基于遙感技術(shù)的黔中山原地區(qū)熱效應(yīng)研究

陳愛民

摘要：指出了城市化效應(yīng)是一個(gè)隨著城市化進(jìn)程而日顯重要的環(huán)境問題，而熱效應(yīng)是城市化效應(yīng)的主要特征之一，是城市化對局地氣候影響最典型的表現(xiàn)。以典型山原城市西秀區(qū)作為城市地面熱場環(huán)境研究對象，分析了地形因子與熱環(huán)境的關(guān)系、植被與熱環(huán)境的關(guān)系、典型地物與熱環(huán)境的關(guān)系、水體與熱環(huán)境的關(guān)系，結(jié)果表明：海拔高度對溫度的影響是比較大的，坡向和坡度對溫度也有較明顯的影響，石漠化等級越高、地表溫度越高，城區(qū)地表平均溫度比城郊結(jié)合部高，城郊結(jié)合部地表平均溫度比鄉(xiāng)村鎮(zhèn)高，各水庫的平均溫度相差不大，但容量大或面積大的水庫最低溫度相對較低，受污染的水體比未受污染的水體地表平均溫度高。

關(guān)鍵詞：熱效應(yīng)；3S技術(shù)；地表溫度；Landsat8；時(shí)空分布

中圖分類號：X16

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）24-0061-06

1 引言

對于熱效應(yīng)的研究，傳統(tǒng)方法是使用地面氣象站提供的氣象相關(guān)資料數(shù)據(jù)進(jìn)行，由于種種原因，這種方法受到人力物力的限制。隨著3S技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，特別是熱紅外遙感的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法采用氣象站數(shù)據(jù)研究的不足，能夠全面有效地探測到不同土地利用類型的溫度特征，近年來熱紅外遙感已成為熱效應(yīng)研究中的最主要的手段。

2 材料與方法

2.1 研究內(nèi)容和方法

本研究利用中高分辨率的新型遙感圖像Landsat8數(shù)據(jù)，選取最符合實(shí)際的地表溫度反演算法，結(jié)合ENVI和ArcGIS軟件進(jìn)行地表溫度反演，并分析反演精度。然后根據(jù)反演出的地表溫度（LST）分析西秀區(qū)熱島效應(yīng)的時(shí)空分布特征，研究熱島效應(yīng)的驅(qū)動力，最后以遙感技術(shù)與地理信息系統(tǒng)技術(shù)為主要手段，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)方法揭示西秀區(qū)城市熱效應(yīng)特點(diǎn)。

2.2 技術(shù)路線

本研究的技術(shù)路線圖如圖1。

3 地表溫度反演

3.1 遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.1.1 輻射定標(biāo)

將傳感器輸出圖像的灰度值（DN值）轉(zhuǎn)化為有物理意義的輻射亮度值或反射亮度值（反射率）[1]，消除或修正輻射誤差而引起的影像畸變。據(jù)已有的研究，對于Landsat8 TIRS的兩個(gè)熱紅外波段，TIRS 10位于較低的大氣吸收區(qū)，其大氣透過率值高于TIRS 11，更適合于單波段的地表溫度反演。輻射定標(biāo)公式如下：

3.3 精度驗(yàn)證

選用2013年9月29日數(shù)據(jù)進(jìn)行地面近似溫度反演精度檢驗(yàn)，2013年9月29日圖像參數(shù)顯示圖像獲的取格林威治時(shí)間是03時(shí)24分05.69秒，換算為北京時(shí)間為11時(shí)24分05.69秒，取近似值為11時(shí)24分。當(dāng)日地面實(shí)測氣溫最高為25.2℃、最低為15.8℃。根據(jù)西秀區(qū)經(jīng)緯度推算出日出時(shí)間在6點(diǎn)左右，由于大氣對太陽輻射的折射作用，太陽輻射照射到地表的實(shí)際時(shí)間有一定程度的提前。根據(jù)氣溫日變化規(guī)律最低溫一般出現(xiàn)在日出前后，因此最低溫時(shí)刻近似取為5時(shí)30分，最高溫時(shí)刻近似取為14時(shí)。

根據(jù)以上信息，2013年9月29日landsat8遙感影像獲取時(shí)氣溫計(jì)算式為：

15.8+25.2-15.82+15.8+25.2-15.82×sin32π+11.4-5.514-5.5×π=21.06

西秀區(qū)2013年9月29日landsat8地面近似溫度反演數(shù)據(jù)城區(qū)平均溫度為20.91 ℃，與地面氣溫21.06 ℃相差0.15 ℃，達(dá)到利用單窗算法進(jìn)行地面近似溫度反演誤差小于1.5 ℃的精度要求（覃志豪 2003）。

4 熱場空間分布

根據(jù)反演結(jié)果，本研究首先統(tǒng)計(jì)出地表溫度最大值為32 ℃、最小值為10 ℃、平均值20.9 ℃和標(biāo)準(zhǔn)差為2.3。

4.1 高溫區(qū)與低溫區(qū)分布

從地表溫度分級圖2可以看出，西秀區(qū)高溫區(qū)、極高濕區(qū)主要分布在中心城區(qū)（西航辦事處、華西辦事處、東關(guān)辦事處）和郊區(qū)部分地區(qū)的裸地（幺鋪鎮(zhèn)、宋旗鎮(zhèn)、七眼橋鎮(zhèn)、大西橋鎮(zhèn)等）。高溫區(qū)主要地類為建筑用地和裸地，建筑用地主要由高層密集建筑、水泥道路、機(jī)場、學(xué)校；低溫工主要分布在中心城區(qū)的部分水庫和南部的龍宮鎮(zhèn)、新場鄉(xiāng)、巖臘鄉(xiāng)、甘堡林場、雞場鄉(xiāng)、楊武鄉(xiāng)還有北部蔡官鎮(zhèn)的部分村的林地和河流水庫。

4.2 溫度與面積分布特征

溫度的像元個(gè)數(shù)的多少可直接反映溫度分布面積大小，圖3溫度與面積分布，表示了地面近似溫度反演圖像中以像元值（溫度）為樣本的分布情況，說明極低溫區(qū)和極高溫區(qū)面積較少、中溫面區(qū)積多，平均溫度集中在20℃，溫度面積服從正態(tài)分布。

5 熱效應(yīng)驅(qū)動力

本文引入了熱效應(yīng)貢獻(xiàn)度（Hi）、熱單元權(quán)重指數(shù)（D1）和區(qū)域熱單元權(quán)重指數(shù)（D2）等概念[4-7]。

所謂熱效應(yīng)貢獻(xiàn)度指數(shù)（Hi）是指不同溫度的地類對區(qū)域平均溫度的影響，即對區(qū)域熱環(huán)境的貢獻(xiàn)，計(jì)算公式如下：

式中Tij為地類i中高于區(qū)域平均溫度的第j個(gè)像元的溫度，Ta0表示成像時(shí)區(qū)域的平均溫度，ni為地類i中溫度高于區(qū)域平均溫度的像元數(shù)量，N表示區(qū)域土地面積，Hi′為初始熱效應(yīng)貢獻(xiàn)度。

熱單元權(quán)重指數(shù)D1表示高于平均溫度的地塊面積在本土地利用類型中所占的比重，區(qū)域熱單元權(quán)重指數(shù)D2表示高于平均溫度的地塊面積占區(qū)域土地總面積的比重是，計(jì)算方法如下：

D1=（ni/Ni）×100%

D2=（ni/N） ×100%

Ni表示地類i的面積。

表1是不同地類熱環(huán)境的影響指數(shù)，通過比較發(fā)現(xiàn)西秀區(qū)熱效應(yīng)貢獻(xiàn)度最大的是裸地，導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因除了裸地面積是所有下墊面的面積最大的外，主要還與裸的物理性質(zhì)有很大關(guān)系，裸地主要是巖石裸露率較高的土地，巖石主要為石灰?guī)r和白云質(zhì)砂巖，一般來說，溫度越高，熱導(dǎo)率越低；其次是建筑用地，由于建筑群、道路、工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)、機(jī)場以及特殊的建筑材料所致，人類活動和工業(yè)污染引起的大氣污染也是不容忽視的因素；第三是林地，林地?zé)嶝暙I(xiàn)度和區(qū)域熱單元指數(shù)并不是很高；水體是熱效應(yīng)貢獻(xiàn)度最小。

從不同土地利用類型的熱單元權(quán)重指數(shù)D1來看，水體、建筑用地和裸地溫度超過平均溫度的地塊較多，林地次之；區(qū)域熱單元權(quán)重指數(shù)D2表明裸地、林地中高于平均溫度的地塊占區(qū)域總面積的比重較大，其次是建筑用地，然后是水體。

5.1 地形因子與熱環(huán)境的分析

西秀區(qū)具有極其復(fù)雜的地形，城市大部分地區(qū)都處在地勢起伏的中山丘陵地帶，這一特殊的地形特征對城市熱島時(shí)空演化分布特征產(chǎn)生一定的影響。本研究利用研究區(qū)域的數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，提取海拔、坡度、坡向等地形因子，分別將海拔按等距離分類法分為3個(gè)區(qū)間段，分別為1064～1274 m、1275～1484 m、1485～1694 m；將坡度按自然段點(diǎn)法分為6個(gè)區(qū)間段0～5°、6～8°、9～13°、14～18°、19～25°、26～42°6類；將坡向分類東（406～45）、南（46～135）、西（136～225）、北（226～405）4類。利用ArcGIS的區(qū)域統(tǒng)計(jì)功能，分別統(tǒng)計(jì)出不同海拔區(qū)段、不同坡度級、不同坡向的溫度平均值進(jìn)行相關(guān)分析，得出不同地形因子對地面溫度的影響。

為了降低城鎮(zhèn)用和水體對分析結(jié)果的影響，本研究主要針對自然地表溫度進(jìn)行分析。海拔高度對溫度的影響是比較大的，R2值為0.8969，溫度隨海拔的升高遞減規(guī)律；坡向?qū)囟纫灿休^明顯的影響，影像成像日為秋分過后幾天，11時(shí)24分西南方面正處于陽坡，東北方向處于陰坡，因此西南方向地表溫度比東北方向高；坡度對地表溫度的影響較為明顯，R2值為0.9629，隨坡度的升高呈現(xiàn)明顯遞減的規(guī)律。

5.2 植被與熱環(huán)境的分析

5.2.1 石漠化程度對熱環(huán)境的影響

由圖4（a）可知，裸地地表平均溫度為21.15 ℃，其中無石漠化地表平均溫度為21.12 ℃，面積112170.51 hm2；輕度石漠化地表平均溫度為21.33 ℃，面積96353.37 hm2；中度石漠化地表平均溫度為21.52 ℃，面積3271.68 hm2；重度石漠化地表平均溫度為21.65 ℃，面積1530.9 hm2。裸地地表平均溫度與石漠化等級程度呈正相關(guān)，石漠化等級越高，面積越大，地表平均溫度越高。

由圖4（b）可知，林地地表平均溫度為20.10 ℃，其中無石漠化地表平均溫度為20.01 ℃，面積40967.55 hm2；輕度石漠化地表平均溫度為20.21 ℃，面積6433.02 hm2；中度石漠化地表平均溫度為20.59 ℃，面積4144.59 hm2；重度石漠化地表平均溫度為20.77 ℃，面積1680.3 hm2。同樣林地地表溫度與石漠化等級程度呈正相關(guān)，石漠化等級越高，面積越大，地表平均溫度越高。

5.2.2 植被覆蓋度對熱環(huán)境的影響

一般來講，一個(gè)地區(qū)的植被相對于其他下墊面類型具有較低的地表溫度，這主要是由植被的蒸騰作用所致。植被表面（主要是葉子）不斷地向空氣中蒸騰水分，使植被周圍空氣的濕度和溫度發(fā)生了一系列的變化，從而起到降低溫度的作用。而一個(gè)地區(qū)的植被覆蓋情況，一般用植被覆蓋度來表示，而植被覆蓋度又是由植被指數(shù)來確定。以往的研究中大部分學(xué)者都是采用用歸一化植被指數(shù)（NDVI）這個(gè)指標(biāo)。

西秀區(qū)屬于典型的喀斯特地貌，區(qū)域地形比較復(fù)雜，在分析地表覆蓋度與地表溫度的關(guān)系時(shí)，不能簡單的運(yùn)用植被指數(shù)的高低與下墊面的關(guān)系進(jìn)行研究?；诖?，本研究采用人機(jī)互譯，采用Landsat8影像數(shù)據(jù)與石漠化矢量數(shù)據(jù)、林地變更數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，將明顯集中分布地類進(jìn)行分類，再將各地類的平均值進(jìn)行比較，按此原則分將下墊面分為建筑用地、裸地、宜林地、灌木林地、喬木林地、水體6類，如圖5各地類的平均值由大到小排順序?yàn)榻ㄖ玫?、裸地、宜林地、灌木林地、喬木林地、水體，這也符合理論與實(shí)際。由此可見，就從地類單因素來講，建筑用地、裸地增加會使地表熱效應(yīng)越來越強(qiáng)，而林地與水體則具有緩解熱效應(yīng)的作用。

5.3 典型地物與熱環(huán)境的分析

選取鄉(xiāng)村建設(shè)用地、高密集城鎮(zhèn)建設(shè)用地、建材市場、機(jī)場、學(xué)校進(jìn)行分析。由圖6（a）典型地物地表溫度曲線圖可知，地表溫度最高的是安順市火車站，其次是安順市體育館、安運(yùn)司綜合建材市場等，最低的是郊區(qū)安順學(xué)院、對門寨等5個(gè)村寨；地表平均溫度由高到低的順序?yàn)榘岔橌w育館、安運(yùn)司綜合建材市場、安順火車站、興偉花園、安順世紀(jì)城小區(qū)、黃果樹機(jī)場、篷賽斯花園、機(jī)場航站樓、安順學(xué)院、對門寨等5個(gè)村寨；地表最低溫度由高到低的是安運(yùn)司綜合建材市場、安順體育館、黃果樹機(jī)場、興偉花園、安順世紀(jì)城小區(qū)、安順學(xué)院、對門寨村寨、安順火車站、石頭寨村寨、篷賽斯花園、龍家莊村寨、機(jī)場航站樓、五里屯村寨、火燒寨村寨。由典型地物曲線圖可知，安運(yùn)司綜合建材市場最低溫度、平均溫度、最高溫度相差不大，地表溫度比較穩(wěn)定。經(jīng)驗(yàn)證，安運(yùn)司綜合建材市場完全為純建筑物組成，地面沒植被分布，而其它典型地物或多或少都有植被分布。

下面將典型地物按城區(qū)建筑、城郊結(jié)合部建筑、鄉(xiāng)村建筑進(jìn)行分類，再對比其平均值，如圖6（b）所示，城區(qū)地表平均溫度28.61 ℃，城郊結(jié)合部地表平均溫度24.09 ℃，鄉(xiāng)村地表平均溫度23.21 ℃，由平均地表溫度高到低排序?yàn)槌菂^(qū)、城郊結(jié)合部、鄉(xiāng)村，這完全符合理論實(shí)際，主要原因在于城區(qū)建筑密集、高低錯(cuò)綜復(fù)雜、人口集中、夏季人為執(zhí)排放較大、空氣流動較緩；特殊的建筑材料，熱慣量較大，吸收熱量快，散發(fā)熱量慢；不透水面導(dǎo)致大量雨水快速流失，綠地、河流、水庫較少，缺乏蒸騰作用導(dǎo)致城區(qū)比郊區(qū)、鄉(xiāng)村地表溫度高的原因。與城區(qū)相比，雖然建筑材料都相差不大，但城郊結(jié)合建筑密度沒有城區(qū)密集，工廠也相對較為分散，空氣流動快，地表熱容易擴(kuò)散。而鄉(xiāng)村建筑比較分散、建筑高度較低、人口稀少、工礦較少，鄉(xiāng)村建筑大多選在依山傍水、綠樹成蔭的地方，少量的熱量很快擴(kuò)散，所以鄉(xiāng)村溫度相對較低。

5.4 水體與熱環(huán)境的分析

選取面積較大的不同水庫進(jìn)行分析，將不同水庫與溫度等級分布圖疊加，統(tǒng)計(jì)出不同水庫的最小值、最大值、平均值，從圖7可知，各水庫的平均溫度相差不大，而最低溫度較低的水庫有油菜河水庫、雷家坡水庫、虹山水庫、紅巖水庫，最低溫度相對較高的有土地坡水庫、朱官水庫、黑石頭水庫，對應(yīng)面積較大的也是油菜河水庫、雷家坡水庫、虹山水庫、紅巖水庫，面積相對較小的是土地坡水庫、朱官水庫、黑石頭水庫，可見容量大、水位深的水庫最低溫度要低。面積相對較小的土地庫水庫、朱官水庫、黑石頭水庫中，朱官水庫最高溫度、最低溫度、平均溫度比土地水庫和黑石水庫要低，經(jīng)核實(shí)驗(yàn)證土地坡水庫、黑石頭水庫處于城郊，周圍都是裸地和建筑，水體渾濁，垃圾較多，受到嚴(yán)重污染，而朱官水庫遠(yuǎn)離城市，處于茂密的森林旁邊，水體深蘭色，干凈、清亮，這說明水體受污染程度越高，地表溫度就越高，水體受污染程度越小，地表溫度就越低。

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