基于Landsat8影像的安慶市城市熱島效應分析

韋 正，孫嘉樂，陳志敏，郭忠臣

(宿州學院環(huán)境與測繪工程學院，安徽 宿州 234000)

0 引言

城市的發(fā)展，一方面給人們的生活帶來了便利，另一方面也對自然環(huán)境帶來了諸多問題，城市熱島效應就是其中之一。國內外許多專家學者對其進行了廣泛研究，例如Manley[1]于1958年第一次提出城市熱島(Urban Heat Island，UHI)的概念；Rao[2]于1974年第一次將遙感技術應用于城市熱島效應研究。與傳統(tǒng)的熱島效應研究技術相比，遙感技術以其技術手段多樣、經濟效益高、監(jiān)測范圍大、測量速度快等特點成為研究城市熱島效應的主要方法；Streutker[3]利用大量資料研究了美國休斯敦市的熱島效應，描述了城市熱島的大小和空間范圍，得出了農村溫度和熱島效應的關系；李璇瓊[4]利用Landsat數據對蘭州市城市熱島效應時空演化進行研究，得出了蘭州市熱島效應和植被覆蓋度之間的關系；方剛[5]利用Landsat8數據對宿州市城市熱島效應進行了研究，得出了宿州市熱島效應的空間分布并分析了熱島效應與4種指數的關系；胡德勇等[6]采用單窗算法和Landsat8 TIRS數據反演河南省鄭州市上街機場及其附近的地表溫度，研究提出了針對熱紅外第10波段的單窗算法，并羅列了研究區(qū)多種地表條件下的溫度值。

本文以Landsat8衛(wèi)星影像為數據源，以ENVI遙感軟件為平臺，利用覃志豪等[7]提出的單窗算法模型對安慶市城市熱島效應進行研究。在分析安慶市城市熱島效應時空變化的基礎上，提出緩解安慶市城市熱島效應的措施。研究結果對安慶市建立全國綠化模范城市、國家森林城市、國家園林城市等建設具有一定的參考作用，也能為安徽省其它城市研究熱島效應提供一個范例。

1 研究區(qū)概況

安慶市坐落于皖西南長江中下游的北岸，位于29°47'～31°17'N，115°46'～117°44'E之間。安慶市氣候溫暖、四季分明，年平均降水量1 300～1 500 mm，年均溫度在14.5～16.6℃，無霜期248天，現轄7縣(市)及3區(qū)。論文以安慶市市轄區(qū)（具體包括大觀區(qū)、迎江區(qū)和宜秀區(qū)）為研究區(qū)，研究區(qū)的遙感影像如圖1。

圖1 安慶市市轄區(qū)的影像圖

2 數據來源與數據處理方法

2.1 數據來源與預處理

論文以2014年5月1日和2018年4月10日兩時相Landsat8影像為數據源，其軌道號是121，行號是39，云量是0。論文以ENVI5.3軟件為平臺，首先對研究區(qū)Landsat8 TIRS和OLI影像進行輻射定標處理，然后對研究區(qū)OLI影像進行大氣校正處理，最后依據最新行政區(qū)劃矢量邊界裁剪安慶市市轄區(qū)影像。

2.2 單窗算法反演地表溫度模型

2.2.1 單窗算法

覃志豪的單窗算法是針對TM傳感器數據的第6波段提出來的，TIRS傳感器的數據具有與其相似的波普范圍，因此單窗算法也適用于Landsat8衛(wèi)星數據。計算公式[7]為：

式中：Ts是地表溫度(K)，C和D是變量，C=ετ，D=(1-τ)+[1+(1-ε)τ]，其中ε是地表比輻射率，τ是大氣透射率，系數a=-67.355 351，b=0.458 606，Ta為大氣平均作用溫度，T是Landsat8 TIRS中第11波段像元的亮度溫度[7]。

2.2.2 大氣平均溫度

溫度統(tǒng)一采用開爾文溫度，其具體表達式為：T=t+273.15，單位用K來表示，中緯度夏季平均大氣溫度公式[8]可用Ta來計算，其具體表達式為：

2.2.3 大氣透射率

在http：//atmcorr.gsfc.nasa.gov網頁中，輸入研究區(qū)影像的成像時間、中心點經緯度等信息很容易查到2014年5月1日和2018年4月10日兩時相影像大氣透射率分別為0.81和0.84。

2.2.4 亮度溫度

地表亮度溫度計算公式[8]：

式中：K1、K2為常數，均可以從Landsat8頭文件中獲取。對于Landsat8衛(wèi)星影像，亮度溫度可直接在ENVI5.3中利用熱紅外影像通過輻射定標得到。

2.2.5 地表比輻射率

地表比輻射率(ε)可用Sobrino等[9]提出的NDVI閾值法來計算，具體公式為：

式中：Pv是研究區(qū)λ植被覆蓋度，NDVI表示研究區(qū)歸一化植被指數，NDVIv是被植全覆蓋區(qū)像元的歸一化植被指數值，NDVIs是裸土或零植被覆蓋區(qū)的歸一化植被指數值。

2.2.6 研究區(qū)的地表溫度反演

利用公式(1)并結合4種參數對研究區(qū)地表溫度進行反演，圖2（封三）給出了研究區(qū)地表溫度分布圖。分析可知：2014年5月1日和2018年4月10日安慶市地表溫度最低分別為290.60 K和290.13 K，最高溫度分別為314.57 K和311.85 K，高溫區(qū)相對集中于市區(qū)和居民地等人類活動頻繁區(qū)域，在遠離城市中心的地方，如山地、河流和農田等無建筑覆蓋地區(qū)，溫度相對較低。鄉(xiāng)村地表溫度明顯低于城市地表溫度，且反演結果整體溫度分布符合熱島效應分布規(guī)律，由此可見安慶市城市熱島效應顯著。

圖2 安慶市市轄區(qū)地表溫度分布圖

2.3 城市熱島效應分級與時空分布規(guī)律分析

利用公式(5)對地表溫度進行歸一化處理，并按照等差級數值將研究區(qū)熱島效應分級：0.8～1.0表示強熱島區(qū)、0.6～0.8表示熱島區(qū)、0.4～0.6表示正常區(qū)、0.2～0.4表示綠島區(qū)、0～0.2表示強綠島區(qū)。圖3（封三）表示安慶市市轄區(qū)城市熱島效應的等級分布圖，表1給出了各等級所占面積及百分比。

圖3 安慶市市轄區(qū)熱島效應分級

式中：L是TIRS影像中第i個像元亮度溫度的歸一化值，Ti是第i個像元溫度；Tmin代表溫度最小的值，Tmax表示溫度最大的值。

總的來說，安慶市熱島區(qū)2018年較之2014年有明顯的擴張，熱島區(qū)由市中心向城市外圍以及農村地區(qū)延伸；結合熱島效應等級分布圖可以發(fā)現，2018年研究區(qū)中正常區(qū)、熱島區(qū)和強熱島區(qū)面積相對于2014年有非常明顯的上升，并且主要集中在安慶市區(qū)中心；低溫區(qū)包括鄉(xiāng)村，山林等地，由于存在茂盛的樹木和豐富的水資源，對熱島效應起到了一定的遏制作用，但是都有向高溫區(qū)轉變的趨勢?？傮w來說，研究區(qū)的熱島效應2014—2018年呈現一個上升的趨勢（表1）。

表1 熱島效應等級各區(qū)域面積及百分比

3 NDVI，BSI，NDBBI，MNDWI與城市熱島效應之間的關系

3.1 指數模型

3.1.1 歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)

NDVI是用來表示植被覆蓋度與植被生長狀態(tài)的一指標，其計算公式[10]如下：

3.1.2 裸土指數(Bare Soil Index，BSI)

Rikimaru等于1996年提出BSI[11]，其公式是：

3.1.3 歸一化差值裸地與建筑用地指數(Normalized Difference Bareness and Built-up Index，NDBBI)

NDBBI是用來提取僅含裸地的建筑信息，計算式[12]是：

3.1.4 改進的歸一化水體指數(Modified Normalized Difference Water Index，MNDWI)

MNDWI是用來提取水體信息，計算式[13]為：

上述各式中，(i=2，3，4，5，6，7)分別代表Landsat8影像第i波段。圖4和5是安慶市市轄區(qū)4指數圖。

圖4 2014年安慶市市轄區(qū)4種指數圖

圖5 2018年安慶市市轄區(qū)4種指數圖

從圖4和5知，植被中NDVI和MNDWI值較高，而NDBBI和BSI值較低；裸土和建筑用地中NDBBI和BSI值較高，NDVI和MNDWI值較低；長江、河流等水體中MNDWI值較高，水體中NDVI、BSI、NDBBI值較低。

3.2 熱島效應與各指數的關系

圖6（封三）給出了研究區(qū)地表溫度與4種指數（NDVI、BSI、NDBBI、MNDWI）的散點圖，研究地表溫度與4種指數的關系。

圖6 地表溫度與4種指數關系

Price和Carlson等通過熱紅外波段影像研究NDVI與地表溫度之間的關系，發(fā)現二者之間的散點圖均呈三角形，且將這種“三角形”稱為“NDVITs特征空間”[14-15]。由圖6可知，安慶市市轄區(qū)的地表溫度與NDVI之間的散點圖也是呈三角形，與文獻[14，15]研究結果一致，安慶市市轄區(qū)的地表溫度與MNDWI指數、NDVI指數均呈負相關性，而與BSI指數、NDBBI指數均呈正相關性。

圖7 2014年地表溫度與4種指數的線性函數關系

圖8 2018年地表溫度與4種指數的線性函數關系

為了更方便地找出NDVI、BSI、MNDWI、NDBBI等4種指數與安慶市市轄區(qū)地表溫度之間的定量關系，對指數圖進行隨機采樣和線性回歸分析，找出地表溫度與4種指數的關系，圖7和8分別為2014年和2018年4種指數與地表溫度的線性函數關系圖。

由圖7和8分析可知：（1）安慶市地表溫度與NDVI呈負相關。經分析，2014年和2018年研究區(qū)NDVI值每上升0.1，地表溫度分別減少0.81 K和0.92 K。植被越多，所在區(qū)域地表溫度越低，適當加大植被覆蓋可有效降低地表溫度，緩解城市熱島效應；（2）安慶市市轄區(qū)地表溫度與BSI，NDBBI均呈正相關。經分析，2014年和2018年研究區(qū)裸土指數值每上升0.1，地表溫度分別上升1.54 K和3.01 K。2014年和2018年研究區(qū)歸一化差值裸地與建筑用地指數每上升0.1，地表溫度分別上升7.01 K和4.32 K。不難發(fā)現裸露的地面，如裸土、城市建筑群、水泥道路等比熱容小的物體對熱島效應強度有促進作用，合理規(guī)劃城市發(fā)展，有效地利用土地，給建筑物覆蓋比熱容大的材料都有利于緩解城市熱島效應。（3）安慶市市轄區(qū)地表溫度與MNDWI呈負相關。通過定量分析，2014和2018年研究區(qū)改進的歸一化水體指數每上升0.1，地表溫度分別減少1.66 K和3.54 K。由此可見，增大水體的覆蓋面積，給城市地面灑水，均可以有效降低地表溫度，緩解城市熱島效應。

4 安慶市城市熱島效應成因分析及減緩措施

4.1 形成原因

(1)城市發(fā)展。隨著安慶市經濟的快速發(fā)展，城市建設也逐漸完善，基礎設施(如高鐵、橋梁、公路等)建設也正加快推進，工業(yè)、企業(yè)得到較好發(fā)展，城鎮(zhèn)化居民日益增多。因此，由于建筑用地增加不可避免造成河流、湖泊、農田、山地、綠色植被的減少，導致地表溫度上升，城市熱島效應增強。

(2)城市建筑物大量使用水泥、磚頭和瀝青等材料，在相同太陽輻射條件下，建筑物溫度高，易形成城市熱島效應。

4.2 減緩城市熱島效應的措施

通過實地調研、數據分析并結合安慶市市情，減少安慶市城市熱島效應的主要措施有：

(1)增加城市水體面積。因為水的比熱容大，相同條件下吸收熱量多，對熱島效應帶會起到一定的減緩作用。

(2)加強城市綠化建設。從圖2和3可以看出，植被多的地方，地表溫度明顯低于裸土區(qū)域。因此合理規(guī)劃城市布局，種植適量的綠色植被，利用植被的蒸騰作用吸收空氣中的熱量，可以有效地減弱熱島效應，并且植物的光合作用能夠吸收空氣中的CO2，減少溫室效應帶來的影響。

(3)統(tǒng)籌規(guī)劃城市建筑密度。合理規(guī)劃城市建筑物的布局，讓外面的風能夠“走”進來，里面的能夠“走”出去，營造一個良好的通風系統(tǒng)，借助于長江水汽能夠很好地給城市降溫。

(4)大力倡導低碳生活。隨著經濟的快速發(fā)展，汽車、空調和工廠等排放出更多溫室氣體，從而導致研究區(qū)氣溫不斷升高。因此，綠色、低碳的生活方式有利于降低溫室效應，緩解城市熱島效應。

5 結語

（1）2014—2018年，安慶市城市熱島效應不斷增強，熱島效應面積不斷增加。

（2）2014年5月1日安慶市地表溫度最低為290.60 K，最高為314.57 K；2018年4月10日安慶市地表溫度最低290.13 K，最高為311.85 K。城市中心地表溫度遠遠高于鄉(xiāng)村地表溫度，安慶市市轄區(qū)城市熱島效應比較顯著。

（3）安慶市市轄區(qū)城市熱島效應與NDVI，MNDWI呈負相關，而與BSI，NDBBI呈正相關。研究區(qū)郊區(qū)的植被覆蓋度較高，熱島效應弱；城區(qū)建筑物多，裸土面積大，熱島效應顯著。