北京城市熱島效應時空變化遙感分析

楊 敏， 楊貴軍， 王艷杰， 張勇峰， 張智宏， 孫晨紅

(1.陜西省地震局，西安 710068； 2.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心,北京 100097；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室,北京 100097； 4.北京市農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心,北京 100097； 5.西安中天緯地測繪科技有限公司,西安 710054；6.西安科技大學測繪科學與技術(shù)學院,西安 710054； 7.西安航天天繪數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司,西安 710054)

0 引言

改革開放以來，我國城鎮(zhèn)化政策多次變動，大體經(jīng)歷4個階段： ①城鎮(zhèn)化恢復發(fā)展階段(1978—1984年)； ②城鎮(zhèn)化平穩(wěn)發(fā)展階段(1984—1992年)； ③城鎮(zhèn)化加速發(fā)展階段(1992—2003年)； ④城鎮(zhèn)化統(tǒng)籌發(fā)展階段(2003年至今)[1]?，F(xiàn)在，中國人口大約有40%居住在城市，快速的城鎮(zhèn)化進程帶來了諸多生態(tài)環(huán)境問題，城市表面熱島效應及其變化就是其中最為嚴重的問題之一[2-3]。城市熱島效應指的是城市中央?yún)^(qū)域的地表溫度(land surface temperature，LST)明顯高于郊區(qū)等城市邊緣的LST，溫度差值越大表示城市熱島效應越強，反之，溫度差值越小表示城市熱島效應越弱[4-5]。交通、工業(yè)、商業(yè)和住宅區(qū)等人為熱源的加劇導致熱島中心區(qū)域近地面氣溫高、空氣密度小、氣壓低，大氣做上升運動，與周圍地區(qū)形成氣壓差異，從而在城市中心區(qū)域形成一個低壓區(qū)，使生產(chǎn)、生活中產(chǎn)生的各種大氣污染物在熱島中心區(qū)域聚集，危害人們的身體健康甚至生命[5]。因此，城市熱島效應的大小及模式已成為對許多城市氣候研究的主要問題。對城市熱島效應的研究方法主要有氣象資料分析法[6]、布點觀測法[7]、數(shù)值模擬化法[8]和衛(wèi)星遙感技術(shù)法[9-10]4種，其中衛(wèi)星遙感技術(shù)法因能夠大面積同步觀測、時效性強、空間分辨率高而被廣泛利用。目前，大量衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)己應用于城市熱島效應研究，如NOAA/AVHRR[11]，Terra/Aqua MODIS/ASTER[12]，F(xiàn)Y-2C[13]和Landsat TM/ETM+/TIRS[14-16]等數(shù)據(jù)。國內(nèi)外學者對城市熱島效應的遙感研究主要有： Gallo等[17]在1993年通過分析城鄉(xiāng)歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)及LST差異，評估了最低氣溫對城市環(huán)境的的影響； Chen等[18]在2016年使用NDVI從不同時期的遙感影像中提取深圳市土地利用/覆蓋信息，分析其與熱紅外波段反演的LST之間的關(guān)系，并通過城市不透水面分析了LST與城鎮(zhèn)化之間的關(guān)系； Mathew等[19]在2016年研究了LST與不透水面面積及海拔的關(guān)系； Shen等[20]在2016年通過時空融合方法分析了武漢市連續(xù)26 a間高空間分辨率城市熱島效應發(fā)展模式及其與NDVI、不透水面面積及植被覆蓋度之間的相關(guān)關(guān)系； 許飛等[21]在2014年在Hottel模型中利用TM數(shù)據(jù)模擬了城市屋頂在不同反射率下對太陽輻射的吸收過程進行模擬，結(jié)果表明“白屋頂計劃”能有效緩解城市熱島效應。

北京市作為中國的首都，發(fā)展十分迅速。自城鎮(zhèn)化加速發(fā)展階段(1992—2003年)和城鎮(zhèn)化統(tǒng)籌發(fā)展階段(2003年至今)以來，北京市城區(qū)規(guī)模不斷擴大，不透水面增多，城市能源消耗增大，這些都影響著城市的熱島分布格局。因此，研究和調(diào)查北京的城市熱島現(xiàn)象很有意義[18]。許多學者已做過廣泛研究，Xu等[22]在2013年利用TM影像分析北京市城市熱島效應與NDVI等指數(shù)之間的時空分布關(guān)系； Peng等[23]在2016年研究北京市2001年以及2009年春夏秋冬4個季節(jié)的熱島效應和城市功能分區(qū)、景觀類型與熱島效應之間的關(guān)系； Wang等[24]在2016年將北京—天津—河北城市群作為研究區(qū)域，結(jié)果表明城鎮(zhèn)化進程對溫度的影響顯著，城市熱島效應隨晝夜變化和季節(jié)變化而變化，并預測隨著城市擴張，研究區(qū)的城市環(huán)境會越來越不適宜人們生活，特別是夜間環(huán)境； 楊可明等[25]在2014年基于V-I-S模型和全約束最小二乘混合像元分解模型來分析城市不透水面豐度與LST之間的關(guān)系，結(jié)果表明城市不透水面能夠反映城市熱環(huán)境的空間分布。對北京市熱島效應的研究成果已有很多，但很少有人從城鎮(zhèn)化進程角度對熱島效應的發(fā)展模式進行研究。本文結(jié)合他人已有的研究成果，從定量(基于相對溫度比例分級策略(relative percentage temperature grading strategy，RPGS)的熱聚合指數(shù)(heat aggregation indicator，HAI))和定性(基于RPGS方法對地表亮度溫度進行等級劃分)2個方面研究城鎮(zhèn)化進程的發(fā)展對北京市城市熱島效應時空變化的影響，旨在為政府部門進行合理的城區(qū)規(guī)劃、減輕城市熱島效應的影響提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

北京市位于E115.7°～117.4°，N39.4°～41.6°之間，總面積為16 807.8 km2，截至2014年底常駐人口總數(shù)為2 151.6萬人[26]。自1978年改革開放以來，北京在40 a間發(fā)生了巨大變化，政治經(jīng)濟文化的快速發(fā)展使北京城區(qū)面積迅速擴張，城市下墊面變化很大。為了去除云污染以及圖像拼接和相關(guān)問題對研究結(jié)果的影響，本文使用了覆蓋北京絕大部分地區(qū)的單景Landsat衛(wèi)星影像，因此本文研究區(qū)域為北京市部分區(qū)域(東城區(qū)、西城區(qū)、海淀區(qū)、朝陽區(qū)、豐臺區(qū)、石景山區(qū)、順義區(qū)及通州區(qū)這8個市轄區(qū)的全部區(qū)域以及房山區(qū)、大興區(qū)和門頭溝區(qū)的部分區(qū)域)。圖1示出研究區(qū)位置。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area

1.2 數(shù)據(jù)及其預處理

1.2.1 日平均最高氣溫數(shù)據(jù)與理想時間窗口

本文從中國氣象數(shù)據(jù)官網(wǎng)(http: //data.cma.cn)獲取北京市1984—2014年間每天的日平均最高氣溫，然后計算出這31年日平均最高氣溫(圖2)。在分析這些數(shù)據(jù)并考慮衛(wèi)星數(shù)據(jù)可用性的基礎(chǔ)上，選擇一年中最熱的5—9月作為熱島效應分析的“理想時間窗口”(圖2中2條直線之間)。本文所有數(shù)據(jù)均選自這個時間范圍。

圖2 Landsat數(shù)據(jù)獲取的理想時間Fig.2 Ideal time of Landsat data acquired

1.2.2 Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)

考慮到中國國民經(jīng)濟發(fā)展實行“五年計劃”制度以及Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)的可獲取性，本研究所用數(shù)據(jù)的間隔均在5 a左右，所用Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)均獲取自美國地質(zhì)調(diào)查局官網(wǎng)(http: //glovis.usgs.gov/)，并結(jié)合圖2所示每一年份的數(shù)據(jù)優(yōu)先選擇5—9月份時間范圍內(nèi)的影像。Landsat5/7/8的載荷分別對應TM，ETM+和TIRS這3種傳感器，本文所采用的3種傳感器獲取對應日期數(shù)據(jù)的部分參數(shù)如表1所示。

表1 所獲取Landsat數(shù)據(jù)的部分參數(shù)Tab.1 Parameters of Landsat data acquired

對上述7景影像利用ENVI軟件分別進行輻射定標、大氣校正、幾何糾正和裁剪等預處理，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)影像數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 地表亮度溫度生成

本文用Landsat數(shù)據(jù)直接反演地表亮度溫度(以下簡稱為地表亮溫)，作為LST來研究熱島效應。熱紅外波段數(shù)據(jù)經(jīng)輻射定標之后，便可根據(jù)普朗克函數(shù)直接求解地表亮溫[27]，其計算公式為

TB=K2/ln(K1/Lλ+1),

(1)

式中：TB為地表亮溫，K；Lλ為熱紅外波段輻射亮度值； K1和K2為常量[27]。在本文中，地表亮度溫度、地表亮溫與地表溫度(LST)是同義語。

2.2 地表亮溫等級劃分

為了減少溫度波動帶來的影響，本文采用Shen等[20]提出的RPGS方法確定本文地表亮溫的等級劃分標準以生成溫度圖。RPGS方法利用相對百分比范圍劃分LST數(shù)據(jù)，參考各個地物類別在研究區(qū)范圍內(nèi)所占的比例確定閾值。本文對7期Landsat影像進行最大似然分類，將地物主要分為5類： 水體、高大植被、低矮植被、裸土以及不透水面(如瓦片、瀝青、水泥混凝土等材料構(gòu)成的建筑物、路面和停車場等)，每一類最高溫和最低溫之間的溫差都在10 K以上。分類結(jié)果見表2。

表2 7期Landsat影像中各覆蓋類別最小/最大/平均LST及面積比例Tab.2 Minimum / maximum / average of LST and area ratio for classes of coverage in Landsat images acquired in seven periods

考慮到一般地表覆蓋類型的溫度由低到高分別為水體/森林、農(nóng)田、裸土、農(nóng)村居民用地、其他建設(shè)用地和城鎮(zhèn)用地，以分類結(jié)果為參考，將水體和高大植被作為低溫區(qū)、低矮植被作為亞低溫區(qū)、裸土作為中溫區(qū)、不透水面作為亞高溫區(qū)和高溫區(qū)，得到本文的RPGS方法地表亮溫等級劃分標準(表3)。

表3 RPGS方法溫度等級劃分Tab.3 Classification of temperature grades based on RPGS method

本文的研究重點是高溫區(qū)和亞高溫區(qū)的轉(zhuǎn)移趨勢，故文中所有日期的數(shù)據(jù)均采用表3中的溫度等級劃分標準，以確保每一個溫度等級中的像元個數(shù)不發(fā)生變化。采用RPGS方法能夠清晰地觀察到時間序列上的熱轉(zhuǎn)移趨勢。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市熱分布演變過程定性分析

根據(jù)2.1節(jié)描述的地表亮溫的生成方法以及2.2節(jié)中表3所列的地表亮溫等級劃分方法，生成1985，1991，1995，2001，2005，2011和2015年這7 a的北京市LST分級分布圖(圖3)。圖中表現(xiàn)出明顯的規(guī)律，能夠清晰地反映城市熱島效應的演變過程。

(a) 1985年(b) 1991年 (c) 1995年 (d) 2001年

(e) 2005年(f) 2011年 (g) 2015年

圖3LST分級分布圖

Fig.3DistributionofLSTgrades

圖3中所有的影像都是采用RPGS方法劃分的，每一景影像中每一溫度區(qū)域的像元個數(shù)均未發(fā)生變化，統(tǒng)一的劃分標準可以清楚地從時間序列數(shù)據(jù)中反映出城市的熱轉(zhuǎn)移趨勢。圖3中一系列的地表亮溫分級圖表明，市中心的溫度均持續(xù)高于周邊郊區(qū)(農(nóng)村)的溫度。高溫區(qū)(紅色)及亞高溫區(qū)(黃色)主要分布在市區(qū)，且隨著時間的推移和城鎮(zhèn)化進程的加快，城區(qū)范圍不斷擴大，城區(qū)內(nèi)工業(yè)發(fā)達、商業(yè)繁華、人口增多，郊區(qū)則大部分變?yōu)槌菂^(qū)，綠化、裸土面積減??； 因此，高溫區(qū)域和亞高溫區(qū)域由原來的市中心和郊區(qū)裸土區(qū)域逐漸擴展為集中分布在整個城區(qū)內(nèi)。由于城區(qū)的擴展，高溫區(qū)和亞高溫區(qū)就由早些年的集中分布在東城區(qū)和西城區(qū)向外擴展為若干個小熱島，分布在整個北京市的市中心。值得注意的是，隨著城鎮(zhèn)化進程的發(fā)展階段不同，高溫區(qū)也呈現(xiàn)不同的演化模式。早期的高溫區(qū)絕大部分集中在東城區(qū)、西城區(qū)等老城區(qū)，亞高溫區(qū)則圍繞著高溫區(qū)分布； 與高溫區(qū)的分布相比，亞高溫區(qū)的分布較為分散且溫度等級分布幾乎沒有什么變化，主要表現(xiàn)在1985年和1991年，該時間段為城鎮(zhèn)化進程的平穩(wěn)發(fā)展階段，城鎮(zhèn)化進程緩慢，地表覆蓋變化不大，引起熱島效應的因子幾乎不變。中期高溫區(qū)慢慢向老城區(qū)之外的區(qū)域擴展，但分布仍較為集中； 亞高溫區(qū)則在向郊區(qū)(農(nóng)村)擴展； 市中心的亞低溫區(qū)域增多，主要表現(xiàn)在1995年和2001年(對應著城鎮(zhèn)化進程的加速發(fā)展階段)，從影像圖中可看出該期間北京市城區(qū)已經(jīng)擴展至整個五環(huán)線，建筑面積急劇增多，因此熱島區(qū)域也由市中心向外擴展。自2005年起，高溫區(qū)零零散散地分布于整個五環(huán)或者六環(huán)區(qū)域內(nèi)，形成一些零星的小熱島區(qū)域，而市中心由原來的大部分屬于高溫區(qū)域變?yōu)榻^大部分屬于亞高溫區(qū)域。2005年至今，整個北京市已經(jīng)形成一個整體亞高溫和局部高溫的組合模式。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象，即熱島效應最嚴重的地區(qū)由原來集中分布在老城區(qū)變?yōu)殡x散分布于幾個局部地區(qū)。為了將上述熱島現(xiàn)象的演變模式在更小的尺度展現(xiàn)出來，本文對市中心的東西城區(qū)(東城區(qū)和西城區(qū))、朝陽區(qū)、海淀區(qū)及石景山區(qū)做進一步分析。為了確保更清晰的對比，根據(jù)前文所說的中國城鎮(zhèn)化進程發(fā)展階段，將本文所用Landsat影像分為3個時段，分別為1985—1991年、1995—2001年和2005—2015年。對每個時段的影像求LST平均值，之后仍然采用2.2節(jié)中的地表亮溫等級劃分方法，生成LST分布分級圖(圖4)。圖4(a)—(c)是東、西城區(qū)階段性熱演變圖。東、西城區(qū)是北京市老城區(qū)，從圖中可以看出，高溫區(qū)域大面積集中分布在東、西城區(qū)； 隨著時間的流逝，高溫區(qū)范圍急劇縮小且變得分散； 在最新時段(2005—2015年)，老城區(qū)只剩下一個小范圍的高溫區(qū)，該高溫區(qū)位于大柵欄商業(yè)街區(qū)，該街區(qū)人口眾多、胡同密集、建筑物覆蓋度很高而植被覆蓋度很低(圖4(a)—(c)中的方框區(qū)域)。

(a) 東西城區(qū)(1985—1991年)(b) 東西城區(qū)(1995—2001年) (c) 東西城區(qū)(2005—2015年)

(d) 朝陽區(qū)(1985—1991年)(e) 朝陽區(qū)(1995—2001年)(f) 朝陽區(qū)(2005—2015年)

(g) 海淀區(qū)(1985—1991年)(h) 海淀區(qū)(1995—2001年) (i) 海淀區(qū)(2005—2015年)

圖4-1各時段Landsat影像平均LST演變圖

Fig.4-1EvolutionofaverageLSTofLandsatimageindifferentstages

(j) 石景山區(qū)(1985—1991年) (k) 石景山區(qū)(1995—2001年) (l) 石景山區(qū)(2005—2015年)

圖4-2各時段Landsat影像平均LST演變圖

Fig.4-2EvolutionofaverageLSTofLandsatimageindifferentstages

圖4(d)—(f)是朝陽區(qū)階段性熱演變圖，2個方框內(nèi)的熱分布均發(fā)生了顯著變化。上面方框內(nèi)高溫區(qū)域及亞高溫區(qū)域逐漸分散，結(jié)合圖5[28]可以看出，這部分區(qū)域的熱源主要來自大型購物中心； 而下面方框與上面方框內(nèi)的熱分布趨勢恰恰相反，結(jié)合圖6可知，新增加的不透水面中有很多工廠區(qū)，包括金屬廠、面粉廠、印刷廠和紙品廠等高溫熱源。

(a) 2000年以前 (b) 2010年前 (c) 2013年前

圖5大型購物中心分布變化情況

Fig.5Changesindistributionoflargeshoppingmalls

(a) 北京市工廠區(qū)(藍灰色點)(b) 2015年熱分布圖

圖6熱分布與工廠區(qū)和住宅區(qū)之間的關(guān)系

(搜索自騰訊地圖： 圓形(或橢圓形)內(nèi)是工廠密集區(qū)，方框內(nèi)是住宅區(qū))

Fig.6Relationshipbetweenthermaldistributionandfactoryareaaswellasresidentialarea

圖6展示了熱分布與工廠區(qū)和住宅區(qū)之間的關(guān)系。圖6(a)是在騰訊地圖(http: //map.qq.com/)搜索北京市工廠區(qū)后的位置示意圖，圖6(b)是與6(a)對應的熱分布圖。圖6(a)只是網(wǎng)頁截圖，無法獲取更詳細、更精確的信息，但可以通過視覺簡單比較工廠分布與熱分布的關(guān)系，能夠發(fā)現(xiàn)在工廠密集分布的區(qū)域(圖6中的圓形(或橢圓形)區(qū)域)，高溫區(qū)與亞高溫區(qū)分布也相對密集。值得注意的是，雖然住宅區(qū)(圖6中的方框區(qū)域)人口密度較高，建筑物也較多，但其高溫區(qū)(或亞高溫區(qū))并不多。這表明，工廠區(qū)對熱分布的影響遠遠大于住宅區(qū)對熱分布的影響。

圖4(g)—(i)是海淀區(qū)階段性熱演變圖。海淀區(qū)的熱分布大部分屬于亞高溫區(qū)且總體變化不大，只有局部變得離散，且熱島區(qū)域均集中在東部和南部區(qū)域。結(jié)合圖5和圖7(圖7引自“北京市第三次全國經(jīng)濟普查數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)”的“統(tǒng)計圖庫”)可以看出，海淀區(qū)的大型購物中心以及能源消耗較大區(qū)域均在東部和南部，故在東部和南部呈現(xiàn)熱島現(xiàn)象。海淀區(qū)中部和西部有頤和園、植物園、香山等歷史名勝和自然風景區(qū)，北部有許多的農(nóng)田和村莊。因此，海淀區(qū)高溫區(qū)域集中在東部和南部區(qū)域。海淀區(qū)的東部和南部區(qū)域作為老城區(qū)，變化不是很大，故一直是高溫或亞高溫區(qū)域。

(a) 海淀區(qū) (b) 石景山區(qū)

圖72014年能源消耗合計

Fig.7Totalenergyconsumptionin2014

圖4(j)—(l)是石景山區(qū)階段性熱演變圖。早期階段高溫區(qū)和亞高溫區(qū)聚集在老城區(qū)，隨著時間的推移而分散，圓圈內(nèi)高溫區(qū)略微變小且變得離散，亞高溫區(qū)略微變大。結(jié)合圖7(b)可知，圓圈區(qū)域?qū)儆谑吧絽^(qū)能源消耗最多的廣寧街道和古城街道，這是因為自1919年首鋼興建以來，石景山區(qū)成為北京市的重工業(yè)區(qū)[29]，特別是廣寧街道； 而隨著工業(yè)的發(fā)展，古城街道也變成石景山區(qū)的政治經(jīng)濟中心。故石景山區(qū)熱島區(qū)域整體變化不大。

值得注意的是，建筑物低矮密集且低植被覆蓋區(qū)域的溫度遠遠高于建筑物高大稀疏且高植被覆蓋區(qū)域的溫度，如圖8所示。

(a) 2015年全色影像(部分)(b) 對應(a)中A區(qū)域 (c) 對應(a)中B區(qū)域

圖8建筑物低矮密集且低植被覆蓋區(qū)域(A)和建筑物高大稀疏且高植被覆蓋區(qū)域(B)溫度分級

Fig.8Temperaturegradesoflow-vegetation-coveredareaswithlow-denseofbuildings

(A)andhigh-vegetation-coveredareaswithtall-sparseofbuildings(B)

圖8(b)是選取的二環(huán)線周圍建筑物低矮密集且低植被覆蓋區(qū)域(東至前門大街，西至南新華街，北至前門西大街，南至珠市口西大街)，圖8(c)是建筑物高大稀疏且高植被覆蓋區(qū)域(東至工人體育場東路，西至二環(huán)線，北至工人體育場北路，南至朝陽門外大街)，圖8(b)和(c)均是結(jié)合2015年的Landsat全色影像(圖8(a))從2015年地表亮溫分級圖中選取的。由圖8可以看出，在建筑物高度較高、密度較低、植被覆蓋度較大的區(qū)域，LST相對較低，更適宜居住。

3.2 熱聚合和熱島強度演變過程定量分析

利用基于RPGS的HAI描述高溫區(qū)及亞高溫區(qū)的聚合度。HAI是對利用RPGS方法進行溫度等級劃分之后，選擇感興趣區(qū)域內(nèi)的高溫區(qū)或者亞高溫區(qū)的像元個數(shù)(或面積)進行統(tǒng)計記錄的方法。本文選擇東西城區(qū)、四環(huán)路和五環(huán)路3個典型區(qū)域。圖9是東西城區(qū)、四環(huán)路、五環(huán)路在1985年的最大似然分類結(jié)果圖中的位置示意圖，其中東西城區(qū)根據(jù)2007年北京行政矢量圖劃分，四環(huán)路和五環(huán)路根據(jù)2015年衛(wèi)星影像劃分。圖10為以上3個區(qū)域內(nèi)高溫區(qū)、高溫區(qū)與亞高溫區(qū)之和的HAI。

圖9 用于定量研究地表城市熱島效應的區(qū)域(1985年) (從內(nèi)到外分別是： 東西城區(qū)、四環(huán)路、五環(huán)路)Fig.9 Areas for quantitative study of surface urban heat island effect in 1985

(a) 東西城區(qū)高溫區(qū) (b) 四環(huán)路高溫區(qū) (c) 五環(huán)路高溫區(qū)

(d) 東西城區(qū)高溫區(qū)與亞高溫區(qū)之和 (e) 四環(huán)路高溫區(qū)與亞高溫區(qū)之和(f) 五環(huán)路高溫區(qū)與亞高溫區(qū)之和

圖101985—2015年北京市HAI

Fig.10Beijingheataggregationindicatorsfrom1985to2015

由圖10可以明顯看出，不管是東西城區(qū)、四環(huán)路還是五環(huán)路，無論是高溫區(qū)還是高溫區(qū)與亞高溫區(qū)之和，像元個數(shù)整體上均呈波動下降趨勢，表明城鎮(zhèn)化導致郊區(qū)變城區(qū)、高溫區(qū)域由聚集于原來的老城區(qū)變成散布于擴建后的整個城區(qū)。因此，隨著時間的流逝，東西城區(qū)、四環(huán)路和五環(huán)路高溫區(qū)域像元個數(shù)均呈波動下降趨勢。事實上，HAI定量分析結(jié)果表現(xiàn)出與圖3和圖4所示城市熱島演變過程具有高度一致性。HAI變化的主要原因是，亞高溫區(qū)已經(jīng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)，而高溫區(qū)呈分散趨勢，與北京市的城鎮(zhèn)化進程模式一致。

圖3、圖4和圖10均顯示出北京市城市熱島效應呈波動下降的趨勢，隨時間流逝沒有大范圍成片熱聚集區(qū)，這和以前報道的對北京市熱島效應的研究結(jié)果不太一致，其主要原因為國家政策影響城鎮(zhèn)化進程，進而影響到城市土地覆蓋變化的發(fā)展模式。

4 結(jié)論與建議

本文以經(jīng)篩選的1985年、1991年、1995年、2001年、2005年、2011年和2015年7個時段內(nèi)的Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用遙感手段，分析了北京市城市熱島效應的時空變化特征，得到如下結(jié)論：

1)考慮到國家政策對城鎮(zhèn)化進程的影響，本文使用7個時段的Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析北京市熱島效應熱轉(zhuǎn)移趨勢。一方面，隨著北京市城鎮(zhèn)化進程的發(fā)展，在1985—2015年間溫度較高的區(qū)域(高溫區(qū)和亞高溫區(qū))一直集中在城區(qū)范圍內(nèi)，城中央明顯的大范圍高溫區(qū)域形成島狀結(jié)構(gòu)； 另一方面，高溫區(qū)已從東西城區(qū)向海淀、豐臺、石景山等區(qū)域轉(zhuǎn)移，導致高溫區(qū)域越來越分散，東西城區(qū)高溫區(qū)大部分被亞高溫區(qū)所替代，整個研究區(qū)已無大范圍聚集的高溫區(qū)，取而代之的是零星分布的小熱島區(qū)域。

2)對城市熱分布演變過程的定性分析結(jié)果表明，在工廠密集、大型購物中心較多、住宅區(qū)分布較廣的區(qū)域，高溫區(qū)與亞高溫區(qū)分布也相對較密集，但呈遞減趨勢。究其原因可能是，雖然住宅區(qū)人口密度大、建筑物分布密集，但是住宅區(qū)能源消耗合計沒有工廠區(qū)大，綠化程度比工廠區(qū)高，且沒有明顯的熱源。此結(jié)論對城市規(guī)劃具有重要意義，可為相關(guān)部門合理規(guī)劃工業(yè)園區(qū)分布以減輕城市熱島效應的影響提供參考依據(jù)。

綜上所述，如何緩解或盡量減輕城市熱島效應將是一個非常值得研究討論的話題。本文的研究考慮到城市綠地面積可有效減輕城市熱島效應的影響，建筑物等地物的密集則會加重城市熱島效應，可給出在以后的城市規(guī)劃中應該避免高密度低層且低植被覆蓋住宅區(qū)的建設(shè)等建議。

本文在研究熱島效應的時空變化特征中，雖然用到的遙感影像數(shù)據(jù)的時間間隔相對于已有研究已經(jīng)大大縮小，但是時間間隔仍然相差了5 a左右，5 a的時間內(nèi)城市可能已經(jīng)發(fā)生了很大的變化； 因此，后續(xù)的研究應進一步縮小遙感影像數(shù)據(jù)獲取的時間間隔，爭取做到1 a的時間分辨率。另外，城市熱島效應會隨季節(jié)而變化，也會隨晝夜而變化，故在研究城市熱島效應時，對氣溫測量的合適季節(jié)與晝夜時刻，以及對應遙感數(shù)據(jù)類型與時相的選擇方法也值得進一步調(diào)查研究。