基于Landsat影像的長(zhǎng)春市熱島效應(yīng)研究

畢 強(qiáng)，王青妹

(1.吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院測(cè)繪院，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.長(zhǎng)春工程學(xué)院勘查與測(cè)繪工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130021)

城市是社會(huì)、政治、經(jīng)濟(jì)以及科學(xué)文化水平發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，隨著社會(huì)的發(fā)展，人口急劇膨脹，城市的規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市化的進(jìn)程不斷加快，一定程度上代表了社會(huì)的進(jìn)步，但是城市中以植被為主的自然地物逐漸被人工的建筑物所代替，從而帶來(lái)了負(fù)面影響，其中熱島效應(yīng)就是城市化進(jìn)程中的產(chǎn)物[1]。

城市熱島效應(yīng)(Urban Heat Island Effects)，是指城市化發(fā)展過(guò)程中城市的地表溫度以及大氣溫度明顯高于外圍郊區(qū)溫度的區(qū)域性氣候現(xiàn)象[2- 3]。研究地表溫度的差異性是研究熱島效應(yīng)的重要因子，目前對(duì)于地表溫度的反演主要有兩種方法：一是利用地面氣象觀測(cè)站的數(shù)據(jù)分析歷年城區(qū)與外圍郊區(qū)的溫度差異，得出熱島效應(yīng)的分布規(guī)律；二是利用熱紅外遙感技術(shù)反演地表溫度，進(jìn)而分析熱島效應(yīng)的空間分布特征。本文基于第二種方法，采用兩幅影像通過(guò)大氣校正法反演地表溫度，研究熱島效應(yīng)的空間分布特征[4- 5]。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)春市是我國(guó)重要的工業(yè)基地以及交通樞紐，轄7個(gè)區(qū)，2個(gè)縣級(jí)市以及農(nóng)安縣，素有“北國(guó)春城”的美譽(yù)，東毗鄰吉林市，南與四平市接壤，西北與松原市相連，總面積20565km2，總?cè)丝谶_(dá)到779.3萬(wàn)。長(zhǎng)春市屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫4.8℃，最高溫度39.5℃，最低溫度-39.8℃。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

研究的遙感數(shù)據(jù)是從地理空間數(shù)據(jù)云官網(wǎng)上下載，根據(jù)研究區(qū)的經(jīng)緯度范圍確定條帶號(hào)和行編碼，并盡量選取云量低于5%的影像。本文采用的遙感數(shù)據(jù)包括2011年6月5日的TM數(shù)據(jù)以及2016年5月17日的TIRS數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先根據(jù)研究區(qū)選擇118/29和118/30兩景影像，對(duì)影像進(jìn)行幾何校正、鑲嵌，鑲嵌完成之后，進(jìn)行熱紅外波段的輻射定標(biāo)，Landsat8上搭載OLI傳感器和熱紅外TIRS兩個(gè)傳感器。對(duì)于TIRS數(shù)據(jù)，利用輻射定標(biāo)參數(shù)將波段10像元灰度值(DN)轉(zhuǎn)換為像元在傳感器處的熱輻射強(qiáng)度值(Radiance)[5]，根據(jù)研究區(qū)的行政區(qū)劃矢量邊界數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，得到需要進(jìn)行地表溫度反演的研究區(qū)，如圖1、2所示。

圖1 2011年Landsat5影像

2 研究方法

2.1 地表溫度反演

輻射傳輸方程法是地表溫度反演的最基本方法，也稱為大氣校正法。該方法主要是根據(jù)輻射傳輸方程編制大氣校正軟件或估算大氣下行輻射、大氣上行輻射和大氣總透過(guò)率，然后結(jié)合地物的比輻射率ε，利用輻射函數(shù)求解出最后的溫度[6]。其原理是利用熱紅外波段反演地表溫度，具體計(jì)算方法如下：

TS=K2/ln[1+[K1/B(TS)]]

(1)

式中，TS—地表溫度；B(Ts)—同溫度下黑體輻射亮度值，B(Ts)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε；Lλ—熱紅外輻射亮度值；L↑—大氣上行熱輻射強(qiáng)度；L↓—大氣下行熱輻射強(qiáng)度；K1—輻射亮度；K2—輻射出射度。K1、K2詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不同數(shù)據(jù)格式K1、K2值

2.2 歸一化植被指數(shù)提取

植被指數(shù)是由兩個(gè)或者兩個(gè)以上的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的地物反射率做比值運(yùn)算得到，本文采用的歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)，是綜合性比較強(qiáng)的植被指數(shù)，它能反演葉綠素、植物的葉片含水量等信息，利用影像的紅光波段與近紅外波段做波段計(jì)算，NDVI值的范圍是-1～1[7]，計(jì)算公式如下：

(2)

式中，ρNIR—近紅外波段的反射值；ρRED—紅光波段的反射值。

3 結(jié)果與分析

3.1 地表溫度反演分析

根據(jù)公式(1)進(jìn)行地表溫度反演，從制作的溫度反演影像上可以看出長(zhǎng)春市白天的溫度分布有很大差異性，熱場(chǎng)表現(xiàn)不均衡，高溫地區(qū)集中在城市中心，而周圍的郊區(qū)溫度則相對(duì)較低。也可以看出南部分布水域的地區(qū)溫度較其他地方溫度要低，一般為10～14℃。

根據(jù)兩幅同一季節(jié)不同年份的遙感影像反演地表溫度的結(jié)果來(lái)看，隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，熱島也在發(fā)生變化，向北方遷移。原因是成立了北部新區(qū)，這幾年經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展人們由中心以及周圍郊區(qū)向此地遷移，導(dǎo)致原來(lái)以植被為主的覆蓋類型轉(zhuǎn)而由復(fù)雜的建筑物以及其他不透水面代替，勢(shì)必造成熱量升高。如圖3、圖4所示。

圖3 2011年6月地表溫度反演圖像

圖4 2016年5月地表溫度反演圖像

3.2 歸一化植被指數(shù)與地表溫度的關(guān)系

為了研究NDVI與地表溫度的定量關(guān)系，對(duì)NDVI進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。本文選取Landsat5影像，在研究區(qū)選擇大致20個(gè)點(diǎn)作為樣本點(diǎn)[8]，分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 NDVI與地表溫度回歸結(jié)果圖

從回歸結(jié)果可以得出，NDVI與地表溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，二者的相關(guān)系數(shù)為-0.8947，即植被覆蓋越高的地方溫度越低。可見(jiàn)，增加綠地面積能夠有效緩解城市熱島效應(yīng)。

4 城市熱島劃分

目前，常用的熱島效應(yīng)等級(jí)劃分方法有兩類：一類是等間距分級(jí)法，這種方法是以反演溫度的最大值與最小值為端點(diǎn)，將溫度的區(qū)間等間距地劃分成若干個(gè)小區(qū)間，如劃分為6級(jí)依次為特高溫區(qū)、高溫區(qū)、次高溫區(qū)、中溫區(qū)、次中溫區(qū)以及低溫區(qū)。這種劃分方法在分割閾值及確定分級(jí)數(shù)量時(shí)具有很大的主觀性，易造成定量研究城市熱島的不確定性，對(duì)研究熱島變化特征缺少說(shuō)服力；另一類是兼顧均值和標(biāo)準(zhǔn)差的方法，該方法是利用地表溫度均值和不同標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)相組合的方式對(duì)地表熱場(chǎng)進(jìn)行劃分，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)城市熱島區(qū)的有效界定。標(biāo)準(zhǔn)差反映了溫度相對(duì)于平均溫度的偏離程度，同時(shí)應(yīng)用均值和標(biāo)準(zhǔn)差能夠反映不同地物溫度的變異，且標(biāo)準(zhǔn)差一般能夠說(shuō)明地面附近溫度與地面平均溫度的接近程度，因此均值—標(biāo)準(zhǔn)差法比等間距劃分法可更為合理地劃分地表溫度級(jí)別，可更為直觀地描述研究區(qū)地表溫度的差異情況[9]。本文即采用兩種方法對(duì)研究區(qū)的熱場(chǎng)進(jìn)行劃分，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表2和表3，地表反演溫度熱場(chǎng)分布圖詳見(jiàn)圖6和圖7。

表2 等間距劃分地表熱場(chǎng)分布

表3 均值-標(biāo)準(zhǔn)差法劃分地表熱場(chǎng)分布

圖6 Landsat5熱場(chǎng)分布

圖7 Landsat8熱場(chǎng)分布

通過(guò)對(duì)比圖6、7熱場(chǎng)分布結(jié)果，可見(jiàn)等間距法在劃分熱島強(qiáng)度細(xì)節(jié)上表現(xiàn)力差，不能真實(shí)客觀地反映地物溫度特征，而均值—標(biāo)準(zhǔn)差法就可以根據(jù)溫度區(qū)間的劃分對(duì)應(yīng)不同的土地覆蓋類型，因此，均值—標(biāo)準(zhǔn)差法從溫度反演效果上更準(zhǔn)確。

5 結(jié)論

本文采用大氣校正法分別對(duì)2011年和2016年長(zhǎng)春市范圍內(nèi)的地表溫度情況進(jìn)行了反演，得出結(jié)論如下：

(1)隨著時(shí)間的推移地表溫度呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)，熱島效應(yīng)逐步向周圍地區(qū)蔓延發(fā)展。

(2)地表溫度隨著歸一化植被指數(shù)的增加而降低，兩者存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(3)采用均值-標(biāo)準(zhǔn)差法劃分城市熱場(chǎng)級(jí)別效果優(yōu)于等間距法。由于目前的實(shí)驗(yàn)工作僅完成了2011年、2016年影像的溫度反演，實(shí)驗(yàn)比較與分析的內(nèi)容還比較局限，在后續(xù)的研究中，還將收集不同年份、不同傳感器的影像資料，進(jìn)一步分析城市熱環(huán)境與城市建成區(qū)時(shí)間和空間變化的關(guān)系，為緩解和控制城市熱島提供更為有效的科學(xué)依據(jù)[9- 10]。