基于遙感分析土地利用變化對武漢城市熱島的影響

蘇振華， 何報寅, 丁 超， 劉 芳， 寇杰鋒

(1.中國科學院 測量與地球物理研究所， 武漢 430077； 2.中國科學院大學， 北京 100049)

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基于遙感分析土地利用變化對武漢城市熱島的影響

蘇振華1，2， 何報寅1*, 丁 超1，2， 劉 芳1，2， 寇杰鋒1，2

(1.中國科學院 測量與地球物理研究所， 武漢 430077； 2.中國科學院大學， 北京 100049)

城市熱島效應與城市化和土地利用變化密切相關.不透水面的擴張極大地改變了城市下墊面的熱力學性質，這是造成城市熱島效應的主要原因.利用Landsat 7 ETM+和HJ-1A衛(wèi)星多光譜遙感數(shù)據(jù)，通過人工解譯獲得2002年和2012年武漢市土地利用情況，同時利用武漢同期的MODIS合成地表溫度產(chǎn)品對城市熱島強度進行了分級，進而對城市熱島與土地利用的時空變化情況進行分析，揭示了二者之間的關系.結果顯示，武漢市城市熱島的擴張表現(xiàn)為中高強度的城市熱島以各主城區(qū)為中心向外圍延伸，并且有逐漸連接成片的趨勢，這與城市化擴張的特征基本相同.建設用地的不斷向外延伸是造成武漢城市熱島不斷增強的主要原因.

城市熱島； 土地利用； 遙感； 地表溫度； 武漢

所謂熱島效應就是城市地區(qū)氣溫高于周邊地區(qū)，在溫度上城市如同處于被郊區(qū)所包圍的“熱島”的現(xiàn)象[1]，是伴隨不斷加快的城市化進程產(chǎn)生的一種地區(qū)性氣候.1958年Manley將這種現(xiàn)象定義為城市熱島[2-3].城市化即人類對下墊面的改造活動，使自然景觀被人為景觀所取代，城市不透水面擴張，水體、綠地等透水面面積減少，地表熱力學性質、粗糙度等屬性隨之改變，這為熱島效應提供了地面條件[4].

目前我國仍然處于城市化快速發(fā)展的階段，城市熱島現(xiàn)象日益嚴重，由此帶來了一系列其他的氣候、環(huán)境以及生態(tài)問題.除在酷熱天氣條件下直接危害人類身體健康之外，熱島效應對城市系統(tǒng)的危害大多通過溫度場作用于局地氣候特性等對城市產(chǎn)生影響.例如由于城市熱島產(chǎn)生的城郊閉合環(huán)流使郊區(qū)工業(yè)產(chǎn)生的污染物聚集于城市上空不能有效擴散，城市熱島顯著的地區(qū)大氣污染情況也更為嚴重[5].城市熱島還可以通過引起暴雨增加自然災害諸如洪水、道路塌陷等的幾率；又因為溫度場改變了生物的棲息生境，部分生物生活習性隨之改變，為生態(tài)系統(tǒng)的平衡性帶來了潛在的危害[6].

目前城市熱島的研究手段主要有地面觀測、熱紅外遙感以及邊界層數(shù)值模擬等.早期的熱島研究手段較為單一，多利用氣象站點和流動觀測站等進行觀測，這種方法受到站點數(shù)量和覆蓋面積的限制，其數(shù)據(jù)的代表性較為有限.衛(wèi)星遙感技術的發(fā)展為城市熱島的研究提供了新的方法，在Landsat TM/ETM+、MODIS以及NOAA-AVHRR等數(shù)據(jù)已經(jīng)得到廣泛應用的情況下，利用遙感數(shù)據(jù)熱紅外波段進行地表溫度(Land Surface Temperature， LST)反演的技術已相當成熟.何報寅等利用MODIS的熱紅外8D合成地表溫度產(chǎn)品對武漢城市圈的地表溫度場特征進行了研究[7]，楊沈斌等利用Landsat TM/ETM+的熱紅外波段數(shù)據(jù)反演了地表溫度，并分析了北京市熱島效應的季節(jié)特征[8].中尺度數(shù)值模式的發(fā)展和成熟也為熱島效應的研究提供了一個更具有針對性的實驗模擬方法.吳慶梅等針對北京地區(qū)一次典型β中尺度暴雨過程中地形以及熱島效應對暴雨過程的影響進行了模擬，表明降水前城區(qū)的熱島效應造成的風場以及邊界層變化為β中尺度系統(tǒng)提供了有利條件[9].蒙偉光等應用WRF數(shù)值模式及其耦合的UCM(城市冠層模式)對廣州地區(qū)的一次高溫過程進行了數(shù)值模擬，獲得了較好效果[10].

出于對數(shù)據(jù)量以及研究尺度的考慮，本研究選擇MODIS熱紅外8D合成地表溫度產(chǎn)品進行城市熱島的分析.MODIS地表溫度數(shù)據(jù)的獲取途徑相對方便，在保證時間分辨率的情況下達到了足夠的空間分辨率(1 km)，并可提供白天平均溫度和夜間平均地表溫度兩種數(shù)據(jù)，為研究晝夜不同情況的溫度變化提供了可能.地表溫度對局地氣溫以及城市熱島的作用，為借助MODIS地表溫度數(shù)據(jù)研究城市熱島提供了可行性.

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)源

湖北省武漢市地處華中，位于113°41′～115°05′E， 29°58′～31°22′N之間，漢江與長江交匯處，水陸交通便利，有九省通衢之稱.武漢市在江漢平原東部，北倚大別山脈，南鄰幕阜山脈，東西橫距132 km，南北跨距為154 km，市域面積達8 494 km2，截至2012年末武漢市常住人口達1 002萬人[11].武漢地區(qū)是典型的亞熱帶季風濕潤氣候，年均氣溫約15.8℃～17.5℃，轄區(qū)內湖泊眾多，素有“百湖之市”稱號，其中全國最大的城中湖東湖位于武漢市武昌區(qū).作為傳統(tǒng)的工業(yè)城市，武漢市城市面積在全國位居前列，隨之而來的熱島效應和大氣污染情況顯著.據(jù)統(tǒng)計，2013年武漢市PM2.5超標天數(shù)達到177 d，嚴重污染主要集中于冬季和春季，其中以1月和12月最為嚴重.

本次研究覆蓋武漢市市域全境.

數(shù)據(jù)源：2002年10月份Landsat 7 ETM+行列號為122-038、122-039、123-038和123-039的四景數(shù)據(jù)多光譜影像數(shù)據(jù)、2012年12月份HJ-1A衛(wèi)星CCD1行列號為457-76和457-80兩景多光譜數(shù)據(jù)、2002年及2012年MODIS陸地標準溫度產(chǎn)品(包括8D合成地表溫度產(chǎn)品及月平均地表溫度產(chǎn)品若干).

2 數(shù)據(jù)預處理

對Landsat 7的TM數(shù)據(jù)以及HJ-1A的CCD數(shù)據(jù)分別進行輻射定標、大氣校正、幾何校正、圖像鑲嵌、裁剪及數(shù)據(jù)融合，經(jīng)過遙感人工解譯，利用通過高分辨率Quickbird影像驗證以及部分野外實地驗證(2012年)得到30 m分辨率的2002年及2012年兩期武漢市土地利用情況，如圖1所示.

圖1 武漢市土地利用類型圖

2002年地表溫度(LST)數(shù)據(jù)來自MODIS中國溫度產(chǎn)品的月合成產(chǎn)品，采用1月、4月、7月、10月地表溫度數(shù)據(jù)，包含白天和夜間兩組溫度產(chǎn)品，利用武漢市邊界矢量文件對其進行裁剪得到2002年武漢市4個時段的白天、夜間月均溫度數(shù)據(jù)；由于2012年地表溫度數(shù)據(jù)無月合成產(chǎn)品的直接下載，對批量下載得到的正弦投影的MOD11A2八天合成產(chǎn)品利用MRT(MODIS Reprojection Tool)批處理工具進行影像拼接、重投影為UTM投影、裁切處理后，在對應時間的數(shù)據(jù)中剔除有較大云量遮蓋即有過多無效值的數(shù)據(jù)，對無效值較少的數(shù)據(jù)進行擬合改正，對各月范圍內的八天合成產(chǎn)品取平均值，利用武漢市邊界矢量文件裁剪，并利用如下公式將DN值轉換為地表溫度，得到2012年對應四個時段的白天、夜間月均溫度數(shù)據(jù)：

T=0.02×DN-273.15，

式中,T為地表溫度，單位℃，DN代表數(shù)據(jù)中各像元的DN值，0.02為定標系數(shù).本研究利用Landsat7的ETM+多光譜數(shù)據(jù)、HJ-1A衛(wèi)星CCD多光譜數(shù)據(jù)解譯分別獲得武漢市兩期土地利用分類圖，利用1月、4月、7月、10月4個月份的地表溫度月均值分別代表冬、春、夏、秋4個季節(jié)的典型地表溫度情況，通過歷史對比和基于土地利用變化情況的空間分析，揭示武漢市城市化過程對城市熱島的影響及其規(guī)律.

3 分析和討論

3.1 土地利用變化情況

利用ArcGIS10.0軟件對武漢市兩期土地利用柵格圖像進行像元統(tǒng)計，結果如表1.由統(tǒng)計可見，從2002到2012年的10年間，水體面積比例由14%變?yōu)?4.2%，由于兩期數(shù)據(jù)分別來自不同的傳感器，結果存在一定誤差，可認為在武漢市目前對水體的保護政策下，水體面積得到了較有效的保持；建設用地面積比例由7.1%增長為14.1%，增長幅度接近一倍，結合土地利用類型圖(圖1)可見各城區(qū)均有向外圍延伸的趨勢，大幅擴張的區(qū)域主要分布于青山工業(yè)區(qū)、武昌高新區(qū)、漢陽經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、武漢經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)(沌口)以及漢口主城區(qū)外圍地區(qū)等，表明這段時期是武漢市快速城市化的階段，城市以極高的速度向周圍擴張；農用地面積略有減少，而林地面積的保持較差，其面積銳減30%.城市的大幅度擴張以及林地的削減也意味著更容易產(chǎn)生強度較高的城市熱島.

表1 武漢市土地利用統(tǒng)計

3.2 各土地利用類型的地表溫度變化分析

利用遙感解譯得到的土地利用柵格文件導出各土地利用類別的范圍矢量文件對2002年和2012年地表溫度月均值進行統(tǒng)計結果如圖2，可以發(fā)現(xiàn)在不同年份各土地利用類型的地表溫度分布和變化特征具有一定規(guī)律性.白天地表溫度趨勢為建設用地>農用地>林地>水體，僅在2002年冬季林地略高、2012年冬季農用地略高于城市用地、2012年秋季水體略高于林地，這是由于統(tǒng)計過程中剔除了云量較大無效值像元較多的時段，樣本數(shù)目有限，易被偶然事件所擾動，但仍可大致反映其溫度分布總體情況.而在夜間，地表溫度在冬季、春季和秋季均保持水體>建設用地>農用地>林地的趨勢，僅在夏季夜間城市地區(qū)略高于水體，究其原因應為白天地表對低層大氣強烈的加熱作用導致氣溫升高，而大氣逆輻射對地表有保溫作用，一定程度上延緩了城市表面的降溫過程.

由月均晝夜溫差圖(圖3)可見，在時間變化上，4種土地類型都在夏季出現(xiàn)其最低晝夜溫差，在其他月份有一定波動性，這是受到了大氣逆輻射對地面保溫作用的影響.

圖2 各土地利用類型的月均地表溫度(橫軸6位數(shù)字表示年份和月份，D/N表示白天/夜間月均地表溫度)

圖3 各土地利用類型的月均晝夜溫差(橫軸刻度數(shù)字代表年份和月份)

從各土地類型地表溫度的季節(jié)變化規(guī)律看，水體在一年四季都表現(xiàn)為最低晝夜溫溫差，這是因為水體的比熱容大于其他地表類型，溫度變化較其他類型速度更慢、幅度更小.其他土地類型在春季、夏季和秋季并無明顯差別，由圖3可見建設用地和農用地表現(xiàn)為白天高溫，夜間溫度迅速且大幅下降，這是由于其地表構成比熱容小，以城市地區(qū)的不透水面地表為甚，與水體的特點構成鮮明對比；林地則由于植被冠層覆蓋減少了對太陽輻射的吸收，而林地內部植被的生理作用又會對其溫度產(chǎn)生一定影響，形成了其不同于其他類型的特點，另外由于武漢市林地多分布于北部大別山以及南部幕阜山一代，海拔升高帶來溫度垂直遞減，使林地在大部分時段保持較低的平均溫度；在冬季，晝夜溫差趨勢為農用地>林地>建設用地，農用地在此時植被覆蓋較少，對熱量的吸收和散失較快；林地則恰好受到植被的影響，溫差相對農用地較??；而建設用地的低晝夜溫差，一定程度上來自冬季城市地區(qū)密集建筑物的保溫作用和人為熱源的貢獻.

3.3 城市熱島強度的描述

根據(jù)馬藹乃[12-13]關于遙感信息模型的地理相似準則，孫颯梅[14]引入了相對亮溫來表征熱島強度，其公式為：

其中，∏(T)為以相對亮溫表示的熱島強度，ΔT表示像元亮溫Ti與研究區(qū)平均亮溫Ta之差.

本研究從城市熱島角度出發(fā)，用鄉(xiāng)村地區(qū)平均亮溫替代研究區(qū)平均亮溫，獲得城鄉(xiāng)地區(qū)溫差，以更準確嚴格的反映熱島強度.替代后公式如下：

其中，∏(T)為以相對亮溫表示的熱島強度，ΔT表示像元亮溫Ti與鄉(xiāng)村地區(qū)平均亮溫Ts之差.

城市熱島強度等級劃分如表2.

表2 城市熱島等級劃分

3.4 城市熱島的時空分布特征分析

根據(jù)改進后的相對亮溫公式對研究期內的地表溫度數(shù)據(jù)進行波段運算得到武漢市各月份的相對亮溫柵格文件，其中鄉(xiāng)村地區(qū)平均亮溫由月均地表溫度文件和土地利用數(shù)據(jù)中提取的農用地矢量文件計算平均值得到，相應時間的并根據(jù)熱島效應強度劃分標準在ArcGIS10.0中將其分級顯示如圖4和圖5.

由圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)夜間武漢市在冬季、春季和秋季都有強烈的熱島分布，結合武漢市土地利用情況可知夜間的相對高溫區(qū)域分布與武漢市的水體分布基本一致，在夏季雖然顯著程度有所下降但其沿水體分布的特征仍然清晰可見，這是因為武漢多湖，水體在夜間降溫緩慢.從季節(jié)角度，冬季和秋季夜間城市熱島相對較強，在武昌主城區(qū)、漢口主城區(qū)和青山工業(yè)區(qū)有少量強熱島分布，大部分城區(qū)被較強熱島和弱熱島覆蓋；春季和夏季武漢市各城區(qū)基本為弱熱島和較強熱島，城市熱島面積比秋冬兩季有所減少.從年度間的角度比較，武漢市2012年的夜間城市強熱島面積比2002年有所增加，而覆蓋城區(qū)面積較大的弱熱島和較強熱島在兩個時期分布變化情況沒有明顯的規(guī)律性.

圖4 2002年武漢市熱島空間分布(a，c，e，g分別為1月、4月、7月、10月白天平均地表溫度，b，d，f，h分別為1月、4月、7月、10月夜間平均地表溫度)

圖5 2012年武漢市熱島分布(a，c，e，g分別為1月、4月、7月、10月白天平均地表溫度，b，d，f，h分別為1月、4月、7月、10月夜間平均地表溫度)

武漢市白天的城市熱島的總體強度趨勢為夏季>春季>秋季>冬季.冬季武漢市各城區(qū)基本為綠島和弱熱島所占據(jù)，僅在青山工業(yè)區(qū)有較小面積的較強熱島分布；在春季，強度較大的熱島開始出現(xiàn)在各城區(qū)，高強度的城市熱島主要分布于青山工業(yè)區(qū)、漢口主城區(qū)、漢陽經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)、武昌主城區(qū)和東西湖區(qū)主城區(qū)并互相連接，江夏、黃陂和新洲三區(qū)的主城區(qū)也有強熱島和較強熱島中心出現(xiàn)；夏季是武漢市熱島效應最強烈的時期，城市熱島在春季連接成片的基礎上繼續(xù)向各城區(qū)外圍擴展，城市熱島強度也達到最高，劇烈熱島和極強熱島所占區(qū)域在一年中達到最大面積；另外在春夏兩季，長江、東湖等分布于主城區(qū)的大型水體表現(xiàn)為顯著的綠島，對沿水體分布的城市熱島起到了一定的緩解作用；秋季城市熱島規(guī)模大幅減少，較強熱島和極少的強熱島分布于青山工業(yè)區(qū)、漢口主城區(qū)、漢陽經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)和武昌主城區(qū)，各城區(qū)大部分為弱熱島和綠島所覆蓋.從年代角度比較，2012年與2002年相比各季節(jié)城市熱島面積均有增加，以熱島較強的春夏兩季為例，2012年青山工業(yè)區(qū)、漢口主城區(qū)外圍、武昌高新區(qū)和武漢經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)(沌口)的熱島面積比2002年有比較明顯的增加，城市熱島以中高強度熱島(強熱島和極強熱島)為主要類型沿各主城區(qū)向外圍擴張，并且有逐漸連接成片的趨勢，這與城市建設用地的擴張具有相同的特征.

4 結論與展望

(1)2002年到2012年期間武漢市建設用地面積增長近一倍，以各城區(qū)為中心向外圍高速擴張；水體得到了較好保持，農用地略有減少，林地則破壞較為嚴重.

(2)武漢市白天地表溫度基本趨勢為建設用地>農用地>林地>水體，夜間趨勢為水體>建設用地>農用地>林地，由于對無效值較多的影像的剔除導致數(shù)據(jù)量有限，該趨勢易受到短期氣象條件等偶然事件的擾動.

受各土地類型物理性質的影響，水體在各時段保持最低晝夜溫差；其他土地利用類型在春、夏、秋三季晝夜溫差無明顯差別，而在冬季各土地類型的晝夜溫差趨勢為農用地>林地>建設用地，這與植被覆蓋、建筑物密度以及人為熱源有關.

(3)武漢市四季夜間均以弱熱島和較強熱島兩個強度較低的熱島類型為主，冬季和秋季夜間城市熱島相對較強.2012年武漢市夜間城市地區(qū)強熱島面積比2002年略有增加，但覆蓋面積較大的較強熱島和弱熱島變化沒有明顯規(guī)律性.

結合熱島范圍和強度，白天武漢市城市熱島效應強度基本趨勢為夏季>春季>秋季>冬季， 2012年城市熱島范圍和強度較2002年均有大幅增加，熱島的加劇表現(xiàn)為中高強度的城市熱島以各主城區(qū)為中心向外圍擴張，并且有逐漸連接成片的趨勢，這與建設用地的擴張?zhí)卣飨嗤⑴c其擴張區(qū)域形成了極強的對應關系.

另外，城市中的大型水體如長江、東湖等在白天對其周邊的城市熱島有一定的緩解作用.

(4)存在問題

武漢市水體眾多，在夜間溫度高于其他地表類型，造成特殊的地面熱場；由于剔除了無效值較多的數(shù)據(jù)造成研究期內數(shù)據(jù)量有限，更容易被偶然事件所擾動；僅使用了Terra星數(shù)據(jù)，過境時間并非每日最高溫時段.

(5)總結與展望

研究表明利用MODIS地表溫度數(shù)據(jù)研究熱島效應具有可行性，其高時間分辨率的特點為研究地表熱場提供了有力條件，相對于地面站點檢測，結合遙感和GIS技術研究熱島效應具有更好的覆蓋面，更好的反映了研究對象的空間特征.通過研究發(fā)現(xiàn)城市化進程中土地利用尤其是建設用地的變化對熱島效應產(chǎn)生了一定影響.

在下一步的研究中，需要做以下幾方面改進：剔除水體在夜間對地面熱場的貢獻，研究夜間熱島效應情況；建立更長時間的熱島序列，以便更深入分析武漢市土地利用變化與熱島效應的變化趨勢及其關系；結合Terra星和Aqua星數(shù)據(jù)綜合分析，更細致地反映熱島全年的變化情況.

致謝：Landsat7的ETM+數(shù)據(jù)和部分MODIS數(shù)據(jù)來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)，HJ-1A數(shù)據(jù)來源于中國資源衛(wèi)星應用中心(http://www.cresda.com)，特此感謝!

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Analysis on the effect of land use changes on urban heat island in Wuhan based on remote sensing

SU Zhenhua1，2， HE Baoyin1， DING Chao1，2， LIU Fang1，2， KOU Jiefeng1，2

(1.Institute of Geodesy and Geophysics of Chinese Academy of Science， Wuhan 430077;2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100047)

Urban heat island effect is closely related to urbanization and land use changes. The expansion of urban impervious surface has greatly changed the thermodynamic properties of the underlying surface， which is a major cause of urban heat island effect. The authors obtained the land use data in Wuhan city in 2002 and 2012 from Landsat 7 ETM+and HJ-1A satellite multispectral remote sensing through artificial interpretation， and graded the urban heat island intensity by using the land surface temperature product obtained from MODIS， then analyzed the temporal-spatial change of urban heat island and land use changes and revealed their relationship. The results indicate that: 1) the urban heat island effect in Wuhan city is of medium and high intensity， with its intensity highest in the downtown areas and declining to the periphery of each district and showing a tendency of connecting together， showing the same expansion pattern with urban areas; 2) generally， urban heat island in Wuhan city is intensified by the expansion of urban construction land．

urban heat island； land use； remote sensing； LST； Wuhan

2014-09-28.

武漢市科技局重大科技專項項目；國家自然科學基金項目(51079137);中國科學院測量與地球物理研究所124重要方向項目(Y419191019).

1000-1190(2015)01-0139-08

F301;X87

A

*通訊聯(lián)系人. E-mail: heby@whigg.ac.cn.