內(nèi)江市城市熱島效應時空演變特征遙感分析

薛萬蓉，王 靜，但尚銘，何政偉，仇文俠

(1.四川建筑職業(yè)技術學院.測量工程研究所，四川德陽 618000;2.四川省氣候中心，四川成都 610071;3.成都理工大學，四川成都 610059;4.巴中市天然林保護工程管理中心，四川巴中 636000)

1 引言

城市熱島效應(Urban heat island effects，UHIEs或UHI)是指城市區(qū)域溫度高于郊區(qū)溫度的自然現(xiàn)象。隨著城市化進程的加快和人們對生存環(huán)境各要素提出了更高要求，城市熱島效應已經(jīng)引起社會民眾、科技領域和各國政府的廣泛關注。大量的熱量產(chǎn)生于城市中能源消耗和反射太陽輻射的建筑物，同時人類活動產(chǎn)生大量熱量，這些熱量是導致UHI的主因。

近年，城市熱島效應研究已成為城市生態(tài)環(huán)境領域研究的熱點問題。根據(jù)基礎數(shù)據(jù)的來源和研究方式劃分，UHI的研究方法有氣象資料法、布點觀測法、數(shù)值模擬法和遙感法4類［1］。4種方法中，前3類方法基本上是離散點或純概念的研究，很難真實、有效地擴展到面上，因而對于研究UHI的平面布局和內(nèi)部結構等存在著很大局限性，難以對UHI做較深入的研究。衛(wèi)星遙感具有觀測范圍大、時相多、速度快、動態(tài)性好、成本低、空間密度大等優(yōu)點，可以彌補地面觀測的不足，能夠較詳細地反映出UHI的結構。本研究利用內(nèi)江市Landsat TM/ETM+影像提取城市范圍信息和反演亮溫，進而分析熱島效應的動態(tài)演變特征。研究成果將為內(nèi)江市的城市規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護和治理等提供客觀依據(jù)和決策支持。

2 研究區(qū)概況

內(nèi)江市位于四川省東南部，沱江下游中段。地跨 29°11'～ 30°2'N，104°16'～ 105°26'E，東西長121.5 km，南北寬94.7 km。東鄰重慶，南界瀘州，西接自貢，西北連眉山市，北與資陽市相鄰。2010年，全市幅員面積5 386 km2，森林覆蓋率29.25%。

內(nèi)江市轄2區(qū)3縣，即市中區(qū)、東興區(qū)、威遠縣、資中縣、隆昌縣。2010年末總?cè)丝?25.53萬。

內(nèi)江市是四川省第2大交通樞紐，交通四通八達。成瀘鐵路、內(nèi)六鐵路、廈蓉高速、內(nèi)昆高速、內(nèi)遂高速、321國道、206省道縱貫南北，41條縣道相互連接，132條鄉(xiāng)道相互交錯，現(xiàn)有10條內(nèi)河航道，通航里程416 km。沱江自西(資中縣順河場鎮(zhèn))入境，自南(市中區(qū)沱江鄉(xiāng))出境，在瀘州匯入長江。

內(nèi)江市屬典型川中丘陵區(qū)地貌，海拔300 m～500 m。受盆地和本地自然環(huán)境的影響，具有氣候溫和、降雨量豐富、光熱充足、無霜期長的特點。平均氣溫15℃ ～28℃，1月均溫6℃ ～8℃，7月均溫26℃～28℃，最高氣溫可達41℃，最低氣溫 -5.4℃，活動積溫5 598℃左右。圖1為內(nèi)江市地理區(qū)位圖。

3 數(shù)據(jù)預處理

3.1 遙感數(shù)據(jù)源

研究使用1988年6月23日、2007年5月6日的Landsat TM影像和2000年5月10日的Landsat ETM+影像，衛(wèi)星軌道號為129/039。影像格式為Geotiff，UTM投影，3期影像地理坐標一致。3期遙感影像基本同期，影像質(zhì)量良好。

3.2 城市建成區(qū)信息提取

研究城市熱島效應，首先需要獲取城市范圍信息。由于各種原因，很難收集到各個城市在不同歷史時期的城市地圖。而遙感存檔數(shù)據(jù)客觀記錄了影像成像時刻的城市地表信息，因此可根據(jù)遙感數(shù)據(jù)提取不同城市在不同歷史時期的城市范圍。

目前，基于遙感影像提取城市建成區(qū)主要采用歸一化建筑指數(shù)法(Normalized Difference Building Index，NDBI)［2］，并結合人工目視解譯調(diào)整進行。NDBI定義為:

根據(jù)式(1)，理論上只要NDBI取值大于0的像元可歸為建成區(qū)，NDBI值小于0的像元歸為非建成區(qū)，但是這樣易造成誤提或漏提，還需要結合真彩色、假彩色影像上的城市信息特征，進行NDBI閥值調(diào)整;同時，為了提高城市建成區(qū)信息提取精度，在計算機自動提取的基礎上，還要人工調(diào)整和完善。圖2為內(nèi)江市3個時期的城市范圍信息提取結果。

圖2 研究區(qū)范圍及不同時期城市建成區(qū)信息

3.3 溫度反演

熱紅外遙感熱探測到的是城市下墊面地物的輻射溫度，這種輻射溫度是將地物視為黑體，未經(jīng)大氣校正，以像元為單位的平均地面輻射溫度，稱黑體亮度溫度，簡稱“亮溫”。用這種輻射溫度表征城市溫度場稱之為“城市亮溫熱場”［3］。由于城市區(qū)域范圍有限，可認為區(qū)域水汽狀況基本一致，因而可直接用亮溫表征城市熱場［4］。

計算TM/ETM+熱紅外波段的輻射亮溫，首先需要對熱紅外波段進行輻射定標，即利用定標系數(shù)將其灰度值(Digital Number，DN)轉(zhuǎn)換為對應的熱輻射強度值(Radiance)。

采用下式對Landsat7 ETM+熱紅外波段輻射定標［5］:

式中，Lλ為輻射強度值，單位為W·m-2·ster-1·μm-1;DN為影像灰度值;gain和bias為增益和偏移，在影像頭文件中獲取。

采用下式對TM熱紅外波段輻射定標［6］:

式中，Lλ的單位 mW·cm-2·ster-1·μm-1。

將輻射強度轉(zhuǎn)換為像元亮度溫度的公式為［5，6］:

Ts為輻射亮溫，單位:℃;Lλ為輻射強度值;k1、k2為訂正系數(shù)，對于 ETM+熱紅外波段，K1為666.093 W·m-2·ster-1·μm-1，K2為1 282.708 k;對于TM熱紅外波段，K1為60.766 mW·cm-2·ster-1·μm-1，K2為1 260.56k。

圖3～圖5是矩形研究區(qū)范圍內(nèi)3個時相亮溫反演結果。

圖3 研究區(qū)1988年6月23日亮溫圖

3.4 溫度分級

圖4 研究區(qū)2000年5月10日亮溫圖

圖5 研究區(qū)2007年5月6日亮溫圖

均值-標準差法是一種對溫度進行分級的有效方法［7］。標準差反映溫度相對于平均溫度的偏離程度，均值與標準差組合能反映不同地物溫度差異。該方法利用區(qū)域內(nèi)地表溫度平均值和不同標準差倍數(shù)組合，進行溫度的等級劃分。本研究將溫度分為高溫區(qū)、次高溫區(qū)、中溫區(qū)、次低溫區(qū)和低溫區(qū)5個等級。依據(jù)表1的劃分標準，對圖3～圖5進行亮溫等級劃分，并分別用3個時相的城市建成區(qū)范圍進行裁減，得到內(nèi)江市區(qū)3個時相的亮溫分級圖(圖6～圖8)。表中μ為圖像像元亮溫平均值，std為亮溫標準差，Ts為圖像像元亮溫值。

表1 均值-標準差法劃分亮溫等級的標準

4 熱島效應時空特征變化分析

4.1 不同溫度等級空間變化分析

圖6～圖8形象展示了1988年、2000年和2007年內(nèi)江市區(qū)不同溫度等級的空間變化特征。

內(nèi)江市建成區(qū)分為市中區(qū)和東興區(qū)兩個片區(qū)。1988年內(nèi)江市高溫區(qū)成片出現(xiàn)，大部分分布在市中區(qū)，呈環(huán)狀，內(nèi)有中溫區(qū)和次低溫區(qū)分布;東興區(qū)也有一小部分成片出現(xiàn)高溫區(qū)，靠沱江分布。到2000年，高溫區(qū)隨建成區(qū)的擴展而向外擴展，仍然呈片分布，市中區(qū)低溫與次低溫區(qū)幾乎消失，中溫區(qū)面積也明顯減少;東興區(qū)高溫區(qū)幾乎分布于整個區(qū)，其它等級溫度夾雜其中分布。再到2007年，建成區(qū)繼續(xù)擴展，熱島區(qū)外移，高溫區(qū)和次高溫區(qū)大多分布在建成區(qū)的外圈，中心區(qū)主要為中溫區(qū)和次高溫區(qū)，低溫區(qū)零星分布。

圖6 內(nèi)江市區(qū)1988年6月23日亮溫等級圖

圖7 內(nèi)江市區(qū)2000年5月10日亮溫等級圖

圖8 內(nèi)江市區(qū)2007年5月6日亮溫等級圖

上述內(nèi)江市不同溫度等級分區(qū)空間變化特征，與內(nèi)江市的城市擴展引起的景觀格局變化趨勢一致。反映出城市擴展及景觀格局變化是城市熱島效應演變的驅(qū)動力。

4.2 熱島面積變化定量分析

在ArcGIS軟件中對圖6～圖8進行定量統(tǒng)計，得到1988、2000年和2007年不等溫度等級所占面積及其比例(表2)。

表2 內(nèi)江市區(qū)3個時相溫度等級面積-比例統(tǒng)計表

通常，將溫度等級分為5級時，認為高溫區(qū)和次高溫區(qū)能代表城市熱島范圍［8］。由表2可知，1988年內(nèi)江市區(qū)熱島面積為411.5 hm2，占建成區(qū)面積的64.28%;2000年熱島面積為811.3 hm2，占建成區(qū)面積的80.94%;2007年熱島面積為717.8 hm2，占建成區(qū)面積的46.90%。從1988年～2000年，內(nèi)江市熱島面積百分比增大了16.66%，熱島效應呈增強趨勢;2000年～2007年，熱島面積所占百分比減少34.04%。由此可知，1988年～2000年～2007年間，內(nèi)江市熱島效應呈先增強再減弱的趨勢。

4.3 1988年～2000年熱島效應演變定量分析

1988年～2000年間，隨著城市化進程加劇，城市范圍不斷擴張。從空間上來講，分析內(nèi)江市1988年～2000年的熱島效應變化從兩部分入手，第1部分是1988年和2000年都是城市范圍的區(qū)域，即老城區(qū)，第2部分是1988年還不是城市范圍，到2000年已經(jīng)變成了城市的那部分，即1988年～2000年間的城市擴展區(qū)。

(1)1988年老城區(qū)熱島效應演變分析

用1988年建成區(qū)范圍裁剪2000年亮溫等級圖，再減去1988年亮溫等級圖，得到1988年～2000年間老城區(qū)亮溫等級變化圖(圖9)。

圖9 1988年老城區(qū)亮溫等級變化圖

對圖9進行統(tǒng)計，得到亮溫等級變化轉(zhuǎn)移矩陣，見表3。

表3 1988年老城區(qū)亮溫等級轉(zhuǎn)移矩陣 (單位:hm2)

結合圖9和表3綜合分析，1988年～2000年間，內(nèi)江市老城區(qū)亮溫等級無變化區(qū)面積最大，為354.51 hm2，占總面積的55.38%;亮溫等級升高區(qū)次之，面積為222.39 hm2，占34.74%;亮溫等級降低區(qū)面積最小，為63.27 hm2，占9.88%。

(2)2000年城市擴展區(qū)熱島效應變化分析

用2000年建成區(qū)范圍掩膜1988年建成區(qū)范圍，得到內(nèi)江市1988年～2000年城市擴展區(qū)。再用城市擴展區(qū)范圍分別掩膜研究區(qū)2000年、1988年亮溫分級圖，兩者再做差值運算，得到內(nèi)江市1988年～2000年城市擴展區(qū)亮溫等級變化圖(圖10)。

圖10 2000年城市擴展區(qū)亮溫等級變化圖

對圖10進行統(tǒng)計，得到亮溫等級變化轉(zhuǎn)移矩陣，見表4。

表4 2000年城市擴展區(qū)亮溫等級轉(zhuǎn)移矩陣(單位:hm2)

從表4可以看出，1988年～2000年，內(nèi)江市城市擴展區(qū)亮溫等級升高區(qū)占絕對優(yōu)勢，面積為249.93 hm2，占城市擴展區(qū)總面積的68.94%;其次為亮溫等級無變化區(qū)，面積為 88.38 hm2，占24.38%;亮溫等級降低區(qū)面積最小，為24.21 hm2，占6.68%。

4.4 2000年～2007年熱島效應演變定量分析

(1)2000年老城區(qū)熱島效應演變分析

用2000年城區(qū)范圍裁剪2007年亮溫等級圖，減去2000年亮溫等級圖，得到2000年老城區(qū)亮溫等級變化圖(圖11)。

圖11 2000年老城區(qū)亮溫等級變化圖

對圖11進行統(tǒng)計，得到溫度等級變化轉(zhuǎn)移矩陣，見表5。

表5 2000年老城區(qū)亮溫等級轉(zhuǎn)移矩陣 (單位:hm2)

結合圖11和表5綜合分析，2000年～2007年間，內(nèi)江市2000年老城區(qū)亮溫等級降低區(qū)面積最大，為740.97 hm2，占老城區(qū)面積的73.92%;亮溫等級無變化區(qū)次之，為223.65 hm2，占22.31%;亮溫等級升高區(qū)面積最小，為37.80 hm2，占3.77%。

(2)城市擴展區(qū)熱島效應變化定量分析

用2007年建成區(qū)范圍掩膜2000年建成區(qū)范圍，得到內(nèi)江市2000年～2007年城市擴展區(qū)。再用城市擴展區(qū)范圍分別掩膜研究區(qū)2007年、2000年亮溫分級圖，兩者再做差值運算，得到內(nèi)江市2000年～2007年城市擴展區(qū)亮溫等級變化圖(圖12)。

對圖12進行統(tǒng)計，得到溫度等級變化轉(zhuǎn)移矩陣，見表6。

圖12 2007年城市擴展區(qū)亮溫等級變化圖

表6 2007年城市擴展區(qū)亮溫等級轉(zhuǎn)移矩陣(單位:hm2)

從表6可以看出，2000年～2007年間，內(nèi)江市城市擴展區(qū)亮溫等級升高區(qū)面積最大，為231.84 hm2，占城市擴展區(qū)總面積的43.77%;其次為亮溫等級無變化區(qū)，面積為158.40 hm2，占29.91%;亮溫等級降低區(qū)面積最小，為 139.41 hm2，占26.32%。

5 結論

(1)Landsat影像在城市熱島效應研究中具有重要應用價值。尤其是TM/ETM+的熱紅外波段(第6波段)反演的亮溫，可以很好地反映區(qū)域熱場分布，為城市熱島效應評價提供客觀準確的基礎信息。而且，Landsat影像具有多時相序列的存檔數(shù)據(jù)，非常適合于熱島效應的動態(tài)監(jiān)測和評價。

(2)在1988年、2000年和2007年3個時相，內(nèi)江市區(qū)的高溫區(qū)和較高溫區(qū)都占據(jù)了較大的面積比例，這說明內(nèi)江市存在明顯的城市熱島效應，但面積所占比例先升高再降低，表明1988年～2000年～2007年間，內(nèi)江市熱島效應呈現(xiàn)出先增強再減弱的趨勢。

(3)1988年～2000年間，老城區(qū)范圍內(nèi)熱島效應基本穩(wěn)定，城市擴展區(qū)范圍熱島效應急劇增強，此時段內(nèi)熱島效應表現(xiàn)為總體增強;2000年～2007年間，老城區(qū)范圍內(nèi)熱島效應呈減弱趨勢，城市擴展區(qū)范圍熱島效應增強，但不如1988年～2000年間擴展區(qū)的增強力度大，此時段內(nèi)熱島效應表現(xiàn)為總體減弱。

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