熱紅外遙感在海綿城市熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

王元波（常德市國(guó)土資源規(guī)劃測(cè)繪院，湖南　常德　415000）

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熱紅外遙感在海綿城市熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

王元波（常德市國(guó)土資源規(guī)劃測(cè)繪院，湖南常德415000）

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快和城市經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市環(huán)境問題變得越來越嚴(yán)峻，其中熱島效應(yīng)的增強(qiáng)就是一個(gè)非常突出的環(huán)境問題。采用熱紅外遙感技術(shù)進(jìn)行城市熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)，不僅能夠有效的對(duì)地面熱狀況進(jìn)行調(diào)查和了解，還能夠全面的對(duì)城市熱島形成的原因和分布特點(diǎn)進(jìn)行研究，提出有效的治理措施，從而對(duì)城市生態(tài)環(huán)境進(jìn)行保護(hù)和改善。本文主要結(jié)合筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)，闡述熱紅外遙感在海綿城市熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

熱紅外；遙感；海綿城市；熱島效應(yīng)；監(jiān)測(cè)

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大和人口數(shù)量的不斷增加，城市熱島效應(yīng)變得越來越嚴(yán)重，對(duì)城市熱島效應(yīng)的監(jiān)測(cè)越來越受重視。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和提高，熱紅外遙感在測(cè)量領(lǐng)域越來越受青睞，熱紅外遙感是利用熱紅外波段研究地表物質(zhì)特性的技術(shù)手段，通過熱紅外數(shù)據(jù)反演出地球表面溫度，在城市熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用價(jià)值。

1　海綿城市熱島效應(yīng)內(nèi)涵

1.1海綿城市

“海綿城市”是指城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，下雨時(shí)能夠及時(shí)滲水、蓄水、凈水，然后緩慢的對(duì)吸收的水分進(jìn)行釋放，在緩解城市內(nèi)澇的同時(shí)，還能增強(qiáng)土壤保濕性，提升城市生態(tài)功能。

1.2城市熱島效應(yīng)

城市熱島（Urban Heat Island，UHI）是城市生態(tài)系統(tǒng)所特有的一種現(xiàn)象，是人類活動(dòng)對(duì)氣溫影響的最突出特征之一，具體表現(xiàn)為城市中的氣溫高于外圍郊區(qū)氣溫，在氣象學(xué)近地面大氣等溫線圖上，郊外的廣闊地區(qū)氣溫變化很小，如同一個(gè)平靜的海面，而城區(qū)則是一個(gè)明顯的高溫區(qū)，如同突出海面的島嶼，由于這種島嶼代表著高溫的城市區(qū)域，所以就被形象地稱為城市熱島。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，自然環(huán)境的植被逐漸被水泥和瀝青面所代替，用于地表潛熱蒸發(fā)的地表水分減少，城市內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得控制地表熱通量的主要因子（如：反照率、熱容、熱島等）發(fā)生改變。同時(shí)，以高能耗為典型代表的生活方式的出現(xiàn)，使得人為熱能、溫室氣體等日益增多，從而改變了近地面熱交換和熱輻射，引發(fā)城市及周邊小氣候發(fā)生變化，導(dǎo)致城市局地氣溫與郊區(qū)氣溫的差異，即形成熱島效應(yīng)。

在夏季，城市局部氣溫會(huì)比郊區(qū)氣溫高出5℃以上。隨著夏季高溫天氣持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)，高溫日的出現(xiàn)越來越頻繁，城市熱島效應(yīng)越來越受到廣泛的關(guān)注，對(duì)城市熱島效應(yīng)的研究也已經(jīng)成為當(dāng)今氣候、生態(tài)和環(huán)境問題中的熱點(diǎn)。研究熱島效應(yīng)的成因、空間分布與動(dòng)態(tài)頻率變化，并探討其緩解對(duì)策是構(gòu)建宜居、綠色、安全的人居環(huán)境，走城市可持續(xù)發(fā)展，協(xié)調(diào)人-地-氣系統(tǒng)平衡、良性循環(huán)的重要保證。

圖1為利用氣象衛(wèi)星2006年9月21日13時(shí)21分 （北京時(shí)）資料處理生成的北京地區(qū)城市熱島監(jiān)測(cè)圖。圖中反映出，與郊區(qū)縣（區(qū)）相比，北京市城區(qū)的溫度明顯高于周邊郊區(qū)，且高溫區(qū)的分布呈輻射狀向北部、東北部、南部、西南部等周邊延伸。城區(qū)溫度與郊區(qū)相比，城區(qū)中心區(qū)域比西部和南部城郊溫度高出6～8℃，標(biāo)志著這些地區(qū)熱島效應(yīng)十分明顯。

城市熱島效應(yīng)的重要特征是城區(qū)氣溫明顯高于郊區(qū)。引起城市熱島效應(yīng)的原因是多方面的，如城市人口密集，建筑密布，各種電器及機(jī)械設(shè)備不停地散發(fā)出大量的熱能，高樓大廈林立形成人工峭壁，使城市中的空氣流通受阻，導(dǎo)致熱量不斷積累，形成特有的城市環(huán)境，使氣溫和污染明顯高于郊區(qū)。城市熱島現(xiàn)象是反映城市環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)。城區(qū)地表溫度（包括建筑物、公路、廣場(chǎng)、綠地等）與周圍郊區(qū)地表溫度的差異是衡量城市熱島程度的重要因子。地表白天接受太陽短波輻射增溫后，將通過紅外波段放射輻射能。利用遠(yuǎn)紅外窗區(qū)通道（10.3～12.5μm）探測(cè)地表發(fā)射的輻射能，可反算地表溫度，獲取反映城市熱島現(xiàn)象的城區(qū)與郊區(qū)地表溫度差異。

圖1　北京地區(qū)城市熱島監(jiān)測(cè)圖

2　熱紅外遙感技術(shù)特點(diǎn)

2.1內(nèi)涵

自然界任何溫度高于熱力學(xué)溫度（0K或-273℃）的物體都會(huì)不斷地向外發(fā)射電磁波。熱紅外遙感即通過熱紅外探測(cè)器收集地物輻射出來的人眼看不到的熱紅外輻射通量，經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換而變成人眼能看到的圖像。熱紅外遙感技術(shù)的發(fā)展是為了獲取地物的熱狀況信息，從而推斷地物的特征及環(huán)境相互作用的過程，為科學(xué)研究和生產(chǎn)提供應(yīng)用。簡(jiǎn)而言之，熱紅外遙感可用來推測(cè)地表瞬時(shí)溫度。

2.2熱紅外遙感的特點(diǎn)

由于被遙感的物體在任何時(shí)間都在不斷地向外輻射熱紅外線，熱紅外遙感可以全天候進(jìn)行熱紅外數(shù)據(jù)采集，受外界因素干擾較少。熱紅外遙感比可見光、近紅外、短波紅外遙感復(fù)雜，主要原因在于：

（1）地物從熱輻射的吸收到標(biāo)志地物熱特性的溫度的升高，有一個(gè)熱儲(chǔ)存和熱釋放過程，這與地物本身的熱性質(zhì)和環(huán)境條件有關(guān)；

（2）改變地物熱狀況的熱源，不僅是熱輻射，而且還有顯熱輸送和潛熱輸送問題，這涉及到微氣象參數(shù)、土壤物理參數(shù)、植被生化參數(shù)；

（3）熱紅外遙感空間分辯率比較低，混合像元問題也是一個(gè)難點(diǎn)；

（4）另外還有定標(biāo)上的困難以及怎樣將測(cè)量值校正到目標(biāo)真實(shí)物理量值的問題；

（5）對(duì)復(fù)雜地形，如植被（包括森林）、斜地形、水體、裸土和城市景觀的混合系統(tǒng)進(jìn)行精確評(píng)價(jià)有困難；

（6）受云層影像很大，現(xiàn)階段技術(shù)仍無法消除云層對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影像。

3　熱紅外遙感在海綿城市熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1熱紅外遙感在海綿城市熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

快速城市化進(jìn)程改變了地表下墊面的物理屬性。原本是土壤、草地和水體等比熱大的自然表面被鋼筋混凝土、瀝青等比熱小的地表代替，這不僅改變了反射面、吸收面的性質(zhì)，還改變了近地面層的熱交換和地面的粗糙度，使大氣的物理狀況受到影響。熱島效應(yīng)容易產(chǎn)生酸雨，破壞城市及周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。傳實(shí)地觀測(cè)法的點(diǎn)位密度低，數(shù)據(jù)同步性和空間代表性差，要想細(xì)致全面的研究城市熱島的平面分布、內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征尚有一定困難。遙感監(jiān)測(cè)時(shí)相多、范圍廣、能長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)，不受氣候影響，可以進(jìn)行大面積地表溫度測(cè)定，且通過遙感手段獲取的觀測(cè)資料時(shí)間同步性好。隨著當(dāng)前高分辨率衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)的發(fā)展完善，它在城市熱島研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。

3.2案例分析

在城市熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)中運(yùn)用熱紅外遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)可以通過三色顯示出城區(qū)的溫差，圖2為重慶市熱紅外遙感圖。

圖2是熱紅外衛(wèi)星拍攝的重慶某夏季的一天。經(jīng)過后期的數(shù)據(jù)處理分析，得出了各個(gè)片區(qū)不同的溫度值，用顏色進(jìn)行了區(qū)分。氣溫超過33℃，能測(cè)到的熱紅外波段就進(jìn)入了紅色區(qū)；溫度降至27℃及以下，就會(huì)進(jìn)入藍(lán)色區(qū)。熱紅外遙感圖片上顯示，中梁山、銅鑼山整條山脈都呈藍(lán)色，枇杷山、佛圖關(guān)、鵝嶺公園等，也明顯比其他區(qū)域偏藍(lán)，比較涼爽，市民可以選擇在此休閑、納涼。環(huán)繞主城的長(zhǎng)江、嘉陵江以及湖泊等，由于受水汽蒸發(fā)影像，測(cè)出的熱紅外線最弱，顏色呈現(xiàn)出深藍(lán)色?！皟山背闪酥鞒菂^(qū)溫度最低的地方，顯示為21.9℃。主城一些舊城區(qū)，街道較窄車輛較少，加之綠化比較多，所以氣溫不是很高。如渝中區(qū)下半城、洪崖洞沿線等；南岸科普中心沿線至銅元局一帶，因?yàn)楸晨磕仙?、長(zhǎng)江環(huán)繞，遙感圖上多處“飄藍(lán)”，溫度也不高。車輛擁堵的高架橋和城市道路、以車間廠房為主的工業(yè)區(qū)、人口密集的商業(yè)區(qū)及居住區(qū)、發(fā)電廠、機(jī)場(chǎng)、火車站，以及新興開發(fā)區(qū)域，產(chǎn)生了大量熱量，是引起城市“熱島”效應(yīng)的主要原因。隨著該市新城建設(shè)腳步的不斷加快，“熱島”的中心逐漸移出主城核心區(qū)?！帮h紅”的重點(diǎn)分布區(qū)域，主要是建設(shè)力度較大、但綠化未跟上的新區(qū)，以及工業(yè)比較密集的區(qū)域，如汽車廠、電機(jī)廠等工業(yè)園區(qū)。

圖2　熱紅外遙感圖

3.3城市熱島效應(yīng)治理對(duì)策

綜上所述，我們可以知道導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)的主要原因來自于城市建設(shè)和工業(yè)發(fā)展，為了緩解城市熱島效應(yīng)現(xiàn)象，可以增加綠化、規(guī)劃城市通風(fēng)口。城市綠化對(duì)減低城市“熱島”強(qiáng)度，改善城市氣候條件有很大作用。綠化率太低，會(huì)造成城市的受熱面增加，除了在地表種植喬木之外，還可以增加“垂直”綠化，將墻體、屋頂區(qū)域種植植被進(jìn)行綠化，增加城市綠化總量，減少熱島效應(yīng)。在城市規(guī)劃建設(shè)過程中，還可通過適當(dāng)分散高層建筑物、建設(shè)城市“通風(fēng)口”及“通風(fēng)帶”，將部分淤積于市內(nèi)的熱量帶出城去，從而緩解城市熱島效應(yīng)。

4　結(jié)語

近年來，在全球增溫和高速城市化進(jìn)程的背景下，世界范圍內(nèi)的熱島效應(yīng)越來越明顯，我國(guó)許多城市出現(xiàn)了高強(qiáng)度的城市熱島效應(yīng)。城市熱環(huán)境及其熱效應(yīng)已成為當(dāng)前城市氣候與環(huán)境研究中，最為重要的研究?jī)?nèi)容之一。熱紅外遙感能夠通過獲取城市地表熱輻射狀況，捕捉城市下墊面熱島強(qiáng)度的大小和空間分布，進(jìn)而推測(cè)出城市氣溫?zé)釐u強(qiáng)度的大小和空間分布，為熱島成因分析和治理提供依據(jù)，研究城市熱島效應(yīng)主要目的和重要手段。目前，國(guó)內(nèi)很多城市都開展了城市熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)，在不斷為城市規(guī)劃建設(shè)和環(huán)境治理提供決策依據(jù)。

［1］馮 欣.城市擴(kuò)展及熱島效應(yīng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與研究［D］.東北林業(yè)大學(xué)，2007（08）：56～57.

［2］邱 建，賈劉強(qiáng)，王 勇.基于遙感的青島市熱島與綠地的空間相關(guān)性［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，43（4）：427～433.

［3］宋 軒，段金龍，杜麗平.城市熱島效應(yīng)研究概況［J］.氣象與環(huán)境科學(xué)，2009（03）：54～56.

王元波（1982-），男，工程師，本科，主要從事測(cè)繪、地理信息工作。

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2095-2066（2016）13-0082-02

2016-4-11