基于RS的綿陽市熱島效應(yīng)遙感分析

摘 要：隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，城市中的環(huán)境污染問題也日益嚴(yán)重，表現(xiàn)為城市比周圍非城市地區(qū)的地表和大氣溫度要高的熱島效應(yīng)作為這些環(huán)境問題中的典型代表有著重要的研究意義。該文利用綿陽地區(qū)2005年和2011年Landsat ETM+熱紅外波段數(shù)據(jù)，運用單窗算法地表溫度反演得到綿陽地區(qū)地面溫度分布圖，從反演的結(jié)果可以看出綿陽城區(qū)地表溫度明顯高于郊區(qū)，市中心溫度最高，城區(qū)不同地表覆蓋類型的地表溫度也有顯著差異。

關(guān)鍵詞：綿陽市；熱島效應(yīng)；Landsat ETM+；熱紅外波段；單窗算法

中圖分類號 P46 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）13-143-06

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化日益加快，城市逐步成為人們的主要活動中心。世界上已有超過1/3的人口生活在城鎮(zhèn)或城市，到本世紀(jì)末期可能會達(dá)到2/3，如某些發(fā)達(dá)國家已有80%以上的人口生活居住在城鎮(zhèn)。城市是人口高度密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的地區(qū)，也是能量消耗最大、地表變化最大、空氣污染最嚴(yán)重的地區(qū)。

導(dǎo)致城市熱島形成的原因，可分為內(nèi)部原因和外部原因兩種。城市化的人為因素是形成城市熱島的內(nèi)部因素。城市的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能與鄉(xiāng)村的差異是造成熱島效應(yīng)的首要因素。城市熱島不只是對局部區(qū)域的氣象和氣候有影響，氣象學(xué)家們已經(jīng)注意到城市化進(jìn)程對全球氣候變化的影響。統(tǒng)計分析證實，一些特大型城市年平均氣溫的增暖幅度明顯大于全球平均變暖的幅度，城市熱島效應(yīng)的影響造成了評估全球氣候變暖幅度的不確定性。數(shù)值試驗表明，在大城市群增大擴(kuò)展的地區(qū)，近地面氣溫全年都在升高，增加幅度為0.5～1℃，這種增溫效應(yīng)以大城市群為中心向四周比較均勻的擴(kuò)散。

1 研究的方法、內(nèi)容和技術(shù)路線

1.1 技術(shù)現(xiàn)狀及研究發(fā)展趨勢 城市熱島效應(yīng)的加劇，對人類的生產(chǎn)生活帶來的影響也越來越大，城市熱島效應(yīng)使炎熱的夏天更為酷熱難耐，使各種疾病的發(fā)生與傳播的幾率大大提高，也使降溫設(shè)備的能源消耗越來越大。研究表明，由于城市熱島效應(yīng)的存在，導(dǎo)致高緯度區(qū)域冬日的污染程度將加重；熱島高溫區(qū)域的底層大氣中也會形成懸浮逆溫層，直接阻礙大氣中污染物的擴(kuò)散。此外，城市熱島效應(yīng)還能引發(fā)氣候、物候等自然災(zāi)害。

城市熱島效應(yīng)不僅會對人體造成危害，還能對經(jīng)濟(jì)造成一定損失，已成為公認(rèn)的城市危害。國內(nèi)外學(xué)者對城市熱島效應(yīng)都已進(jìn)行了深入研究，并取得了豐碩的研究成果。

1.2 研究的方法、內(nèi)容和技術(shù)路線 本文所采用的研究方法是通過遙感技術(shù)方法來研究，即通過反演遙感衛(wèi)星影像，得到地表溫度，對城市的熱島強(qiáng)度進(jìn)行分析。以綿陽市為例，研究流程如下圖所示：

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圖1 技術(shù)流程

1.3 綿陽市地理及社會概況 綿陽市（東經(jīng)103°45′～105°43′、北緯30°42′～33°03′）位于四川盆地西北部，涪江中上游地帶，距省會成都90km。受地貌影響，綿陽市境降水豐沛，徑流量大，江河縱橫，水系發(fā)達(dá)。全市境內(nèi)有大小河流及溪溝3 000余條，市境多發(fā)洪災(zāi)，洪災(zāi)的區(qū)域分布以安昌江和涪江上游出現(xiàn)的頻率最高，特別是涪江右岸及以西沿龍門山前緣一線的北川、安縣、江油最為頻繁。

根據(jù)第六次全國人口普查。綿陽市人口540萬人，常住人口數(shù)約為461萬人，全市常住人口中，居住在城鎮(zhèn)的人口約為184萬人，城鎮(zhèn)化率達(dá)39.85%。2012年，綿陽市實現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP）1 346.42億元，同比增長13.3%。

2 遙感數(shù)據(jù)來源及特點

到目前為止，全球已經(jīng)有很多學(xué)者進(jìn)行過地表溫度反演的研究，通常被用作研究的遙感影像數(shù)據(jù)包括Landsat TM/ETM+、ASTER、NOAA、AVHRR、MODIS等。由于Landsat-5搭載的TM傳感器與Landsat-7搭載的ETM+傳感器，不僅成像穩(wěn)定，而且其影像容易獲取，因此本文使用TM/ETM+的遙感影像為主要數(shù)據(jù)源。

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圖2 2005年4月23日綿陽市6波段影像

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圖3 2011年6月4日綿陽市6波段影像

本文采用的是2005年4月23日（見圖2）和2011年6月4日（見圖3）的ETM+數(shù)據(jù)，成像質(zhì)量比較好且有少量薄云。下載的圖像有1～8波段的圖像，本文選用的是6波段熱紅外波段。

3 圖像增強(qiáng)

3.1 圖像增強(qiáng)的目的 圖像增強(qiáng)是為了突出圖像中的有用信息，擴(kuò)大影像中各種地物特征之間的差別，以便于提高對圖像的解譯和分析，使圖像更能適用于實際運用。增強(qiáng)的目的有：改變灰度等級、提高對比度；消除噪聲，平滑圖像；突出邊緣，銳化圖像；形成彩色圖像；減少波段圖個數(shù)（特征選擇），突出某些信息特征。

3.2 圖像增強(qiáng)的常用方法 圖像增強(qiáng)的方法從技術(shù)上可分為兩類：空域法和頻域法。本文采用頻域法中的同態(tài)濾波法對2005年和2011年的兩幅影像進(jìn)行去云處理。此方法關(guān)鍵在于照度增益、反射率增益和截取頻率等3個參數(shù)的選擇。照度增益取值在0～1之間時，輸出圖像中照度的影響被減弱，照度增益取值大于1，則照度的影響被加強(qiáng)；反射率增益取值在0～1之間時，輸出圖像中反射率的影響被減弱；反射率增益的取值大于1，則反射率的影響被加強(qiáng)。截取頻率用于分割高頻與低頻，大于截取頻率的成份作為高頻成份，而小于截取頻率的成份作為低頻成份。從除云的效果來看，薄云的去除有時會導(dǎo)致一些信息的丟失，這是由于在濾去影像低頻成分時，同時也濾掉了一些有用的信息，為此針對不同遙感影像中云層的厚薄，選取不同的截取頻率，是同態(tài)濾波去云的關(guān)鍵。從圖4和圖5中可以看見少量薄云。圖6和圖7為圖像增強(qiáng)后的影像。

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圖4 2005年綿陽影像圖

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圖5 2011年綿陽影像圖

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圖6 2005年綿陽市增強(qiáng)影像

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圖7 2011年綿陽市增強(qiáng)影像

4 研究區(qū)地表溫度反演

4.1 遙感反演地表溫度的理論基礎(chǔ) 在熱紅外遙感的地氣輻射過程中，地面的大氣都是熱紅外輻射的輻射源，輻射能多次穿過大氣層，被大氣吸收、散射和發(fā)射。圖8為熱紅外遙感的地—氣輻射傳輸示意圖，它表現(xiàn)了熱紅外輻射的傳輸方向和過程。

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圖8 地-氣輻射傳輸示意

理論上成功的地表溫度反演方法取決于：精確地算出大氣影像；精確地算出地表輻射率；熱紅外資料本身的情況，包括光譜響應(yīng)函數(shù)的穩(wěn)定性、信噪比、輻射經(jīng)度和定標(biāo)精度等。

4.2 亮度溫度的估算 首先利用與衛(wèi)星過空時間同步的大氣數(shù)據(jù)來估計大氣對地表熱輻射的影響。然后把這部分大氣影響從衛(wèi)星上傳感器所觀測到的熱輻射總量中減去，從而得到地表熱輻射強(qiáng)度.再把這一熱輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的地表溫度。

地物比輻射率對傳感器探測輻射的影響主要有3個方面：（1）造成地物表面的輻射減??；（2）非黑體表面要反射輻射能量；（3）各向異性的反射或輻射會減小或增加地表總輻射。Landsat ETM+的遙感影像數(shù)據(jù)是用灰度值DN表示的，其值在0～255的范圍內(nèi)。數(shù)值越大，則計算得到的熱輻射強(qiáng)度值也越大，反演后得到的地表溫度就越高。Landsat遙感數(shù)據(jù)可以用它本身的熱輻射強(qiáng)度的校正公式計算熱輻射強(qiáng)度值。熱輻射強(qiáng)度計算公式如下：

[Lλ=（Gain×DN）+Offset] （1）

其中Gain和Offset值在影像頭文件中，L[λ]為熱輻射強(qiáng)度，Gain為增益系數(shù)，Offset為偏移系數(shù)，DN為象元灰度值。

4.3 地表溫度反演

4.3.1 植被覆蓋度計算 植物葉片組織對藍(lán)光470nm和紅光650nm有強(qiáng)烈吸收，而對綠光和紅外光強(qiáng)烈反射，葉片中心的海綿組織和葉片背面組織對近紅外輻射NIR，700～1 000nm反射較強(qiáng)。從紅光到近紅外光，裸地反射率較高但增幅很小。植被覆蓋越高，紅光反射越小，近紅外光反射越大。紅光吸收很快達(dá)到飽和，而近紅外光反射隨著植被增加而增加。所以，任何強(qiáng)化紅光和近紅外光差別的數(shù)學(xué)變換都可以作為植被指數(shù)，來描述植被狀況。其經(jīng)驗公式為：

NDVI=（b4-b3）/（b4+b3） （2）

公式中b4代表近紅外波段，b3代表可見光波段，NDVI為歸一化植被指數(shù)。在ENVI Band Math中輸入該公式，再輸入3和4波段影像圖，分別得到2005年（圖9）和2011年（圖10）的EDVI圖如下：

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圖9 2005年綿陽市NDVI值

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圖10 2011年綿陽市NDVI值

再利用NDVI值根據(jù)經(jīng)驗公式（3）求取植被覆蓋度，經(jīng)驗公式如下：

（b1 le 0）×0+（b1 ge 0.7）×1+（b1 gt 0 and b1 lt 0.7）×（b1/（0.7-0）） （3）

公式中b1代表NDVI值，0為影像NDVI最小值，0.7為NDVI最大值。（b1 le 0）的含義為如果NDVI值小于等于0，則植被覆蓋度賦其值為0；（b1 ge 0.7）的含義為如果NDVI值大于等于0.7，則植被覆蓋度賦值為1；（b1 gt 0 and b1 lt 0.7）的含義為NDVI值大于0而且NDVI值小于0.7。得出的植被覆蓋度影像圖11、圖12。

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圖11 2005年綿陽市植被覆蓋度影像

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圖12 2011年綿陽市植被覆蓋度影像

4.3.2 地表比輻射率計算 目前，測量比輻射率主要根據(jù)可見光和近紅外光譜信息來估計。考慮象元尺度上的地球表面是非均勻的，可以近似認(rèn)為是水體、城鎮(zhèn)、植被和土壤的混合體，采用經(jīng)驗公式（4）和混合象元分離法來進(jìn)行比輻射率的計算。經(jīng)驗公式如下：

（b2 le 0）×0.995+（b1 gt 0 and b1 lt 0.7）×（0.958 9+0.086×b2-0.067 1×b2^2）+（b1 gt 0.7）×（0.962 5+0.061 4×b2-0.046 1×b2^2） （4）

公式中b1為NDVI值，b2為植被覆蓋度，0.995代表水體的比輻射率；（0.958 9+0.08 6×b2-0.067 1×b2^2）代表居民區(qū)的比輻射率；代表裸地比輻射率的是（0.962 5+0.061 4×b2-0.046 1×b2^2）。得到的比輻射率圖13、圖14：

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圖13 2005年綿陽市地表比輻射率

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圖14 2011年綿陽市地表比輻射率

4.3.3 黑體輻射亮度值 所謂黑體是指入射的電磁波全部被吸收，既沒有反射，也沒有透射（當(dāng)然黑體仍然要向外輻射）。按照基爾霍夫輻射定律，在一定溫度下，黑體必然是輻射本領(lǐng)最大的物體，可叫做完全輻射體。根據(jù)經(jīng)驗公式：

（b2-3.39-0.6×（1-b1）×5.12）/（0.6×b1） （5）

求得兩相圖的黑體輻射亮度值。公式中b2代表熱紅外波段輻射亮度值即公式（1）所求值，3.39為上行輻射，b1為地表比輻射率，0.6為透射率，5.12為下行輻射。得到的黑體亮度值圖15、圖16。

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圖15 2005年綿陽市黑體輻射亮度值

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圖16 2011年綿陽市黑體輻射亮度值

4.3.4 地表溫度反演 為避免輻射傳輸方程對大氣輪廓線數(shù)據(jù)的依賴性，我國學(xué)者覃志豪根據(jù)地表熱輻射傳輸方程推導(dǎo)出地表溫度反演的單窗算法，建立了一種利用TM/ETM+第六波段反演地表溫度的單窗算法，這種算法充分考慮了多種地物地表比輻射率的影響，已被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用。公式如下：

1 282.71/ln（666.09/b1+1）+（-273） （6）

其中1 282.71和666.09為Landsat7ETM+B61、B62波段的參數(shù)，b1為黑體輻射亮度值，-273為絕對零度，這里加-273就是把絕對溫度轉(zhuǎn)換為攝氏度。

經(jīng)過對不同溫度密度分割處理，得到綿陽市的熱島大致分布如圖17、圖18所示。圖17中亮紅色為工業(yè)園區(qū)等高溫區(qū)，紅色為市中心和居民點集中區(qū)域，黃色代表溫度次之的離散居民區(qū)如郊區(qū)之類，藍(lán)色代表河流或水體，綠色代表植被。從圖中可以看出最熱地區(qū)大致為圖片左上部分和中下部分，通過綿陽市地圖可知該圖中上部分為市中心區(qū)域，中下部分長條狀的亮紅區(qū)為機(jī)場區(qū)，中下偏右部分為涪城南工業(yè)區(qū)。該熱島分布符合城市的熱島分布規(guī)律。

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圖17 2005年綿陽市熱島分布圖

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圖18 2011年綿陽市熱島分布圖

圖18中亮紅色為工業(yè)園區(qū)等高溫區(qū)，紅色為市中心和居民點集中區(qū)域，黃色代表溫度次之的離散居民區(qū)如郊區(qū)之類，藍(lán)色代表河流或水體，綠色代表植被。從圖18和圖17的對比中可以看出，綿陽市的熱島分布已經(jīng)擴(kuò)大很多，而且是往西部擴(kuò)展，符合城市發(fā)展的熱島分布規(guī)律。

由于兩張影像圖的季節(jié)不一樣（2005年的是春天，而2011年的是夏天），所以溫差還是有很大差異，熱島分布圖的差異也擴(kuò)大化了。

4.4 結(jié)果分析 研究結(jié)果表明：研究區(qū)的熱島區(qū)基本對應(yīng)建成區(qū)范圍，熱島區(qū)比較集中，主要分布在市區(qū)。郊區(qū)的土地利用類型主要為林地，地表溫度普遍較低。次高溫區(qū)主要分布在居民區(qū)密集、商業(yè)發(fā)達(dá)的區(qū)域，高溫區(qū)主要分布在工業(yè)發(fā)達(dá)的區(qū)域。另外，研究區(qū)內(nèi)還分散分布著很多由裸地形成的熱島區(qū)。市區(qū)的熱島區(qū)面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于郊區(qū)的熱島區(qū)面積。由兩張圖的變化可以看出：地表溫度升高的區(qū)域主要分布在西部區(qū)域，地表溫度降低的區(qū)域主要分布在東部區(qū)域。由于工廠搬遷、城市綠地面積增加、新建成商業(yè)區(qū)居民區(qū)合理的空間布局等原因，市區(qū)熱島面積相應(yīng)的有所減少。但是又因為城市的不斷擴(kuò)張、工業(yè)用地的增加，郊區(qū)熱島面積也明顯增加。總之，2005-2011年綿陽市熱島區(qū)范圍逐步擴(kuò)大，市區(qū)熱島區(qū)有所減少，郊區(qū)熱島區(qū)明顯增加，市區(qū)城市熱島效應(yīng)有所緩解。

4.5 城市熱島的緩解措施 （1）提高城市綠化率。城市綠化率與熱島強(qiáng)弱成負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)城市綠化率超過30%的時候，熱島效應(yīng)會受到明顯的削弱；當(dāng)城市綠化率超過50%的時候，熱島效應(yīng)會極大削弱。（2）合理規(guī)劃城市布局。城市規(guī)劃會直接影響到城市環(huán)境和城市氣候，為改善城市環(huán)境、減弱城市熱島效應(yīng)，需要對城市進(jìn)行合理的規(guī)劃。（3）增加城市水體面積。增加水體面積能夠明顯降低地表溫度。水體的熱容量較大，在受到相同的太陽輻射時升溫較小。（4）減少人為熱的排放。根據(jù)對全球大城市的調(diào)查，城市中3/4的人為熱來自工廠車間、空調(diào)、采暖設(shè)施等固定熱源，剩下的1/4來自小轎車、摩托車、公交車等移動熱源。

5 結(jié)論

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市熱島效應(yīng)已成為當(dāng)今城市發(fā)展面臨的一個重要的環(huán)境問題，給自然環(huán)境和人類的生產(chǎn)、生活帶來了嚴(yán)重影響，給社會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，城市熱島效應(yīng)的相關(guān)研究對緩解其造成的危害，減少社會經(jīng)濟(jì)損失有重要意義。本文以Landsat ETM+數(shù)據(jù)為主要依據(jù)，以綿陽市區(qū)域作為研究區(qū)，選取了綿陽市2005年6月和2011年4月的兩期影像，采用遙感（RS）、定量反演得出了研究區(qū)NDVI、地表比輻射率、地表亮度溫度大氣透射率等地標(biāo)參數(shù)，應(yīng)用單通道算法（即SC算法）得到研究區(qū)地表溫度，研究結(jié)果如下：

（1）本文選取綿陽市包含郊區(qū)在內(nèi)的區(qū)域作為研究區(qū)，反演得到的結(jié)果有效反應(yīng)了綿陽市市區(qū)、郊區(qū)地表溫度差異，表明了研究區(qū)城市熱島效應(yīng)的相關(guān)情況。

（2）從熱島效應(yīng)空間分布格局和熱島效應(yīng)時空演變特征兩個方面，分析說明了綿陽市2005年4月23日和2011年6月4日的熱島效應(yīng)分布情況以及2005-2011年熱島效應(yīng)演變情況。結(jié)果表明：2005-2011年綿陽市熱島區(qū)范圍逐步擴(kuò)大，市區(qū)熱島面積有所減少，郊區(qū)熱島區(qū)面積明顯增加，市區(qū)熱島效應(yīng)有所緩解。

（3）從不同角度對研究區(qū)地表溫度進(jìn)行熱島效應(yīng)分析，并提出了緩解城市熱島效應(yīng)的有效措施。

由于本文資料收集不全，研究時間有限，在研究中還存在一些問題，許多工作還有待更加深入的開展。用于熱島反演的Landsat ETM+空間分辨率不高，對反演結(jié)果的精度造成了一定影響。

城市熱島效應(yīng)是公認(rèn)的城市危害，如果不能有效降低其影響，將會影響到生態(tài)環(huán)境和人們的日常生產(chǎn)活動，但是隨著城市的不斷擴(kuò)張和人口數(shù)量的不斷增長，熱島效應(yīng)一定時期內(nèi)仍無法消除。因此，當(dāng)?shù)卣畱?yīng)該下大力氣使用多種措施緩解城市熱島效應(yīng)，這也是我們每一個公民應(yīng)盡的職責(zé)與義務(wù)。

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