城市熱島的遙感監(jiān)測(cè)方法及應(yīng)用

趙劍橋

摘 要 隨著城市規(guī)模的迅速擴(kuò)大，城市熱島效應(yīng)愈發(fā)明顯。遙感技術(shù)提供的大范圍地表溫度空間變化信息，非常適用于分析不同空間分辨率下的城市熱場(chǎng)空間分布特征。城市熱島的遙感監(jiān)測(cè)方法主要有基于溫度、基于植被指數(shù)、基于熱力景觀的方法。利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)城市熱島效應(yīng)，目前比較側(cè)重?zé)釐u范圍與強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)，而對(duì)于緩解城市熱島的方法和途徑的研究還比較薄弱，應(yīng)當(dāng)利用遙感資料與技術(shù)對(duì)此加強(qiáng)研究。

關(guān)鍵詞 城市熱島；地表溫度；地面亮溫；植被指數(shù)；熱力景觀

中圖分類(lèi)號(hào)：X16；X87 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.09.072

城市熱島是指城市中的氣溫明顯高于外圍郊區(qū)的現(xiàn)象，是城市發(fā)展最顯著的特征之一[1]。對(duì)于城市熱島出現(xiàn)的原因，很多研究者認(rèn)為與下墊面性質(zhì)結(jié)構(gòu)、植被覆蓋情況、天氣、地形、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等密切相關(guān)。隨著城市化的發(fā)展，城市熱島強(qiáng)度及規(guī)模日益加劇[2]，城市熱島效應(yīng)產(chǎn)生的危害很大，熱島中心區(qū)域呈上升氣流，附近的廢氣、污染物進(jìn)入城區(qū)加重污染，嚴(yán)重影響居民健康。

一般來(lái)說(shuō)城市熱島研究有兩條途徑：1）通過(guò)固定氣象站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)城市中具體站點(diǎn)進(jìn)行時(shí)序觀測(cè)或?qū)Χ鄠€(gè)城鄉(xiāng)站點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)，分析城鄉(xiāng)的地表溫度差異；2）利用衛(wèi)星遙感獲取的地表熱場(chǎng)分布數(shù)據(jù)對(duì)比分析城鄉(xiāng)的地表溫度差異。早期城市熱島研究主要運(yùn)用站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，但由于觀測(cè)站點(diǎn)的分布較為稀疏，有一定的局限性，影響了對(duì)于城市熱場(chǎng)空間分布特征的客觀分析。因此，現(xiàn)在依賴傳統(tǒng)定點(diǎn)觀測(cè)的城市熱島研究越來(lái)越少。通過(guò)遙感手段獲取的觀測(cè)資料具有覆蓋范圍廣、時(shí)間同步性好的特點(diǎn)，其提供的大范圍地表溫度空間變化信息，非常適用于分析不同空間分辨率下的城市熱場(chǎng)空間分布特征。

1 基于溫度的監(jiān)測(cè)方法

根據(jù)處理溫度方法的不同，可分為基于地表溫度與基于地面亮溫兩類(lèi)方法[3]。

1.1 基于地表溫度的監(jiān)測(cè)方法

城市熱島效應(yīng)與下墊面性質(zhì)結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，但由于下墊面的復(fù)雜性以及實(shí)時(shí)探空數(shù)據(jù)獲取的不易，使得地表溫度的精確反演存在一定難度，因此這一方法大多是通過(guò)簡(jiǎn)化方法獲取大氣參數(shù)、地表比輻射率等求取地表溫度。陳健等基于MODIS和ASTER影像數(shù)據(jù)，以劈窗算法反演地表溫度，利用分類(lèi)結(jié)果和歸一化植被指數(shù)（NDVI）等，定量分析滄州地區(qū)的城市熱環(huán)境。研究表明，市區(qū)為高溫中心，建筑物密集地、郊區(qū)人類(lèi)活動(dòng)頻繁地帶溫度較高，農(nóng)村用地和荒地也出現(xiàn)了明顯的局部熱中心[4]。楊沈斌等基于Landsat TM/ETM+影像的數(shù)據(jù)，通過(guò)反演地表溫度計(jì)算城市熱島強(qiáng)度，研究北京城市熱島季節(jié)特征，結(jié)果顯示北京城市熱島季節(jié)變化特征明顯，與總云量季節(jié)變化關(guān)系顯著。夏季出現(xiàn)最大熱島強(qiáng)度，空間分布特征表現(xiàn)為片狀發(fā)散與零星熱島并存；冬季表現(xiàn)為冷島特征，其空間分布與夏季熱島一致；春季與秋季的熱島強(qiáng)度最小，不過(guò)春季的熱島空間差異較大[5]。

1.2 基于地面亮溫的監(jiān)測(cè)方法

地面亮溫是傳感器在衛(wèi)星高度上能夠觀測(cè)到的熱輻射強(qiáng)度，也稱(chēng)地表輻射溫度。在城市區(qū)域范圍有限的前提下，基于地面亮溫的城市熱島研究一般假設(shè)研究區(qū)的大氣條件接近理想，水汽狀況近似一致，可以忽略大氣對(duì)輻射亮溫的影響[6]。劉恩勤等利用Landsat7 ETM+遙感數(shù)據(jù)，利用亮溫代替實(shí)際地面溫度來(lái)表征城市熱場(chǎng)的方法，通過(guò)地物熱紅外波段輻射值反演研究城市熱島效應(yīng)，結(jié)果顯示研究區(qū)熱島效應(yīng)明顯，熱場(chǎng)分布有明顯的規(guī)律性[7]。

雖然利用地面亮溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行城市熱島研究的成果較多，但地面亮溫并不是地表真實(shí)溫度，實(shí)際上兩者相差很大，用地面亮溫研究城市熱島效應(yīng)，只能相對(duì)表達(dá)熱島的分布狀況，其結(jié)果并不是對(duì)城市熱島強(qiáng)度的真實(shí)反映，所以基于地面亮溫的監(jiān)測(cè)方法存在一定的局限性。

2 基于植被指數(shù)的監(jiān)測(cè)方法

植被指數(shù)是表征地表植被信息的重要指標(biāo)，作為反映城市綠地覆蓋狀況的最重要信息源，廣泛應(yīng)用于對(duì)植被覆蓋及其活力的評(píng)價(jià)。其中，NDVI反映對(duì)植被比較敏感的近紅外和可見(jiàn)光波段反射光譜的信息，較多地應(yīng)用于植被分布狀況研究中。王艷姣等基于植被指數(shù)的北京城市熱島變化研究表明，北京夏季郊區(qū)NDVI的增加對(duì)郊區(qū)地表溫度的調(diào)節(jié)作用非常顯著[8]。唐曦等在上海城市熱島效應(yīng)與植被關(guān)系的研究中，基于遙感數(shù)據(jù)對(duì)不同下墊面結(jié)構(gòu)的亮溫和NDVI進(jìn)行線性回歸比對(duì)分析，研究表明植被與下墊面溫度的負(fù)相關(guān)程度夏季較春季高，夏季植被對(duì)溫度的影響更明顯，即夏季植被對(duì)降低下墊面溫度效果非常顯著[9]。邊倩倩等基于ETM+遙感影像的城市熱島效應(yīng)與植被覆蓋關(guān)系研究表明，研究區(qū)溫度的分布（中心高、邊緣低）與植被覆蓋程度（中心低、邊緣高）相反[10]。

基于植被指數(shù)研究城市熱島也存在一定局限性：1）冬季綠色植被很少的地區(qū)，無(wú)法保證結(jié)果的準(zhǔn)確性；2）干旱地區(qū)無(wú)法適用這個(gè)方法；3）對(duì)于海拔也有一定要求，如果高程差超過(guò)500 m，則研究結(jié)果難以符合實(shí)際[11]。

3 基于熱力景觀的監(jiān)測(cè)方法

景觀生態(tài)學(xué)的興起與發(fā)展，使基于熱力景觀的監(jiān)測(cè)方法成為城市熱島研究的新方法。這種方法應(yīng)用GIS和遙感技術(shù)，從景觀生態(tài)學(xué)角度研究城市熱島，建構(gòu)城市熱島空間格局與評(píng)價(jià)體系。

黃聚聰?shù)冉梃b景觀生態(tài)學(xué)的方法計(jì)算景觀指數(shù)，利用Landsat ETM+影像數(shù)據(jù)反演地表溫度，使用景觀格局指數(shù)分析廈門(mén)城市熱島的季節(jié)變化特征。其所選取的景觀指數(shù)包括類(lèi)型面積、斑塊數(shù)量、平均斑塊面積、最大斑塊指數(shù)、平均鄰近指數(shù)、面積加權(quán)形狀指數(shù)、連通性指數(shù)、聚合度。這些指數(shù)從數(shù)量特征、形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)特征三個(gè)方面表征廈門(mén)城市熱島空間格局特征及季節(jié)變化，研究表明：廈門(mén)城市熱島在夏季最強(qiáng)，春秋次之，冬季最弱[12]。唐澤等基于Landsat ETM+影像數(shù)據(jù)，以單窗算法反演長(zhǎng)春市夏季地表溫度，以線性光譜混合模型獲取長(zhǎng)春市不透水面蓋度和植被覆蓋率，構(gòu)建熱力景觀動(dòng)態(tài)度指數(shù)，分析城市熱力景觀格局的時(shí)空變化特征，研究表明，近10年來(lái)，長(zhǎng)春市高溫區(qū)域向郊區(qū)擴(kuò)展，熱力景觀整體呈現(xiàn)破碎化[13]。

相關(guān)研究表明，基于熱力景觀的監(jiān)測(cè)方法能夠比較快捷地獲得空間范圍內(nèi)的地溫、土地利用類(lèi)型和植被指數(shù)等，但是其在時(shí)間連續(xù)性上還存在局限性。

4 結(jié)語(yǔ)

遙感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)使其成為監(jiān)測(cè)城市熱島效應(yīng)不可或缺的重要手段，但目前利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)城市熱島比較側(cè)重?zé)釐u范圍與強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)，而對(duì)于緩解城市熱島的方法和途徑的研究還比較薄弱，建議今后利用遙感資料與技術(shù)對(duì)此加強(qiáng)研究。

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（責(zé)任編輯：劉昀）