基于遙感的重慶市主城區(qū)城市熱環(huán)境研究

肖蓓蓓

(1．重慶欣榮土地房屋勘測(cè)技術(shù)研究所，重慶 400020 ；

2．重慶市土地利用與遙感監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心，重慶 400020)

基于遙感的重慶市主城區(qū)城市熱環(huán)境研究

肖蓓蓓1，2

(1．重慶欣榮土地房屋勘測(cè)技術(shù)研究所，重慶 400020 ；

2．重慶市土地利用與遙感監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心，重慶 400020)

摘要：在遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)支持下，以L(fǎng)ANDSAT5為數(shù)據(jù)源，運(yùn)用遙感熱紅外影像的地溫反演技術(shù)和植被指數(shù)對(duì)重慶市主城區(qū)的熱環(huán)境進(jìn)行了研究，以揭示重慶市主城區(qū)城市熱環(huán)境的空間格局及其與植被的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)：重慶市主城區(qū)存在明顯的熱島效應(yīng)，熱島主要分布在車(chē)站、工業(yè)區(qū)、城市交通干道等區(qū)域，而城市交通網(wǎng)對(duì)于熱島的空間分布有很大影響，即城市熱島常常沿著交通干線(xiàn)分布；對(duì)地表溫度與植被指數(shù)格局對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，城市地表溫度與植被指數(shù)有著大致相反的空間分布規(guī)律，城市地表溫度高的區(qū)域?qū)?yīng)的植被指數(shù)一般都比較低，而地表溫度低的區(qū)域?qū)?yīng)的植被指數(shù)一般都比較高，二者在城市建筑、交通干道上表現(xiàn)得特別明顯，對(duì)溫度與植被指數(shù)的回歸分析發(fā)現(xiàn)地表溫度與植被指數(shù)之間呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，植被指數(shù)升高0.1，平均地表溫度則降低大約1.3℃。

關(guān)鍵詞：城市熱環(huán)境；衛(wèi)星遙感；植被指數(shù)；重慶

1引言

隨著城市化進(jìn)程不斷加速，隨之而帶來(lái)的城市生態(tài)環(huán)境問(wèn)題也引起了廣泛的關(guān)注[1,2]，其中的“城市熱島”是受到人類(lèi)關(guān)注較早且廣泛的一種環(huán)境問(wèn)題。傳統(tǒng)的熱島研究方法包括單站氣溫變化趨勢(shì)法、一個(gè)或幾個(gè)城市站和一個(gè)或幾個(gè)鄉(xiāng)村站氣溫變化趨勢(shì)比較法、一對(duì)或一組城市與鄉(xiāng)村站溫差比較法、城市和城郊固定站網(wǎng)的溫度分布法等，這些方法對(duì)“城市熱島”效應(yīng)的研究發(fā)揮著重要作用[3]；隨著地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)尤其是熱紅外技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了對(duì)因城市下墊面性質(zhì)的差異引起的地表溫度差異的熱島研究，這種地表溫度熱島與傳統(tǒng)的氣溫?zé)釐u是互相聯(lián)系的但又不相同的，與氣溫?zé)釐u相比，地表溫度熱島的成因更簡(jiǎn)單一些，它主要決定于地表的溫度，而氣溫?zé)釐u除上述因素外，還與平流的影響有關(guān)，盡管二者存在差別，但氣溫?zé)釐u與地表溫度熱島的時(shí)空分布卻是相似的，都可以用來(lái)研究揭示“城市熱島”現(xiàn)象[3]，因而也被廣泛用來(lái)研究城市的熱島現(xiàn)象(本研究中所指的熱島便是指地表溫度熱島，下同)，這種方法通過(guò)熱紅外傳感器探測(cè)城市地表溫度，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)對(duì)所獲取的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理數(shù)據(jù)分析，能夠全面地探測(cè)城市地表溫度特征，還能周期性、動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)城市熱環(huán)境的變化趨勢(shì)[4]，為“城市熱島”效應(yīng)的研究提供了新的技術(shù)手段[5]，極大地促進(jìn)了“城市熱島”效應(yīng)的研究。

重慶市是我國(guó)最年輕的直轄市，是長(zhǎng)江上游的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，主城區(qū)大規(guī)模的城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)強(qiáng)烈地改變著地表的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致地表水分蒸騰減少、徑流加速、顯熱的存儲(chǔ)等一系列環(huán)境問(wèn)題[1]，使得重慶主城區(qū)的熱島效應(yīng)日益顯著，對(duì)人們的日常生產(chǎn)生活產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，然而針對(duì)重慶主城區(qū)熱島的專(zhuān)門(mén)研究的報(bào)道卻很少。因此，本文在地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)的支持下，采用LANSAT5的熱紅外影像對(duì)重慶市主城區(qū)的地表溫度進(jìn)行定量反演，得到了重慶市主城區(qū)地表熱場(chǎng)的格局，并在此基礎(chǔ)上探討了“城市熱島”與植被指數(shù)之間的關(guān)系，其研究結(jié)果對(duì)于城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)，改善城市人居環(huán)境，促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[10]。

2資料與方法

2.1　研究區(qū)域

本研究以重慶市主城區(qū)為研究區(qū)域(主要包括內(nèi)環(huán)高速以?xún)?nèi)的重慶市主城區(qū)和銅鑼山、中梁山的部分區(qū)域)，東西長(zhǎng)約24km，南北長(zhǎng)約20km，面積約480km2，地理位置介于東經(jīng)106°22′53″~106°37′57″之間，北緯29°26′31″~29°37′37″之間；地形從南北向長(zhǎng)江河谷傾斜，起伏較大，重慶主城區(qū)位于南北走向的銅鑼山與中梁山之間，多為丘陵和低山，海拔約200~350m，是典型的山城，長(zhǎng)江、嘉陵江穿行于研究區(qū)內(nèi)并在朝天門(mén)匯合；氣候?qū)賮啛釒駶?rùn)季風(fēng)性，雨量充沛，空氣濕潤(rùn)。研究區(qū)的地理位置如圖1。

圖1　研究區(qū)域示意圖

2.2　數(shù)據(jù)及其預(yù)處理

本文利用的溫度反演數(shù)據(jù)為2004年8月LANDSAT5的第6波段數(shù)據(jù)，該影像圖像清晰，成像條件較好，可用于溫度反演計(jì)算；所用的幾何校正參考數(shù)據(jù)為1∶50000的地形圖，在遙感圖像處理軟件ERDAS中對(duì)遙感影像的幾何變形進(jìn)行較正，保證配準(zhǔn)時(shí)的剩余誤差在一個(gè)像元以?xún)?nèi)，以達(dá)到精度的要求；其它的輔助數(shù)據(jù)包括重慶市主城街道圖、行政區(qū)劃圖等。

2.3　城市地表溫度反演

衛(wèi)星傳感器輸出的數(shù)值只是電信號(hào)數(shù)值或模擬量，我們所得到的數(shù)據(jù)是以灰度值(DN, Digital Number)來(lái)表示的，不是實(shí)際的反射或輻射強(qiáng)度；在推算地表真實(shí)溫度之前，必須從TM數(shù)據(jù)中求算地表輻射強(qiáng)度[11]。對(duì)于LANDSAT5而言，輻射定標(biāo)常常采用定標(biāo)系數(shù)(增益和偏移系數(shù))把DN值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的熱輻射強(qiáng)度值，其輻射校正公式為[12]：

Lλ=gain×DN+offset

(1)

式中：Lλ為傳感器獲取的熱輻射值，gain為衛(wèi)星的增益系數(shù)，offset為偏移系數(shù)，這兩個(gè)系數(shù)可以在原始影像的頭文件中獲取。

再通過(guò)輻射亮度推算亮度溫度，其計(jì)算公式為[12]：

(2)

式中：TB為亮度溫度，其中K1和K2為標(biāo)定常數(shù)，對(duì)于LANDSAT5的TM6波段而言K2=1260.56K，K1=60.776mw(cm)-2， (sr)-1(μm)-1。

最后通過(guò)輻射亮溫求算地表溫度，用比輻射率(ε)對(duì)輻射亮溫進(jìn)行校正，使之成為地表溫度[13]，其校正公式為：

(3)

式中：TS為地表溫度，TB為亮度溫度；λ為發(fā)射輻射的波長(zhǎng)，取熱紅外波段平均值λ= 11.5μm，β=1.438 ×10-2mk，ε為比輻射率。

2.4　比輻射率的計(jì)算

由于城市下墊面非常復(fù)雜，直接確定比輻射率是比較困難的，一般都采用下面的間接方法來(lái)計(jì)算ε[9，14~17]：

ε=1.0094+0.047ln(NDVI)

(4)

此公式要求NDVI的值介于0.157～0.727之間，對(duì)于城市而言，有很多小于0.157的像元，主要由裸露地和水體組成，從這部分地表中提取出水體后，剩下的是裸露地表，主要由城市水泥、瀝青路面或屋頂組成，據(jù)相關(guān)的研究，將其比輻射率定為0.923[18]，而水面，根據(jù)相關(guān)研究將其比輻射率定為0.9925[19]。根據(jù)公式得到地表比輻射率分布如圖2。

圖2　重慶主城區(qū)地表比輻射率的空間格局

2.5　植被指數(shù)的計(jì)算

城市熱環(huán)境與植被是緊密相關(guān)的，而NDVI是表征地表植被覆蓋特征的一種常用的植被指數(shù)[26]，其計(jì)算公式如下:

(5)

式中：B4和B3分別為T(mén)M影像在第4波段(近紅外波段)和第3波段(紅色波段)的反射率，植被指數(shù)可以在遙感處理軟件ERDASA中直接計(jì)算得到，圖3b即為重慶市主城區(qū)的植被指數(shù)分布圖。

圖3　重慶市主城區(qū)地表溫度與植被指數(shù)(NDVI)的空間格局

3結(jié)果與分析

3.1　城市熱環(huán)境空間分布特征

根據(jù)上述的地表溫度反演方法對(duì)2004年8月TM5的重慶主城區(qū)地表溫度進(jìn)行了處理。圖3a提供了重慶市主城區(qū)地表溫度的反演結(jié)果。圖上顯示城區(qū)的溫度要高于城郊地區(qū)，具有明顯的“城市熱島”效應(yīng)，由于受到城市復(fù)雜下墊面性質(zhì)的影響，在城區(qū)內(nèi)部地表溫度的差異也十分顯著，高溫區(qū)主要分布在城區(qū)的城市建筑和交通干道上，如居民生活區(qū)、車(chē)站、工業(yè)區(qū)等，這些地方主要是由金屬、瀝青、水泥等不可滲透材料構(gòu)成的，而且人口密度相對(duì)較大，人為活動(dòng)頻繁，建筑物多而且密集，植被覆蓋較差，因而產(chǎn)生的熱量較多；而城市交通網(wǎng)對(duì)熱島的空間分布有很大影響，這與車(chē)輛排出的尾氣和路面的下墊面性質(zhì)有關(guān)，而且隨著交通干線(xiàn)的延伸，城市建設(shè)也常沿交通干線(xiàn)布局，往往形成新的工業(yè)區(qū)、居住區(qū)，最為典型的是沿高速公路發(fā)展起來(lái)的新型工業(yè)區(qū)，形成了的城市明顯的高溫區(qū)，對(duì)“城市熱島”的形成起到了明顯的促進(jìn)作用。圖3a清楚地顯示重慶主城區(qū)的內(nèi)環(huán)高速、北濱路等城市主干道；渝北的火車(chē)北站、汽車(chē)北站；江北區(qū)的長(zhǎng)安汽車(chē)集團(tuán)；沙坪壩區(qū)的火車(chē)站、汽車(chē)站；渝中區(qū)的菜袁壩火車(chē)站；九龍坡區(qū)的九龍園區(qū)、建設(shè)工業(yè)集團(tuán)；大渡口區(qū)的重慶鋼鐵集團(tuán)公司、重鋼廢金屬?gòu)S等形成了重慶主城區(qū)的主要熱島區(qū)域，其溫度要明顯地高于周邊地區(qū)。

水體、公園和綠地具有明顯的降低城市溫度的作用，其對(duì)應(yīng)溫度一般都較低，水體的熱容量很大，是城市氣候的調(diào)節(jié)器；綠地植物可以發(fā)揮其降溫增濕的生態(tài)作用，對(duì)周?chē)h(huán)境有一定的調(diào)節(jié)能力。從圖3a上可以清楚地看出長(zhǎng)江和嘉陵江形成了一個(gè)最為明顯的低溫區(qū)，而具有主城“肺葉”之稱(chēng)的中梁山和銅鑼山因?yàn)楦叩闹脖桓采w也形成了明顯的低溫區(qū)，而在城區(qū)內(nèi)幾個(gè)較大的公園綠地、水庫(kù)也形成了低溫中心，這些區(qū)域被高溫區(qū)所包圍形成了城市的“冷島”，特別是中梁山和銅鑼山對(duì)主城區(qū)氣候的調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要的作用。

3.2　地表(下同)溫度與植被指數(shù)的空間差異

城市熱環(huán)境與植被是緊密相關(guān)的，而NDVI是表征地表植被覆蓋特征的一種常用的植被指數(shù)[20]，NDVI在一定程度上代表了土地利用/覆蓋的變化情況，探討NDVI與地表溫度的關(guān)系，在一定程度上代表了植被覆蓋與地表溫度的關(guān)系。

圖3同時(shí)提供了重慶主城區(qū)地表溫度和植被指數(shù)(NDVI)的格局信息，從兩圖的空間分布圖上總體來(lái)看，地表溫度與NDVI在空間變化上具有大致相反的趨勢(shì)。對(duì)于地表溫度來(lái)說(shuō)，主城區(qū)要高于城郊地區(qū)，而NDVI則相反，城郊地區(qū)要明顯高于主城區(qū)；二者對(duì)于一些城市建筑、高速公路、城市主要道路都具有較強(qiáng)的敏感性，不過(guò)地表溫度對(duì)應(yīng)的是高值區(qū)，而NDVI則為低值區(qū)；對(duì)公園綠地、森林景觀(guān)來(lái)說(shuō)，NDVI則表現(xiàn)為高值區(qū)，地表溫度則為低值區(qū)，中梁山和銅鑼山是在城市熱環(huán)境中形成了低溫區(qū)域，而對(duì)應(yīng)的NDVI則是高值區(qū)域。水體則是一個(gè)特例，從圖上可以看出二者都形成了低值區(qū)，其中以嘉陵江和長(zhǎng)江最為明顯。

為了更直觀(guān)、定量化地研究地表溫度與NDVI的關(guān)系，在東西和南北方向上各選擇了一個(gè)剖面，并利用遙感處理軟件ENVI分別提取了每個(gè)剖面上的地表溫度與NDVI的值，結(jié)果如圖4和圖5，從圖上可以清楚地看出，無(wú)論是東西方向還是南北方向上，地表溫度和NDVI的值都具有大致相反的變化趨勢(shì)，地表溫度高的區(qū)域?qū)?yīng)NDVI一般都較低，例如在東西方向上的九龍園區(qū)，南北方向上的火車(chē)北站的溫度都比較高，而對(duì)應(yīng)的NDVI值都較低，而地表溫度低的區(qū)域?qū)?yīng)NDVI一般都較高，例如在東西方向上的南山，南北方向上的龍頭寺公園都具有這個(gè)特征，而水體依然是個(gè)例外，在兩個(gè)剖面方向上的長(zhǎng)江和嘉陵江的溫度和NDVI都有形成了低值區(qū)域。

將兩個(gè)剖面的地表溫度與NDVI(去除水體)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到SPSS中，經(jīng)過(guò)回歸分析得到地表溫度()與NDVI之間的回歸方程為：

T=312.463-12.972DNVI

(6)

方程的相關(guān)系數(shù)為0.816，相關(guān)系數(shù)在0.01置信水平上是顯著的，從中可以發(fā)現(xiàn)地表溫度與NDVI具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，NDVI每升高0.1，平均地表溫度則降低大約1.3℃，可見(jiàn)城市地表植被對(duì)重慶市主城區(qū)熱島的形成有重要的影響，這比相關(guān)的研究要稍微偏大[7,21]，說(shuō)明了重慶市主城區(qū)地表溫度受NDVI的變化較為敏感。而有研究也表明植被覆蓋度在較低水平時(shí)，其對(duì)地表溫度的影響要高于高植被蓋度區(qū)域[9]，這也說(shuō)明了重慶市城市的植被覆蓋還處于較低的水平。

3.3　緩解城市熱島的建議

從公式中6中可以看出要降低城市地表的溫度就要提高NDVI值，不同的土地利用類(lèi)型的NDVI值差異較大，對(duì)城市熱場(chǎng)變化有著重要的影響，火車(chē)站、汽車(chē)站、工業(yè)園區(qū)用地NDVI值較低，極易形成城市的熱島，因此應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)這類(lèi)用地的規(guī)劃管理，盡可能地在遠(yuǎn)離城市的區(qū)域安排此類(lèi)用地，并配合大面積的綠化帶，改善小氣候。城市植被具有較高的NDVI值，對(duì)熱島效應(yīng)具有良好的緩解作用，因此在城市規(guī)劃與建設(shè)中要盡可能地提高城市綠化率，構(gòu)建良好綠化結(jié)構(gòu)，另外由于重慶特殊的地理環(huán)境，山地、丘陵多，平地少，城市用地緊張，建筑密度大，應(yīng)因地制宜，大力提倡屋頂綠化，這既可以有效增加綠化面積，緩解用地矛盾，還可以美化城市環(huán)境，防暑降溫，弱化城市熱島效應(yīng)。

4結(jié)語(yǔ)

本文在地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)的支持下，利用熱紅外遙感影像對(duì)重慶市主城區(qū)的地表溫度進(jìn)行了反演，得到了主城區(qū)的熱環(huán)境和植被指數(shù)的空間分布格局，研究發(fā)現(xiàn)重慶市主城區(qū)存在明顯的熱島效應(yīng)，而城市內(nèi)部熱島效應(yīng)也具有很大的差異性，其熱島主要分布在車(chē)站、工業(yè)區(qū)、城市交通干道等區(qū)域，而城市交通網(wǎng)對(duì)于熱島的空間分布有很大影響，即“城市熱島”常常沿著交通干線(xiàn)分布；而在一些公園、水體、森林的表面上形成了一些大大小小的“冷島”區(qū)域，以長(zhǎng)江和喜陵江，中梁山和銅鑼山最為明顯。

對(duì)地表溫度與植被指數(shù)格局對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，城市地表溫度與植被指數(shù)有著大致相反的空間分布規(guī)律，城市地表溫度高的區(qū)域?qū)?yīng)的植被指數(shù)一般都比較低，而地表溫度低的區(qū)域?qū)?yīng)的植被指數(shù)一般都比較高，二者在城市建筑、交通干道上表現(xiàn)得特別明顯，而水體則例外，二者都對(duì)應(yīng)著低值區(qū)域；進(jìn)一步地采用剖面線(xiàn)的方法地

圖4　東西剖面地表溫度和NDVI的格局

圖5　南北剖面地表溫度和NDVI的格局

表溫度和植被指數(shù)的東西和南北方向上各取一剖面，對(duì)同一剖面的地表溫度和植被指數(shù)的對(duì)比分析更加進(jìn)一步證實(shí)了此規(guī)律，利用SPSS對(duì)剖面的地表溫度與植被指數(shù)的回歸分析發(fā)現(xiàn)地表溫度與植被指數(shù)之間呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，植被指數(shù)升高0.1，平均地表溫度則降低大約1.3℃?？梢?jiàn)地表植被對(duì)重慶市主城區(qū)熱島的形成有重要的影響。

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StudyontheUrbanThermalEnvironment

ofChongqingMunicipalityBasedonRemoteSensing

XiaoBeibei

(1. Chongqing Jubilant Land and Housing Investigation Techniques Institute, Chongqing 400020, China;

2.Chongqing Engineering Research Center of Land Use and Remote-Sense Monitoring,Chongqing 400020,China)

Abstract:With the technical support of remote sensing and geographical information system, this article takes LANDSAT5 as data source and studies the urban thermal environment in main urban area of Chongqing based on surface temperature inverse technique of thermal infrared remote sensing image and vegetation index, which aims to reveal the spatial pattern of the urban thermal environment and its correlation with vegetation. The results show that there is an intense urban heat island effect in Chongqing municipality. Heat islands mainly distribute in the bus or railway stations, the industrial area and the artery of the transport. and the net of the transport greatly affects the spatial distribution of the heat island, which means the urban heat islands usually distribute along the arterial traffic; the comparative study on the land surface temperature and the vegetation index indicates that there's an opposite spatial distribution pattern of urban land temperature and vegetation index. In the urban architectures and the artery of the transport, the differences are quite obvious. The area with the high land surface temperature always has a low vegetation index while the area with the low land surface temperature always has a high vegetation index. The results of regressive analysis show that there is a significant negative correlation between the land surface temperature and vegetation index. In general, the vegetation index increases 0.1 and the average land surface temperature decreases about 1.3℃.

Key words:urban thermal environment; satellite remote sensing; vegetation index; Chongqing

中圖分類(lèi)號(hào)：TP79

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944(2015)04-0036-05

作者簡(jiǎn)介：肖蓓蓓(1981—)，女，四川邛崍人，工程師，碩士，主要從事土地利用規(guī)劃、國(guó)土遙感等方面工作。

收稿日期：2015-03-02