基于遙感的貴陽市城市熱島效應(yīng)變化研究

鄭永康　銀正彤

[摘要]為了研究貴陽市熱島變化情況，采用ENVI軟件貴陽市2003年、2007年和2011年的Landsat ETM+遙感影像進(jìn)行地溫反演和土地利用分類，分析地溫變化以及和土地利用類型之間的關(guān)系。結(jié)果表明：8年來，貴陽市隨著城區(qū)的擴(kuò)張，低溫區(qū)基本全部向高等級溫度區(qū)轉(zhuǎn)移，次低溫區(qū)劇減，中溫區(qū)有所增加，次高溫區(qū)和高溫區(qū)大幅增加。

[關(guān)鍵詞]遙感 熱島 地溫 土地利用分類 貴陽

[中圖分類號] X87 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號] 1000-405X（2015）-3-296-2

貴陽市以其獨特的地理優(yōu)勢和氣候條件博得了“上有天堂，下有蘇杭，氣候宜人數(shù)貴陽”之美譽，鑒于貴陽優(yōu)良的氣候條件，2007年貴陽市被中國氣象學(xué)會授予了“中國避暑之都”榮譽稱號。但是相關(guān)研究表明，近年來貴陽市極端氣溫有上升趨勢[1]，并且全國日益加重的高溫天氣對貴陽市存在一定影響，伴隨著貴陽市城市建設(shè)等方面的因素，導(dǎo)致了貴陽市近年來多次出現(xiàn)異常高溫天氣。因此熱島效應(yīng)成為科學(xué)界、管理者以至民眾廣泛關(guān)注的焦點。

1材料和方法

1.1研究區(qū)概況

貴陽市位于云貴高原東部，是貴州省省會。貴陽市屬于亞熱帶濕潤溫和型氣候，由于受季風(fēng)和地形影響，貴陽市常年多雨多云，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，年均氣溫為15.3℃。本文研究范圍為貴陽市市轄區(qū)，面積為2381平方千米。

1.2數(shù)據(jù)選擇與預(yù)處理

本文所采用數(shù)據(jù)是landsat 7衛(wèi)星ETM+影像，成像時間分別為2003年9月26日、2007年9月21日和2011年8月31日。采用Envi4.7對TM影像進(jìn)行幾何校正，精度均在0.7個像元以內(nèi)。再進(jìn)行大氣校正。利用已有的貴陽市行政區(qū)影像圖對影像進(jìn)行剪裁，得到三個時相的貴陽市影像圖，

1.3地表溫度反演

針對Landsat 7影像，目前主流的方法是覃志豪單窗算法、輻射傳輸方程法和普適性單通道算法3種[2-3]，本文選用反演精度較好的輻射傳輸方程來反演貴陽市地表溫度。

輻射傳輸方程也稱為大氣校正法。其基本思路是利用衛(wèi)星過境時同步采集的大氣數(shù)據(jù)來估算大氣對地表熱輻射的影響，然后把這種影響從衛(wèi)星上傳感器所接收到的熱輻射中消除，從而得到地表熱輻射強度，最后將這一熱輻射強度轉(zhuǎn)化為地表溫度。最后將反演的溫度圖以20℃、25℃、30℃、35℃為刻度分別劃分出低溫區(qū)、次低溫區(qū)、中溫區(qū)、次高溫區(qū)和高溫區(qū)。

1.4土地利用分類

為了進(jìn)一步研究貴陽市熱島變化與土地利用類型之間的關(guān)系，同時將三個時相的影像進(jìn)行土地利用類型的分類。將研究區(qū)粗略分為植被區(qū)、建筑區(qū)、耕地區(qū)以及水體區(qū)四個大類，將經(jīng)過波段組合成的真彩色影像作為底圖，在相近年份的土地利用現(xiàn)狀圖和谷歌地球高分辨率影像的參照下建立解譯標(biāo)志，經(jīng)計算，所選取樣本分離度均為1.90以上。運用最大似然法（Maximum Likelihood）對影像進(jìn)行分類，得出土地利用分類圖，再選取一定驗證樣本，進(jìn)行混淆矩陣分析，算出三景影像的總體分類精度均在在90%以上，kappa系數(shù)也在0.89以上。

2結(jié)果與分析

地表溫度變化分析：

貴陽市地溫反演的結(jié)果（圖1、圖2、圖3）表明：2003年9月26日貴陽市大片地區(qū)處在中溫區(qū)和次低溫區(qū)，次高溫區(qū)、高溫區(qū)和低溫區(qū)只有零星存在，2007年9月21日貴陽市大部地區(qū)溫度仍處在中溫區(qū)和次低溫區(qū)，但是高溫區(qū)和次高溫區(qū)較2003年有明顯擴(kuò)大，主要集中在貴陽市中心城區(qū)。2011年8月30日貴陽市大部地區(qū)處于中溫區(qū)和次高溫區(qū)，且較2007年擴(kuò)大十分顯著。低溫區(qū)、次低溫區(qū)和高溫區(qū)只有零星存在。從溫度區(qū)變化表（表1）可以看出，總體上這8年間，低溫區(qū)消失殆盡，次低溫區(qū)劇減，中溫區(qū)有所增加，次高溫區(qū)和高溫區(qū)劇增。將三景地溫反演圖進(jìn)行變化矩陣分析，從表2可以看出，2003年到2007年這四年間次低溫區(qū)轉(zhuǎn)化為中溫區(qū)面積最大，為250.77 Km2，約占貴陽市面積10%；次之為中溫區(qū)轉(zhuǎn)化為次高溫區(qū)，面積為184.56 Km2；中溫區(qū)也有較大一部分轉(zhuǎn)化為次低溫區(qū)，面積為175.49 Km2；其他溫度區(qū)的轉(zhuǎn)化面積較小。從表3可以看出，2007年到2011年這四年間次低溫區(qū)轉(zhuǎn)化為中溫區(qū)面積最大，為787.22 Km2，約占貴陽市面積33%；其次為次低溫區(qū)轉(zhuǎn)化為中溫區(qū)，面積為540.97 Km2，約占貴陽市面積23%；其他溫度區(qū)的轉(zhuǎn)化面積較小，基本以低溫向高溫區(qū)域轉(zhuǎn)化為主。

2.1地表溫度變化與土地利用類型關(guān)系分析

通過土地利用分類圖（圖4、圖5、圖6，年份依次對應(yīng)圖1、圖2、圖3）和溫度分級圖的對比，可以明顯看出貴陽市熱島顯著的地區(qū)集中在城市建筑密度大的區(qū)域，表3中數(shù)據(jù)表明，貴陽市建筑面積在8年間增長較快，2011年建筑面積為2003年的1.6倍，相應(yīng)增長地區(qū)的溫度等級也提升較快，以貴陽市西北部的云巖區(qū)和金陽新區(qū)最為明顯。這表明城市熱島與城市建筑密度有著十分緊密的聯(lián)系。通過溫度反演圖和土地利用分類圖的比較，還可以直觀的發(fā)現(xiàn)植被區(qū)的溫度等級普遍比非植被區(qū)要低，且主要集中于低溫區(qū)和次低溫區(qū)。耕地區(qū)則主要集中在中溫區(qū)，主要原因在于耕地區(qū)植被較為稀疏，太陽直射部分裸露土地，使得這部分地區(qū)溫度高于植被覆蓋度較大的純植被區(qū)。

3結(jié)論

相比于其他研究熱島效應(yīng)的方法，遙感的優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)獲取快速，研究范圍廣闊。利用landsat 7 ETM+影像進(jìn)行溫度反演以及土地利用分類，較為準(zhǔn)確的得出了貴陽市熱島變化情況。研究表明：1）2003—2011年8年間，貴陽市低溫區(qū)基本全部向高等級溫度區(qū)轉(zhuǎn)移，次低溫區(qū)劇減，中溫區(qū)有所增加，次高溫區(qū)和高溫區(qū)大幅增加。2）貴陽市植被和耕地的較少以及城市建筑群的增加與熱島變化有著十分密切的關(guān)系。

[基金項目]貴州省自然科學(xué)基金[黔科合J字（2010）2241]

參考文獻(xiàn)

[1]李占杰，魚京善， 信達(dá).1951年-2010年貴陽市氣溫變化特征分析[J].南水北調(diào)與水利科技， 2011， 9（5）： 31-35.

[2]秦福瑩.熱紅外遙感地表溫度反演方法應(yīng)用與對比分析研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古師范大學(xué)， 2008.

[3]丁鳳，徐涵秋.基于 Landsat TM 的3種地表溫度反演算法比較分析[J]. 福建師范大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2008 （1）： 91-96.