貴池區(qū)地表溫度反演和熱島空間特征分析

章 勇，姚志強(qiáng)

（池州學(xué)院資源環(huán)境學(xué)院，安徽池州247000）

隨著全球城市化進(jìn)程加快，城市下墊面不斷變化，城市熱島問題變得越來(lái)越突出，影響城市氣候，危害城市的生態(tài)環(huán)境[1]。對(duì)于城市熱島的研究，有利于城市規(guī)劃和城市環(huán)境保護(hù)以及推進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2]。由于傳統(tǒng)的地面觀測(cè)方式很難全面掌握城市地面熱島的空間分布情況，因此利用遙感影像來(lái)研究城市熱島效應(yīng)成為了主流方式。就目前研究成果來(lái)看，有關(guān)城市熱島研究大都是對(duì)大城市展開研究的，而對(duì)中小城市的研究甚少。因此，本文以池州市貴池區(qū)為例，研究中小城市熱島空間分布特征。對(duì)于正確認(rèn)識(shí)演變規(guī)律和空間特征，尋求改善池州市人居環(huán)境的科學(xué)合理方法，以及推進(jìn)池州市生態(tài)城市建設(shè)具有重要意義。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)

本文選擇中小城市池州市貴池區(qū)（北緯:30°40′27.27″,東經(jīng):117°29′44.47″）為研究區(qū)，池州市作為中國(guó)第一個(gè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)示范區(qū)和中國(guó)優(yōu)秀旅游城市，走生態(tài)城市建設(shè)是池州發(fā)展的必經(jīng)之路。近些年來(lái)，隨著旅游業(yè)的發(fā)展，池州市的城市化進(jìn)程及經(jīng)濟(jì)水平得到了快速發(fā)展，特別是貴池區(qū)發(fā)展尤為迅速，但也帶來(lái)了貴池區(qū)下墊面的巨大變化，人口急劇增多，熱島效應(yīng)日益顯著。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文選用Landsat8衛(wèi)星2016年7月26日池州市貴池區(qū)的數(shù)據(jù)，圖幅號(hào)為L(zhǎng)C81210392016207LGN00。Landsat8數(shù)據(jù)共有11個(gè)波段（波段信息見表1），其中第10波段和第11波段為熱紅外波段，可用于地表溫度反演。

表1 Landsat8波段信息

由于Landsat8一景影像所包括的地面范圍非常廣，為185KM×185KM，而池州市貴池區(qū)只是該范圍內(nèi)的一部分。如果直接對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)量和運(yùn)算量太大。因此，要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪處理。本文利用池州市貴池區(qū)行政邊界矢量數(shù)據(jù)對(duì)Landsat8原始數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪預(yù)處理。圖1為裁剪后貴池區(qū)真彩色顯示結(jié)果，圖2為熱紅外波段10灰度顯示。

圖1 Landsat8貴池區(qū)真彩色圖像

圖2 Landsat8第10波段

2 地表溫度反演

本文采用Wang F等的Landsat8地表溫度反演算法[3]，公式為：

式中，Ts為利用Landsat8熱紅外波段10反演得到的地表溫度；a10和b10為算法常量，其值見表2；T10為L(zhǎng)andsat8熱紅外波段10的亮溫；Ta為大氣參數(shù)；C10和D10為算法中間變量，可用公式（2）和（3）計(jì)算得到。

公式（2）和（3）中τ10和ε10分別為L(zhǎng)andsat8第10波段的大氣透過率和地表比輻射率。

表2 常量a10、b10對(duì)應(yīng)溫度范圍值

2.1 Ta和 τ10的求解

大氣平均作用溫度Ta主要由大氣剖面氣溫分布和大氣狀態(tài)決定[4]，由于衛(wèi)星過境時(shí)刻的大氣剖面數(shù)據(jù)和大氣狀態(tài)很難測(cè)定，可以根據(jù)表3中相應(yīng)的大氣模型估算大氣平均作用溫度T[5]。

a

表3 大氣參數(shù)Ta對(duì)應(yīng)大氣模型計(jì)算公式

表3中T0為近地表大氣溫度，可通過氣象網(wǎng)站獲取。

遙感傳感器所接收到的熱輻射強(qiáng)度與地表真實(shí)發(fā)射的熱輻射強(qiáng)度的比值稱為大氣透過率，必須消除大氣對(duì)熱輻射的影響才能將星上亮溫轉(zhuǎn)換成地表輻射溫度。大氣透過率可根據(jù)表4中不同大氣模型中水汽含量獲取。

表4 大氣透過率計(jì)算

w為大氣水汽含量，可通過氣象網(wǎng)站獲取。

2.2 地表比輻射率ε10的求解

地表比輻射率是指物體在溫度為T，波長(zhǎng)為λ時(shí)輻射出射度與相同溫度和波長(zhǎng)下的黑體輻射出射度的比值。可根據(jù)公式[6]

式中，dε為地表比輻射率改正項(xiàng)，NDVI為歸一化植被指數(shù)，Pv為植被覆蓋度，εv10，εs10分別為熱紅外波段10純凈的植被和裸露地表和建筑表面的比輻射率，εv10=0.973，εs10=0.966。

式中，F(xiàn)'為地形因子，值為0-1之間，一般取0.5。

圖1虛線框內(nèi)西側(cè)(左)車庫(kù)為上浮區(qū)域，中間為4層網(wǎng)點(diǎn)及主樓.在網(wǎng)點(diǎn)與車庫(kù)交界等位置，剪力最大處產(chǎn)生一定破壞.上浮區(qū)域呈現(xiàn)龜殼式，中間凸出比較多，最大位移在軸與④軸交點(diǎn)處附近.

式中，pnir為近紅外波段，pr為紅波段。

式中，NDVIs、NDVIv分別為純凈的裸土像元和純凈植被像元的歸一化植被指數(shù)，一般可以將NDVI＜0.05時(shí)看成純凈裸地區(qū)域，NDVI＞0.7時(shí)認(rèn)為是純凈的植被區(qū)域[6]。因此，可以取NDVIs=0.05，NDVIv=0.7。貴池區(qū)Landsat8波段10的地表比輻射率渲染結(jié)果見圖3。

圖3 貴池區(qū)地表比輻射率渲染圖

2.3 亮溫的求解

物體的亮度溫度是指當(dāng)某一個(gè)物體與黑體的輻射出射度相等時(shí)，此時(shí)，該物體的亮度溫度就是黑體此刻所具有的溫度，即與觀測(cè)物體輻射出射度相等時(shí)黑體的溫度稱為該物體的亮度溫度。Landsat 8數(shù)據(jù)是用DN值表示的，通過對(duì)熱紅外波段輻射定標(biāo)得到熱輻射強(qiáng)度，輻射定標(biāo)公式為：

式中，Lλ星上輻射強(qiáng)度，Qcal為原始量化的DN值，ML和AL為定標(biāo)常量，可通過查詢Landsat 8頭文件可知，這里ML=3.3420E-04，AL=0.10000。因此，利用上式可很容易地計(jì)算出Landsat8兩個(gè)相應(yīng)熱紅外波段的熱輻射強(qiáng)度，熱輻射強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的像元亮度溫度可根據(jù)Landsat8元文件提供的熱量常數(shù)轉(zhuǎn)化得到：

式中，T為L(zhǎng)andsat 8熱紅外波段的像元亮度溫度（K），K1和K2為衛(wèi)星發(fā)射前預(yù)設(shè)的常量，對(duì)于Landsat 8第10波段K1=774.89mW·cm-2·sr-1·um-1，K2=1321.08K。貴池區(qū)Landsat8數(shù)據(jù)亮溫渲染結(jié)果見圖4。

圖4 貴池區(qū)亮溫渲染圖

綜上，將地表比輻射率、亮度溫度、大氣平均作用溫度和大氣透過率帶入公式（1），即可獲得貴池區(qū)地表溫度反演結(jié)果，利用ArcGIS對(duì)反演得到的溫度結(jié)果圖像進(jìn)行渲染出圖，見圖5。

圖5 貴池區(qū)地表溫度渲染圖

3 熱島空間特征

為了分析貴池區(qū)城市熱島空間特征，對(duì)貴池區(qū)Landsat8遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類，分成三種土地覆蓋類型（水域，建設(shè)用地和綠地），從而獲得貴池區(qū)土地覆蓋類型圖（見圖6）。

圖6 貴池區(qū)土地覆蓋類型圖

從圖6中可以看出，貴池區(qū)建設(shè)用地主要集中在老城區(qū)，由市中心向四周發(fā)散，呈現(xiàn)出中心輻射現(xiàn)象。從圖5和圖6中可以得出，貴池區(qū)大部分區(qū)域溫度是比較低的，這得益于池州市綠化工作的完善。對(duì)反演得到的地表溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以得到最高溫度為39.6℃，最低溫度為21.3℃，平均溫度為29.7℃。并對(duì)每種土地覆蓋類型的溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。

表5 每種土地覆蓋類型溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表5中可以看出，建設(shè)用地平均溫度最高，其次是綠地，水域的平均溫度最低。建設(shè)用地溫度的標(biāo)準(zhǔn)差最大，這是因?yàn)榻ㄔO(shè)用地建筑物的多樣性，新舊建筑材料的混雜性導(dǎo)致的。

圖7 池州市貴池區(qū)溫區(qū)劃分圖

為了能夠更加直觀、定量地分析貴池區(qū)熱島空間特征，利用均值-標(biāo)準(zhǔn)差等間距的方法（見公式10），將貴池區(qū)溫度劃分為六個(gè)等級(jí)（見圖7）。

從圖6和圖7可以得出，貴池區(qū)下墊面土地覆蓋類型和城市熱島的分布狀況保持著較好的一致性，貴池區(qū)城市熱島特高溫區(qū)主要集中在老城區(qū)中心區(qū)域，圍繞著平天湖，地表溫度高于周邊區(qū)域，并與城市的輪廓和道路分布一致。這是由于老城區(qū)地表覆蓋類型大部分都是建設(shè)用地，大面積高密度的建筑物導(dǎo)致空氣流通性差，并且建筑材料吸熱能力強(qiáng)，所以熱島特高溫區(qū)主要集中在老城區(qū)；低溫區(qū)主要集中在沿長(zhǎng)河、平天湖以及城內(nèi)河流。這是由于水的熱傳導(dǎo)能力強(qiáng)，水面不宜聚集熱量，所以水域處于低溫區(qū)；次中溫區(qū)、中溫區(qū)和次高溫區(qū)主要集中在植被覆蓋度高的綠地區(qū)域。因?yàn)榫G地由于植被的蒸騰作用具有降溫效果，所以綠地處于次中溫區(qū)、中溫區(qū)和次高溫區(qū)。可見，水體和植被對(duì)城市熱島效應(yīng)具有明顯的改善作用。

4 結(jié)論

本文利用Landsat8遙感數(shù)據(jù)對(duì)池州市貴池區(qū)進(jìn)行了地表溫度反演，并分析了貴池區(qū)的城市熱島空間分布特征，為中小城市城市熱島的研究提供了思路。研究結(jié)果表明：

（1）不同土地覆蓋類型對(duì)城市熱島的貢獻(xiàn)不同。其中建設(shè)用地平均地表溫度最高，綠地次之，水域最低。

（2）貴池區(qū)下墊面土地覆蓋類型和城市熱島的分布狀況保持著較好的一致性。土地覆蓋類型的空間布局直接決定著城市熱島的空間格局。城市建設(shè)用地處于熱島的特高溫區(qū)，水域處于低溫區(qū)，城市綠地處于次中溫區(qū)、中溫區(qū)和次高溫區(qū)。

（3）貴池區(qū)城市熱島特高溫區(qū)主要集中在老城區(qū)中心區(qū)域，圍繞著平天湖，地表溫度高于周邊區(qū)域，并與城市的輪廓和道路空間布局保持一致。低溫區(qū)主要集中在沿長(zhǎng)河、平天湖以及城內(nèi)河流溫度相當(dāng)較低。次中溫區(qū)、中溫區(qū)和次高溫區(qū)主要集中在植被覆蓋度高的區(qū)域。

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