landsat／TM影像和實測探空數(shù)據(jù)，分別運用大氣校正法、單窗算法和單通道算法反演了北京城區(qū)地表溫度，結(jié)果表明單窗算法與大氣校正法的結(jié)果具有較高的一致性，對只有一個熱紅外通道的Landsat／TM數(shù)據(jù)源利用單窗算法反演地表溫度，精度是可以接受的；白潔等［9］基于TM／ETM＋數(shù)據(jù)利用3種算法反演北京地區(qū)地表溫度，結(jié)果顯示，與地面實測溫度數(shù)據(jù)相比，單窗算法的結(jié)果與地面實測值一致性最好；杜嘉等［10］利用洪河濕地過境的Landsat／TM圖像、實測地面數(shù)據(jù)和MODIS地表發(fā)射率數(shù)據(jù)，運用3種算法估算地表溫度，結(jié)果同樣表明單窗算法與實測地面數(shù)據(jù)估算結(jié)果一致.

隨著天津濱海新區(qū)的快速發(fā)展，天津市區(qū)與濱海新區(qū)的建設布局不斷完善，同時也帶動了沿線地區(qū)的城市化進程，這些均對天津市的熱環(huán)境造成了一定影響.目前，對天津地區(qū)城市熱環(huán)境的研究主要基于地面觀測數(shù)據(jù)，如郭軍等［11］利用天津市區(qū)、塘沽、寧河和薊縣4個臺站1964—2006年的氣象觀測資料，分析了天津地區(qū)近40年氣溫變化的特征及其與城市化的關(guān)系，得出天津市年平均氣溫呈顯著升高趨勢、市區(qū)年平均氣溫變化幅度明顯高于其他各區(qū)的結(jié)論.韓素芹等［12］和程晨等［13］利用 TM／ETM＋熱紅外波段數(shù)據(jù)分析了天津城市熱島效應，但主要是直接利用遙感數(shù)據(jù)計算地表亮溫進行分析，而亮溫（輻射溫度）僅是衡量物體溫度的一個指標，不代表物體的真實溫度，兩者雖然密切相關(guān)，但是差異很大，所以存在一定局限性［14］.隨著熱紅外遙感基礎理論研究的深入，通過反演地表真實溫度來研究城市熱環(huán)境變化成為當前研究的主流［15－16］.因此本研究利用Landsat TM／ETM＋遙感數(shù)據(jù)，運用地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Systems GIS）技術(shù)，針對天津市的實際情況，選用單窗算法對天津市的地表溫度進行反演，分析了地表溫度的時間和空間分布特征，希望可以為天津城市建設與綠化規(guī)劃提供參考.

1 研究方法與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

本研究主要針對天津市快速城市化的地區(qū)進行地表溫度反演，即選取天津市中心城區(qū)和濱海新區(qū)作為研究區(qū)域，如圖1所示.

圖1 天津市中心城區(qū)及濱海新區(qū)示意圖Fig.1 Location of central city and Binhai new area of Tianjin

研究區(qū)域中，中心城區(qū)包括市內(nèi)6區(qū)（河北區(qū)、紅橋區(qū)、南開區(qū)、和平區(qū)、河東區(qū)和河西區(qū)）和近郊4區(qū)（東麗區(qū)、津南區(qū)、西青區(qū)和北辰區(qū)）；濱海新區(qū)包括3個區(qū)，即塘沽區(qū)、漢沽區(qū)和大港區(qū).濱海新區(qū)位于天津市中心城區(qū)的東部沿海地區(qū)，距離市中心50 km，是繼深圳經(jīng)濟特區(qū)和上海浦東新區(qū)后，帶動我國區(qū)域經(jīng)濟增長的又一重大戰(zhàn)略部署區(qū)域，對環(huán)渤海經(jīng)濟圈的快速發(fā)展具有巨大的帶動作用.

1.2 數(shù)據(jù)來源及預處理

本研究選取1993年6月15日、2001年9月1日和2009年8月30日獲取的軌道號為122／33的3景Landsat TM／ETM＋遙感第6波段數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心國際科學數(shù)據(jù)服務平臺）反演地表溫度，其中2001年9月1日的遙感數(shù)據(jù)為ETM＋影像，分辨率為60 m，其余兩景均為TM影像，分辨率為120 m.這3景遙感影像均包含了除北部薊縣外的天津市大部分地區(qū)，由于本研究的研究區(qū)域主要為天津市區(qū)和濱海新區(qū)，因此數(shù)據(jù)可以滿足研究要求.研究所用其他資料包括天津市1∶50 000地形圖和天津市行政區(qū)劃圖.

首先，在ArcGIS9.3支持下參照地形圖，對3景遙感影像進行幾何校正，將其地理坐標統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為WGS 1984 UTM Zone 50 N，中央經(jīng)線為117°E，遙感數(shù)據(jù)格式由原始的＊.tiff格式統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為＊.grid格式，以便進行柵格運算.然后，利用ArcGIS9.3中的Extract by mask工具，根據(jù)天津市行政區(qū)劃圖，對經(jīng)過校正的3景影像進行裁切，提取出研究區(qū)域內(nèi)的遙感影像數(shù)據(jù)，后續(xù)工作將僅對研究區(qū)域進行研究.

1.3 地表溫度反演算法

覃志豪等［6］通過引進大氣平均溫度，提出根據(jù)TM6波段數(shù)據(jù)反演地表溫度的單窗算法：

式（1）中：Ts是地表溫度（K）；a和b為常量，a＝－67.355 351，b＝0.458 606；Ta是大氣平均作用溫度，中緯度地區(qū)夏季的Ta＝16.011 0＋0.926 21T0，T0為近地面氣溫（K）；C＝τε，τ是大氣透射率，ε是地表比輻射率；D＝ （1－τ）［1＋ （1－ε）τ］.

τ可以根據(jù)大氣總水汽含量w（g／cm2）來估算，夏季的w如果落在0.4～1.6 g／cm2之間，則

如果w落在1.6～3.0 g／cm2之間，則

ε可以通過植被指數(shù)來估計，采用覃志豪等［17提出的算法，首先對遙感影像進行分類，將地表分為不同的覆蓋類型，然后計算各地表類型的植被指數(shù)和植被覆蓋度，從而估算出地表比輻射率值，具體算法請詳見參考文獻［17］.

Tsensor是衛(wèi)星傳感器所測的像元亮度溫度（K）亮溫計算分為2步：首先將由灰度值表示的TM／ETM＋數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應的熱輻射強度，然后根據(jù)熱輻射強度推算出相應的地表亮度溫度值.對于TM／ETM＋數(shù)據(jù)，所接收到的輻射強度與其灰度值存在如下關(guān)系：

式（2）中：L（λ）為傳感器所接收到的輻射強度，單位為 mW·cm－2·sr－1·μm－1；QDN是像元的灰度值Qmax＝255為最大灰度值；Lmin（λ）和Lmax（λ）分別為傳感器所接收到的最大和最小輻射強度，可從Landsat TM／ETM＋ 數(shù)據(jù)頭文件中獲取.

利用熱輻射強度求算亮度溫度值可用如下近似計算式：

2 結(jié)果與分析

2.1 地表溫度分布結(jié)果

利用單窗算法，在ArcGIS9.3支持下，反演出研究區(qū)域1993年6月15日、2001年9月1日和2009年8月30日的地表溫度，圖2為轉(zhuǎn)為攝氏溫度后的反演結(jié)果.針對反演得到的地表溫度分布圖（圖2），對結(jié)果進行標準差法（Standard Deviation分類，這種分類方法首先計算柵格影像LST的平均值和標準差，然后根據(jù)這2個參數(shù)通過一系列計算將研究區(qū)的LST分為7個等級，按照溫度由低到高的順序，將分類結(jié)果依次命名為極低溫區(qū)、低溫區(qū)較低溫區(qū)、中溫區(qū)、較高溫區(qū)、高溫區(qū)和極高溫區(qū).由于不同時期地表溫度分布不同，3個年份溫度區(qū)分級對應的地表溫度范圍也不同，結(jié)果如表1所示.

圖2 不同時期天津地區(qū)地表溫度分布圖Fig.2 Distribution of land surface temperature in three dates of Tianjin area

表1 標準差法分類表Tab.1 Standard deviation classification ℃

根據(jù)標準差法分類結(jié)果，對LST影像進行重采樣（Reclassify），得到各溫度區(qū)的分布狀況，如圖3所示，并由此分別計算不同時期7類溫度區(qū)所占的面積比例，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示.

圖3 研究區(qū)不同時期的各溫度區(qū)分布圖Fig.3 Distribution of temperature classes in three dates of study area

表2 天津地區(qū)3個時期的溫度區(qū)面積比例表Tab.2 Proportion of temperature areas in three dates of study area %

2.2 地表溫度空間分布特征

對比天津城區(qū)不同時期的地表溫度分布圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著天津城市化進程的不斷加快和天津濱海新區(qū)的快速發(fā)展，地表溫度空間分布發(fā)生了明顯變化，本研究對研究區(qū)域不同時期的地表溫度區(qū)分布圖（圖3）和不同溫度區(qū)面積比例（表2）進行分析.

從1993年的地表溫度分布圖可以看出，研究區(qū)域中代表高溫的高溫區(qū)和極高溫區(qū)主要分布在天津市中心城區(qū)海河兩側(cè)的沿河一帶，且主要集中在紅橋區(qū)、河北區(qū)、南開區(qū)、和平區(qū)和河東區(qū)相接壤的地區(qū)，這些區(qū)域主要為天津的老城區(qū)，在20世紀90年代人口密度較大.塘沽區(qū)沿海河下游處LST略高，但是面積較小，而且比中心城區(qū)溫度要低.同時，從圖3中可以看出，代表低溫的低溫區(qū)和極低溫區(qū)主要分布在漢沽區(qū)和塘沽區(qū).研究區(qū)域的大部分地區(qū)在1993年屬于較低溫區(qū)、中溫區(qū)和較高溫區(qū)，這3類區(qū)域的面積達到總面積的85.06%，代表高溫的高溫區(qū)和極高溫區(qū)的面積比例只有6.69%，代表低溫的低溫區(qū)和極低溫區(qū)比例為8.24%.此外，從1993年的地表溫度分布中還可以發(fā)現(xiàn)，中心城區(qū)的西北部（主要是北辰區(qū)范圍內(nèi)）和濱海新區(qū)的大港區(qū)范圍內(nèi)地表溫度也較高，這兩地在1993年屬于郊區(qū)，土地類型以農(nóng)業(yè)為主，地表溫度本應較低，但反演溫度卻與市內(nèi)六區(qū)相接近，這是因為6月份正值天津冬小麥收獲季節(jié)，地表植被覆蓋條件較差，大部分地區(qū)在這個時期主要為裸地，而且北辰區(qū)、西青區(qū)和大港區(qū)是天津主要的冬小麥種植區(qū)域，因此，1993年6月15日反演所得的這些區(qū)域的地表溫度也較高.

從2001年的地表溫度分布圖可以看出，研究區(qū)的高溫區(qū)主要分布在中心城區(qū)的市內(nèi)六區(qū)和濱海新區(qū)的塘沽一帶.其中，市內(nèi)六區(qū)極高溫區(qū)的范圍較1993年明顯變大，且呈輻射狀向周圍發(fā)展.同時，從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，在市內(nèi)六區(qū)中河西區(qū)和南開區(qū)范圍內(nèi)存在非常明顯的低溫區(qū)域，這些區(qū)域主要是公園綠地，如水上公園的水域面積較大，植被覆蓋率高，因此成為中心城區(qū)中的低溫區(qū).濱海新區(qū)中塘沽區(qū)、大港城區(qū)和漢沽城區(qū)的地表溫度均呈升高趨勢溫度區(qū)分布圖顯示塘沽區(qū)中的極高溫區(qū)主要分布在海河入?？谔?，且塘沽區(qū)高溫區(qū)的面積大于大港區(qū)和漢沽區(qū).與1993年相比，漢沽區(qū)也出現(xiàn)了明顯的高溫區(qū).此外，在市內(nèi)六區(qū)與塘沽區(qū)之間出現(xiàn)了帶狀高溫帶.統(tǒng)計結(jié)果顯示，2001年研究區(qū)域內(nèi)代表高溫的高溫區(qū)和極高溫區(qū)的面積比例為8.49%，較1993年有所增加.

2009年的地表溫度分布圖顯示，研究區(qū)域內(nèi)高溫區(qū)的分布范圍進一步擴大.除了水體覆蓋和密度較高的綠地外，市內(nèi)六區(qū)基本都屬于高溫區(qū)和極高溫區(qū)，且向四周擴散的范圍和強度較大，中心城區(qū)中4個近郊區(qū)高溫區(qū)和極高溫區(qū)的面積有所增大，濱海新區(qū)高溫區(qū)的范圍和強度也都明顯變大，特別是塘沽區(qū)內(nèi)，高溫區(qū)的范圍明顯擴大.同時，塘沽區(qū)與中心城區(qū)間的高溫帶也更加顯著，范圍逐漸變寬，這表明隨著中心城區(qū)和濱海新區(qū)之間各種交通設施的快速發(fā)展，沿途地區(qū)的城市化過程加快，城鎮(zhèn)建設用地面積增加，導致地表溫度逐漸增加.在高溫區(qū)面積不斷增加的同時，研究區(qū)域中低溫區(qū)和極低溫區(qū)的面積進一步減少.統(tǒng)計結(jié)果顯示，2009年研究區(qū)域內(nèi)高溫區(qū)和極高溫區(qū)的面積比例為11.38%，低溫區(qū)和極低溫區(qū)的比例為1.58%.

2.3 地表溫度時間分布特征

為了進一步分析天津城區(qū)和濱海新區(qū)1993年至2009年地表溫度的變化規(guī)律，分別對中心城區(qū)塘沽區(qū)、大港區(qū)和漢沽區(qū)的地表溫度等級進行了面積統(tǒng)計，結(jié)果如表3所示.

表3 不同地區(qū)不同時期各溫度區(qū)面積比例Tab.3 Proportion of temperature areas in three dates of different areas %

由表3可以看出，中心城區(qū)中低溫區(qū)和極低溫區(qū)的面積比例由1993年的1.86%下降到2001年的1.41%，2009年則下降到0.8%，可見中心城區(qū)低溫范圍在這17年中呈減小趨勢，并且2001年至2009年間的減小趨勢更為顯著.同時，高溫區(qū)和極高溫區(qū)的面積比例在1993年為9.04%，2001年增加達到10.18%，之后仍然逐年增加，在2009年達到17.39%，增幅十分明顯.其中極高溫區(qū)從無到有，面積從小到大，變化也十分明顯，這表明天津中心城區(qū)的地表溫度在不斷增加.

濱海新區(qū)中，塘沽區(qū)地表溫度增加顯著.由表3可知，1993年極低溫區(qū)和低溫區(qū)的面積比例為26.87%，極高溫區(qū)的面積比例為0.00%，高溫區(qū)的面積比例也僅為0.06%；2001年該區(qū)極低溫區(qū)和低溫區(qū)的面積比例有所下降，同時高溫區(qū)和極高溫區(qū)的面積大幅增加，面積比例達到9.19%；2009年塘沽區(qū)高溫區(qū)和極高溫區(qū)的面積比例繼續(xù)增加，同時低溫區(qū)和極低溫區(qū)的面積比例迅速下降.漢沽區(qū)從1993年到2009年也呈現(xiàn)出高溫區(qū)面積比例逐漸增加，低溫區(qū)面積比例逐漸減小的趨勢，同時還表現(xiàn)出極高溫區(qū)從無到有的特征.大港區(qū)相對于其他區(qū)域，情況有所不同，如1993年6月15日的遙感影像中，LST分布異常，這對該區(qū)1993年的各溫度區(qū)分布比例具有直接影響.

3 結(jié)論

本研究根據(jù)1993年到2009年的遙感影像數(shù)據(jù)，利用單窗算法反演出不同時期天津地區(qū)的地表溫度分布圖，并借助ArcGIS的空間分析功能對研究結(jié)果進行標準差分類，計算出不同時期各溫度區(qū)所占面積的百分比，從而對LST的空間分布及其變化趨勢進行分析.研究結(jié)果表明：1993年到2009年期間，地表溫度相對較高的區(qū)域由以市內(nèi)六區(qū)為中心逐漸發(fā)展成以市內(nèi)六區(qū)及塘沽區(qū)為中心.這種分布格局的變化同時也帶動了市內(nèi)六區(qū)和塘沽區(qū)之間地區(qū)的地表溫度變化，且影響范圍逐漸擴大，強度逐漸增強.雖然受天津市地理位置、氣候條件和農(nóng)作物成熟收割等因素的影響，一些地區(qū)存在地表溫度異常區(qū)，但通過3年的地表溫度等級圖和溫度等級統(tǒng)計表可以看出，天津中心城區(qū)和濱海新區(qū)高溫區(qū)強度從弱到強，范圍從小到大.地表溫度分布格局的變化反映了天津市空間布局的調(diào)整，即由最初的“一條扁擔挑兩頭”到以中心城區(qū)和濱海新區(qū)核心區(qū)為主副中心構(gòu)建的“一主一副”雙中心布局，再到“雙港雙城”的中心城市布局結(jié)構(gòu)［18］.

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Study on temporal and spatial variation of land surface temperature based on Landsat TM／ETM＋in Tianjin

SUNYan－ling，GUOPeng，GAOXiao－yan

（College of Urban and Environmental Science，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

The spatial and temporal variation of land surface temperature（LST）in central city and Binhai new area of Tianjin was studied with Landsat TM／ETM＋.Using mono－window algorithm，the LST was retrieved from Landsat TM／ETM＋thermal band data from three dates in 1993，2001 and 2009.Then the LST was classified into distribution maps by means of standard deviation，and the proportion of temperature class was also calculated and plotted.The results of analysis of maps and plots showed that high temperature area mainly focused in central city，Binhai new area and areas along the roads between the two areas.From 1993 to 2009，high temperature area was becoming larger and harder.The effect of high LST on central city was aggravated，and the effect of high LST on Binhai new area started from scratch，from less to more and experienced obvious changes.The results showed that in some kind of degree，the change of LST distribution reflected the adjustment of urban layout structure made by government.

land surface temperature；Landsat TM／ETM＋；Tianjin；mono－window algorithm

P463.3

A

1671－1114（2012）01－0048－06

2011－10－08

國家自然科學基金資助項目（41001022）；中國科學院知識創(chuàng)新工程重要方向資助項目（KZCX2－EW－202）

孫艷玲（1977—），女，講師，主要從事全球變化、資源環(huán)境和3S應用方面的研究.

（責任編校 紀翠榮）