基于CBERS—1 IRMSS數(shù)據(jù)的長株潭試驗區(qū)城市熱島遙感研究

黃宏業(yè) 劉俠 陳寶樹

伴隨著長株潭城市群綜合配套改革試驗區(qū)經(jīng)濟(jì)一體化的實(shí)現(xiàn)，城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市熱島效應(yīng)越來越明顯，已經(jīng)對城市氣候環(huán)境造成了很大影響。調(diào)查研究長株潭城市群熱場特征分布規(guī)律、城市熱島的形成因素、以及制定相應(yīng)的治理對策勢在必行。

本次研究使用了中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心提供的中巴資源一號衛(wèi)星紅外多光譜掃描儀 （CBERS—1 IRMSS）的長沙幅、岳陽幅白天和夜間紅外多光譜掃描儀數(shù)據(jù)（白天3景，夜間5景），另外收集了Landsat—7衛(wèi)星的熱紅外數(shù)據(jù)、長沙市土地利用圖及相關(guān)資料。

IRMSS數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于掃描系統(tǒng)的控制精度以及探測器響應(yīng)的差異，IRMSS圖像數(shù)據(jù)存在一定的畸變，盡管收集的數(shù)據(jù)經(jīng)過初步處理，但仍存在一些問題，所以有必要針對圖像各種不同問題產(chǎn)生的物理機(jī)理，對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括正反掃描錯位校正、奇偶元錯位校正、噪聲去除等步驟。

IRMSS數(shù)據(jù)信息提取

為了達(dá)到綜合分析和研究城市熱島的客觀性和合理性，必須采用多要素結(jié)合方法進(jìn)行空間分析和綜合評估。因此，要對不同衛(wèi)星圖像和其他數(shù)據(jù)進(jìn)行波段配準(zhǔn)、波段相關(guān)性及圖像合成、地理校正以及綠地特征分類和信息提取。通過數(shù)據(jù)處理后的圖像質(zhì)量良好，在空間分辨率上低于TM影象，近似于MSS影像，其多波段合成影像圖，對地物、地貌景觀的反映十分清楚。經(jīng)地理校正后生成了地理編碼數(shù)據(jù)圖像，可與不同比例尺的地形圖配準(zhǔn)，產(chǎn)生各種專題圖，并直接納入GIS系統(tǒng)，能用于城市熱島遙感綜合解譯。

城市熱島的形成機(jī)制及影響因素

根據(jù)前人資料，結(jié)合遙感圖像、實(shí)際觀察結(jié)果以及土地利用圖、城市交通旅游圖等多要素分析法進(jìn)行綜合評估，得出熱島的形成和分布與如下因素有關(guān)：熱島形成與分布主要與下墊面介質(zhì)有關(guān)；天氣、氣候等氣象因子、城市水體和城市人為熱源對熱島效應(yīng)有一定影響；植被蒸騰作用對城市熱島的降溫效應(yīng)非常明顯。另外城市建筑密度和高度也影響城市熱島的分布。

建立熱紅外圖像解譯標(biāo)志

熱紅外圖像成像波譜范圍10.5～12.5μm，它記錄地物發(fā)射熱紅外線的強(qiáng)度。地物本身具有熱輻射特性，各種地物熱輻射強(qiáng)度不同，熱容量不同，在白天和夜間熱紅外圖像上具有不同的色調(diào)和形狀，如河流和湖泊、道路和建筑物、樹林與草地、土壤，根據(jù)它們不同的熱紅外圖像色調(diào)和形狀，可以建立熱紅外圖象解譯標(biāo)志，識別不同的地物。但由于各種因素的影響，自然地物在熱紅外圖像上色調(diào)特征有一定變化，因此具體問題要具體分析。例如，由于連續(xù)的陰雨天，使得地物之間溫差大大減小，不同地物的差異難以在熱紅外影像上反映出來。

長株潭城市熱場特征分析

遙感探測到的是城市下墊面地物的輻射溫度表現(xiàn)為9波段的灰度值，這種輻射溫度與氣溫具有很好的相關(guān)性，可近似反映城市地表溫度。根據(jù)地面實(shí)測溫度（Y）和9波段灰度等值線圖相對應(yīng)點(diǎn)的灰度值（x），建立長株潭城市群溫度場數(shù)學(xué)方程（1）和（2），方程（1）表達(dá)了2000年5月14日地面溫度與灰度對應(yīng)關(guān)系，方程（2）表達(dá)了2000年2月26日地面溫度與灰度對應(yīng)關(guān)系。

Y=10.8+0.1666X （1）

Y=—23.55+0.2X（2）

2000年5月14日9波段灰度范圍在91～146，計算最高最低溫差達(dá)9.16℃，2000年2月26日9波段灰度范圍為125～146，計算最大溫差達(dá)l4.2℃，這因為冬天平均溫度低，而大工廠附近溫度較高造成的。從9波段灰度等值線圖上可推測長株潭城市群熱場高低的分布情況，線條顏色由藍(lán)一黃一紅代表溫度越來越高。為了說明方便，2000年5月14日代表夏季，2000年2月26日代表冬季。

長沙市夏季溫度受城市氣候影響，城市熱島效應(yīng)明顯，城區(qū)內(nèi)等溫線比較稀疏，溫度水平梯度小，城區(qū)邊緣氣溫水平梯度大，等溫線密集，閉合等溫線分布和走向大致與長沙市城區(qū)輪廓平行，但城區(qū)內(nèi)也可分為三個帶，西部帶、中部帶和東部帶。

西部帶為低熱場，這主要是受岳麓山綠地和眾多湖泊的影響，但其中北部工業(yè)區(qū)為局部高熱場，如長沙紡織廠、長沙鋅廠等。湘江東岸為高熱場，是人口密集區(qū)和商業(yè)繁華地區(qū)。烈士公園至南郊公園一線分布有湖南省委、湖南省政府、天心公園、賀龍體育場等單位，因其建筑密度低、綠化程度較高，為相對低溫度帶。這條低溫帶將湘江東岸的長沙市區(qū)分為兩部份，即中部帶和東部帶。其中中部帶以中山路、南門口和開福寺之間范圍溫度較高，建湘瓷廠地區(qū)溫度最高；東部帶熱場分布較分散，但長沙市溫度場最高區(qū)在其中，即曙光電子集團(tuán)廠區(qū)附近，根據(jù)（1）式推斷為34.29℃。

長沙市城區(qū)冬季溫度較低，熱島效應(yīng)不明顯，冷熱不均，氣溫水平梯度大，等溫線密集，溫度差別較大。在烈士公園、岳麓山，湘江附近為低溫帶；在局部地區(qū)形成高熱場，如人民路的曙光電子集團(tuán)和長沙毛紡織廠，另外在高橋大市場由于建筑密度高，綠化程度低，在城區(qū)東部出現(xiàn)局部高熱場。

從長株潭三市熱場特征可看出：一是夏季三市由于熱島效應(yīng)的影響，城市熱場的平面展布與建成區(qū)輪廓基本一致；冬季熱島效應(yīng)不明顯，說明城市熱島強(qiáng)度有明顯的季節(jié)變化。二是老城區(qū)與工業(yè)區(qū)溫度較高，形成高溫區(qū)，如長沙市黃興路周圍的老城區(qū)、湘潭鋼鐵廠；新建成區(qū)則由于規(guī)劃布局合理、建筑容積率低、綠化程度高呈現(xiàn)低溫區(qū)；三是綠地和水體在等值線圖上呈現(xiàn)為明顯的低溫區(qū)，例如貫穿三市的湘江，長沙市的烈士公園和岳麓山公園，株洲的株洲市漁場、神龍公園等，表明綠地和水體對城市的溫度起著重要的調(diào)節(jié)作用。

長株潭城市群熱島效應(yīng)綜合分析

城市熱島是一種城市氣溫高于郊區(qū)的現(xiàn)象，夏季城市熱島加強(qiáng)了長株潭城市高溫的酷熱程度，使居民感到不適，嚴(yán)重時會引起中暑等疾??；空調(diào)降溫既消耗能源，又污染環(huán)境，影響長株潭城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，因此削減夏季城市熱島強(qiáng)度是防御夏季高溫災(zāi)害、減輕城市熱島和保護(hù)長株潭城市生態(tài)環(huán)境的一項重要措施。

根據(jù)城市能量平衡方程Qu+QF=QH+QE+QG+QA+QP，要削減城市熱島效應(yīng)，關(guān)鍵是使方程式左邊的能量收入減少，右邊的能量支出增多。

削減人為熱（QF）的排放。措施是控制人口增長，減少城市工廠煤、石油等燃料的消耗量（如長沙曙光電子集團(tuán)、長沙毛紡織廠、長沙紡織廠和長沙鋅廠等），提高利用效率和開發(fā)新能源。對于株洲市和湘潭市兩個以重工業(yè)為主的城市，更要加強(qiáng)熱量排放的控制，特別要對排熱大戶的株洲冶煉廠和湘潭鋼鐵廠予以監(jiān)控；因為熱量排放高的，空氣污染程度也較高。由于大氣污染，天空能見度較低，將會使大氣逆輻射增加，使城市熱島效應(yīng)更加明顯。

削減城市凈輻射量（Qu）。措施是增大城市反射率，例如合理規(guī)劃城市建筑物的高度和密度，增大建筑高度（H）與街道寬度（W）之比，多用淺色涂料粉刷建筑物，擴(kuò)大天空視度，增大地面長波射出輻射。

增加城市下墊面與空氣間潛熱交換（QE）、城市植物光合作用富集能量（QP）。措施是增加城區(qū)水域面積和噴水、灑水設(shè)施。提高城市綠地覆蓋率。因為植被不僅能遮陽，吸收轉(zhuǎn)化太陽輻射能，而且可蒸騰降溫和消耗二氧化碳，減低溫室效應(yīng)，使城市下墊面與空氣間顯熱交換（QH）減少。另外在步行街、人行道、停車場等處多鋪設(shè)石板路、植草磚路等城市生態(tài)型道路，因其縫隙中的草、土壤和水分能起到降低地面溫度的作用。例如，長沙市公共綠地主要有岳簏山公園、烈士公園、南郊公園、望月公園等，其中以前三者較大，呈“品”字型分布；其他如居住區(qū)綠地、單位附屬綠地、防護(hù)綠地等則均勻分布在市區(qū)，這些地區(qū)地表溫度明顯較低，氣溫差別3～5，最大可差10左右。

長株潭城市在過去的幾年里生態(tài)環(huán)境有了很大的改善。2006年，長沙成為繼貴陽、沈陽之后的第三個國家森林城市。2007年長沙市城鄉(xiāng)綠化指標(biāo)達(dá)到或超過了國家森林城市的標(biāo)準(zhǔn)。2007年數(shù)字顯示長沙市森林覆蓋率為53.6%，城市建成區(qū)綠化覆蓋率42.41%，綠地率37。8%，人均公共綠地面積9.42平方米，基本達(dá)到《長株潭經(jīng)濟(jì)一體化“十一五”規(guī)劃》要求的人均公共綠地面積達(dá)到9平方米，區(qū)域森林覆蓋率達(dá)到并穩(wěn)定在55%以上。

根據(jù)《長株潭城市群（核心區(qū)）生態(tài)建設(shè)規(guī)劃（2006～2020）》，在長株潭城市群中大量增加綠化面積，特別是株洲、湘潭重工業(yè)城市，并盡量做到公共綠地在城市中均勻分布，點(diǎn)（區(qū)級、居住區(qū)級公園）、線（城市主要交通干線、鐵路兩側(cè)及城區(qū)內(nèi)江河兩岸）、面（市級綜合性公園、主題公園）相結(jié)合，以面為主，點(diǎn)線穿插；以小為主，中小結(jié)合，植樹與植草相結(jié)合，聯(lián)成完整的園林綠地系統(tǒng)，以減低城市熱島效應(yīng)的影響。按規(guī)劃準(zhǔn)備建設(shè)長株潭三市的沿江（湘江）風(fēng)光帶，這將使長株潭三市公共綠地增加許多，并使城市公共綠地連成一個整體，形成較完善的長株潭城市綠地系統(tǒng)。這將大大改善城市小氣候，有利于建設(shè)環(huán)境宜居、城鄉(xiāng)統(tǒng)籌的新型城市，使長株潭地區(qū)人居環(huán)境變的更加舒適。

（因版面限制，選登論文內(nèi)容有刪節(jié)。）