資陽市城市熱島效應(yīng)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

許輝熙

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院測(cè)繪工程系，四川德陽 618000)

資陽市城市熱島效應(yīng)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

許輝熙

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院測(cè)繪工程系，四川德陽 618000)

利用四川省資陽市1988年6月23日、1999年8月12日和2006年7月30日的Landsat TM/ETM+遙感影像提取了三個(gè)時(shí)期的城市信息，然后對(duì)熱紅外波段進(jìn)行輻射定標(biāo)和亮度溫度反演，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行溫度分級(jí)和熱島強(qiáng)度計(jì)算，最后進(jìn)行了熱島效應(yīng)的時(shí)空演變分析。研究結(jié)果表明: (1) 1988年，舊城區(qū)范圍內(nèi)的熱島效應(yīng)不明顯，但到了1999年和2006年，舊城區(qū)范圍內(nèi)的熱島效應(yīng)比較突出； (2) 在1988～1999年間和1999～2006年間，城市擴(kuò)展區(qū)由非城市建成區(qū)演變?yōu)槌鞘薪ǔ蓞^(qū)之后，熱島效應(yīng)都比較顯著。(3)1988-1999-2006年間，熱島強(qiáng)度呈現(xiàn)先增強(qiáng)、后減弱的趨勢(shì)。

城市熱島效應(yīng); 歸一化建筑指數(shù); 熱紅外遙感; 亮度溫度; 加權(quán)平均熱島強(qiáng)度; 時(shí)空演變; 轉(zhuǎn)移矩陣

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市人口不斷增加，下墊面性質(zhì)發(fā)生根本性改變，導(dǎo)致城市區(qū)域的溫度往往會(huì)高于郊區(qū)，這樣就形成了一種獨(dú)特的氣候現(xiàn)象—城市熱島效應(yīng)(Urban Heat Island Effects)[1]。目前，中國(guó)正處于城市化高速發(fā)展時(shí)期，城市生態(tài)環(huán)境問題越來越受到人們高度關(guān)注。揭示城市化過程中熱島效應(yīng)的特點(diǎn)和規(guī)律，對(duì)于改善城市人居環(huán)境、提升城市生態(tài)功能、促進(jìn)城市的健康與可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。早期的熱島效應(yīng)研究，主要基于氣象觀測(cè)資料進(jìn)行。其觀測(cè)點(diǎn)位密度非常有限，同步性和空間代表性差，要想研究城市熱島的平面展布、內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征以及時(shí)空演變非常困難。近年來，隨著遙感技術(shù)的廣泛應(yīng)用，由于它觀測(cè)范圍大、能夠動(dòng)態(tài)反演，利用熱紅外遙感影像來研究熱島效應(yīng)已經(jīng)成為遙感應(yīng)用的熱點(diǎn)領(lǐng)域[2]。本文利用多時(shí)相的遙感影像研究四川省資陽市的城市熱島效應(yīng)，以期為資陽市的城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供決策支持，有望填補(bǔ)資陽市在城市熱島效應(yīng)研究方面的空白，并為其它城市的研究提供參考借鑒和類比案例。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

資陽市地處四川盆地中部，介于104°21′～105°27′E，29°15′～30°17′N，西靠成都、眉山，東接重慶，北鄰德陽、遂寧，南連內(nèi)江，是四川唯一同時(shí)連接成渝“雙核”的新興工業(yè)城市。1998年設(shè)立地區(qū)，2000年建市，轄雁江區(qū)、簡(jiǎn)陽市、安岳縣和樂至縣，幅員面積7 962 km2，總?cè)丝?00萬，是四川省最年輕的地級(jí)市。資陽市各縣區(qū)年平均氣溫 17 ℃左右；年降水量950 mm左右；年日照1 250 h左右；最熱月8月，平均氣溫26.5℃左右；最冷月1月，平均氣溫6.5℃左右；極端最高氣溫40.2℃；極端最低氣溫-5.4℃。

研究使用 1988年6月23日、2006年7月30日的Landsat TM影像和1999年8月12日的Landsat ETM+影像，軌道號(hào)為129/039。數(shù)據(jù)格式為Geotiff，UTM投影，三期影像地理坐標(biāo)一致，影像質(zhì)量良好。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 基于遙感影像提取城市信息

研究城市熱島效應(yīng)，首先需要獲取城市信息。本研究采用基于遙感影像的歸一化建筑指數(shù)法 (Normalized Difference Building Index,NDBI)，并結(jié)合人工目視解譯調(diào)整進(jìn)行。NDBI計(jì)算公式為：

NDBI=(Band5-Band4)/ (Band5+Band4) (1)

式中：Band5、Band4分別代表TM/ETM+影像的第5、第4波段的反射率或者灰度值。圖1為資陽市三個(gè)時(shí)期的城市范圍信息提取結(jié)果。

圖1 研究區(qū)范圍及不同時(shí)期城市建成區(qū)信息

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1988、1999和2006年三個(gè)年份資陽市城市建成區(qū)的面積分別為3.53 km2、8.73 km2和14.47 km2。1988～1999年的11年間，城市擴(kuò)展了5.20 km2，而1999～2006年的7年間，城市擴(kuò)展了5.72 km2，這表明資陽市自建市以后，城市擴(kuò)展速度加快。

2.2 輻射定標(biāo)與亮溫反演

2.2.1 輻射定標(biāo)

輻射定標(biāo)就是利用定標(biāo)系數(shù)將遙感影像熱紅外波段的灰度值(Digital Number,DN)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的熱輻射強(qiáng)度值。采用下式對(duì)ETM+熱紅外波段輻射定標(biāo)[3]：

Lλ=gain×DN+bias

(2)

式中:Lλ為輻射強(qiáng)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(duì)TM熱紅外波段輻射定標(biāo)[4]：

Lλ=DN×0.005632156+0.1238

(3)

式中，Lλ的單位為mW·cm-2.ster-1.μm-1。

2.2.2 亮溫反演

熱紅外遙感熱探測(cè)到的是地物的輻射溫度，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(jiǎn)稱“亮溫”。將輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為像元亮度溫度的公式為[3,4]：

(4)

式中：Ts為輻射亮溫，單位：℃；Lλ為輻射強(qiáng)度值；k1、k2為訂正系數(shù)。對(duì)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(duì)于TM熱紅外波段，k1為60.766 mW·cm-2·ster-1·μm-1，k2為1 260.56 k。

2.3 溫度分級(jí)

根據(jù)定義，城市熱島效應(yīng)是指城市區(qū)域溫度和高于郊區(qū)的現(xiàn)象。因此，對(duì)溫度分級(jí)是針對(duì)城市建成區(qū)和周邊一定范圍的郊區(qū)(即研究區(qū))來進(jìn)行的。為簡(jiǎn)便起見，研究區(qū)以建成區(qū)為中心取一個(gè)矩形區(qū)域。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)五個(gè)等級(jí)。

采用均值-標(biāo)準(zhǔn)差法[5]對(duì)矩形研究區(qū)進(jìn)行溫度分級(jí)，然后利用三個(gè)時(shí)相的城市建成區(qū)范圍進(jìn)行裁減，得到資陽市區(qū)三個(gè)時(shí)相的亮溫分級(jí)圖(圖2～圖4)。當(dāng)城市溫度被劃分為五個(gè)等級(jí)的時(shí)候，通常把高溫區(qū)和次高溫區(qū)定義為城市熱島區(qū)域[5]。

圖2 資陽市區(qū)1988年6月23日亮溫等級(jí)

圖3 資陽市區(qū)1999年8月12日亮溫等級(jí)

圖4 資陽市區(qū)2006年7月30日亮溫等級(jí)

2.4 計(jì)算熱島強(qiáng)度

熱島強(qiáng)度指標(biāo)能夠反映城市建成區(qū)熱島效應(yīng)的強(qiáng)弱情況。選取加權(quán)平均熱島強(qiáng)度作為表征城市熱島強(qiáng)度的參數(shù)，它是依據(jù)熱島面積指數(shù)法求取，即對(duì)建成區(qū)溫度按面積進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，從微觀上反映城市熱島強(qiáng)度總體情況，計(jì)算公式為：

(5)

式中:P表示熱島強(qiáng)度，單位：℃；n表示溫度等級(jí)數(shù)，本研究n值取5；Ti和Ai分別表示不同溫度等級(jí)的平均溫度和面積比例，下標(biāo)avg表示平均溫度，TOavg代表郊區(qū)平均溫度。

經(jīng)計(jì)算，1988年6月23日、1999年8月12日和2006年7月30日的加權(quán)平均熱島強(qiáng)度分別為1.73℃、2.61℃和2.13℃。

3 熱島效應(yīng)時(shí)空演變特征分析

3.1 1988～1999年熱島效應(yīng)演變

對(duì)于1988年和1999年的研究區(qū)溫度等級(jí)圖，均按1999年的建成區(qū)范圍進(jìn)行掩膜提??；再將二者做差值計(jì)算，得到1988～1999年亮溫等級(jí)空間演化圖(圖5)。

圖5 1988-1999年間亮溫等級(jí)轉(zhuǎn)換

圖5直觀展示了舊城區(qū)(圖中斜線區(qū)域所示)和城市擴(kuò)展區(qū)(圖中無斜線區(qū)域)范圍內(nèi)，不同溫度等級(jí)之間的空間演化情況，對(duì)之分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到舊城區(qū)的溫度等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣(表1)和城市擴(kuò)展區(qū)的溫度等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣(表2)。

表1 1988～1999年舊城區(qū)各級(jí)溫度的面積轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

表2 1988～1999年城市擴(kuò)展區(qū)各級(jí)溫度的面積轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

由圖5、表1、表2結(jié)果綜合分析可知，1988～1999年間，資陽市舊城區(qū)溫度等級(jí)的轉(zhuǎn)換主要表現(xiàn)為高溫、次高溫和中溫區(qū)之間的相互轉(zhuǎn)換，尤其是次高溫區(qū)和中溫區(qū)轉(zhuǎn)換為高溫區(qū)最明顯，轉(zhuǎn)換后高溫區(qū)面積明顯增加，次高溫區(qū)和中溫區(qū)明顯減少。高溫區(qū)和次高溫區(qū)面積比例從48.38 %急劇增加到96.28 %，數(shù)據(jù)表明1988年舊城區(qū)熱島效應(yīng)不明顯，但到了1999年，舊城區(qū)的熱島效應(yīng)已經(jīng)非常突出。

1988～1999年間，城市擴(kuò)展區(qū)的溫度等級(jí)轉(zhuǎn)換比較明顯，主要表現(xiàn)為高溫區(qū)的急劇增加，次高溫區(qū)略有增加。高溫區(qū)和次高溫區(qū)面積比例從19.91 %急劇增加到86.51 %，其增溫來源于中溫區(qū)、次低溫和低溫區(qū)的轉(zhuǎn)換。城市擴(kuò)展區(qū)由非城市建成區(qū)演變?yōu)槌鞘薪ǔ蓞^(qū)之后，熱島效應(yīng)顯著。

3.2 1999～2006年熱島效應(yīng)演變

圖6資陽市1999～2006年亮溫等級(jí)空間演化圖，表3為舊城區(qū)的溫度轉(zhuǎn)移矩陣，表4為城市擴(kuò)展區(qū)的溫度轉(zhuǎn)移矩陣。

圖6 1999-2006年間亮溫等級(jí)轉(zhuǎn)換

由圖6、表3、表4結(jié)果綜合分析可知，1999～2006年間，資陽市舊城區(qū)溫度等級(jí)的轉(zhuǎn)換仍然主要發(fā)生在高溫、次高溫和中溫區(qū)之間的相互轉(zhuǎn)換，尤其是高溫區(qū)降為次高溫區(qū)和中溫區(qū)占居主導(dǎo)。高溫區(qū)和次高溫區(qū)面積比例從91.53%降低到87.19%，表明舊城區(qū)熱島效應(yīng)有所緩解，但仍比較明顯。

1999～2006年間，城市擴(kuò)展區(qū)的溫度等級(jí)轉(zhuǎn)換比較明顯，主要表現(xiàn)為高溫區(qū)的急劇增加，其增溫來源于次高溫區(qū)、中溫區(qū)和次低溫的轉(zhuǎn)換。高溫區(qū)和次高溫區(qū)面積比例從25.50%急劇增加到84.01%，城市擴(kuò)展區(qū)由非城市建成區(qū)演變?yōu)槌鞘薪ǔ蓞^(qū)之后，熱島效應(yīng)顯著。

表4 1999～2006年城市擴(kuò)展區(qū)各級(jí)溫度的面積轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

4 結(jié)論

(1)在1988～1999年間和1999～2006年間，舊城區(qū)溫度等級(jí)轉(zhuǎn)換比較劇烈。1988～1999年間高溫區(qū)面積明顯增加，次高溫區(qū)和中溫區(qū)明顯減少，主要表現(xiàn)為增溫效果，舊城區(qū)在1988年熱島效應(yīng)不明顯，但到了1999年舊城區(qū)的熱島效應(yīng)已經(jīng)非常突出。而1999～2006年間，高溫區(qū)降為次高溫區(qū)和中溫區(qū)占居主導(dǎo)，降溫特征明顯，舊城區(qū)熱島效應(yīng)有所緩解，但仍比較明顯。

(2)在1988～1999年間和1999～2006年間，城市擴(kuò)展區(qū)的溫度等級(jí)轉(zhuǎn)換都比較明顯，主要表現(xiàn)為高溫區(qū)的增加，其增溫來源于中溫區(qū)、次低溫和低溫區(qū)的轉(zhuǎn)換。城市擴(kuò)展區(qū)由非城市建成區(qū)演變?yōu)槌鞘薪ǔ蓞^(qū)之后，熱島效應(yīng)顯著。

(3)資陽市1988年、1999年和2006年的加權(quán)平均熱島強(qiáng)度分別為1.73℃、2.61℃和2.13℃，呈現(xiàn)先增強(qiáng)、后減弱的趨勢(shì)。

[1] 周淑貞,束炯.城市氣候?qū)W[M].北京:氣象出版社,1994.

[2] 楊英寶,蘇偉忠,江南.基于遙感的城市熱島效應(yīng)研究[J].地理與地理信息科學(xué),2006,22(5):36-40.

[3] Chander G, Markham B,“Revised Landsat-5 TM Radiometric Calibration Procedures and Postcalibration Dynamic Ranges”,IEEE Transactions on Geoscienee and Remote Sensing, vol.4l(11), 2003, pp.2674-2677.

[4] 覃志豪, Zhang Minghua, Arnon Karnieli,等.用陸地衛(wèi)星TM6數(shù)據(jù)演算地表溫度的單窗算法[J].地理學(xué)報(bào),2001,56(4):456-466.

[5] 陳松林,王天星.等間距法和均值標(biāo)準(zhǔn)差法界定城市熱島的對(duì)比研究[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào),2009,11(2):145-147.

2014-11-04

四川省環(huán)境保護(hù)重大科技專項(xiàng)(2013HBZX01),四川省環(huán)保科技項(xiàng)目(2010HBY003)。

許輝熙(1979～)，男，工學(xué)博士，副教授，研究方向：地理學(xué)、遙感與GIS技術(shù)應(yīng)用。

TP79

A