東營(yíng)市建成區(qū)城市熱島現(xiàn)象的時(shí)空特征分析

柴瀟琳 孫炳孌 王興洲 常在功 王玉軍 李 巍

(1.東營(yíng)市園林綠化中心，山東 東營(yíng) 257100; 2.東營(yíng)市自來(lái)水公司，山東 東營(yíng) 257100； 3.黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

1 研究背景

城市熱島效應(yīng)是指城市地區(qū)整體或局部溫度高于周圍地區(qū)，溫度較高的城市地區(qū)被溫度較低的郊區(qū)所包圍或部分包圍的現(xiàn)象[1]。城市熱島效應(yīng)對(duì)城市發(fā)展危害極大，通過(guò)能源的過(guò)量消耗與廢氣排放，加劇了城市的熱島效應(yīng)形成惡性循環(huán),影響居民身體健康和城市可持續(xù)發(fā)展?，F(xiàn)在，城市熱島研究在信息技術(shù)高度發(fā)展的推動(dòng)下，能夠獲取覆蓋廣泛的連續(xù)溫度數(shù)據(jù)，這一發(fā)展打破了傳統(tǒng)束縛，且較傳統(tǒng)的空間插值方法更為精確。

城市的規(guī)模和數(shù)量的迅速增加導(dǎo)致我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加速，這種變化使城市的綠地和植被覆蓋迅猛下降，而迅速增加的則是城市化帶來(lái)的人工熱量，即為熱島效應(yīng)，這種變化變天然的自然環(huán)境為人工環(huán)境[2]。

東營(yíng)市位于山東省北部，是我國(guó)黃河三角洲的重要區(qū)域。東、北臨渤海，西與濱州市毗鄰，南與淄博市、濰坊市接壤。南北最大縱距123 km，東西最大橫距74 km，土地總面積8 243 km2[3]。

東營(yíng)市的土壤主要涵蓋了四種類型：褐色土、鹽土、砂姜黑土以及潮土。其中潮土占1/2。該研究區(qū)由于其土壤類型不適合大部分綠化植物的栽培，使土地鹽堿化日趨嚴(yán)重，因而得名“無(wú)樹(shù)之城”。當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門(mén)為了打破這種鹽堿化局面，一直致力于耐鹽樹(shù)種的研究，并已培養(yǎng)出了百余種樹(shù)種適合在鹽堿土地上種植[4]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文以東營(yíng)市建成區(qū)作為研究靶區(qū)，以Landsat4.0衛(wèi)星數(shù)據(jù)及world view數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，選取了四期(1989年、2004年、2013年、2016年)遙感影像。首先，結(jié)合城市綠地分類情況，進(jìn)行了數(shù)據(jù)的預(yù)處理和各類綠地信息提取。由于東營(yíng)市主城區(qū)范圍相對(duì)較小，大氣的輻射影響比較均一，影響可忽略。因此，本研究未曾進(jìn)行大氣校正。根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)常規(guī)描述具體內(nèi)容，見(jiàn)表1。

表1 東營(yíng)市建成區(qū)城市熱島所用衛(wèi)星數(shù)據(jù)

2.2 相關(guān)指標(biāo)提取和計(jì)算方法

當(dāng)前的研究一般采用UHI指標(biāo)分析城市的植被對(duì)熱島效應(yīng)的影響及其相互關(guān)系。而UHI通過(guò)影像的灰度值(DN)進(jìn)行衡量，植被通過(guò)植被歸一化指數(shù)(NDVI)進(jìn)行衡量。具體的計(jì)算方法有以下幾種。

2.2.1DN值提取及熱島強(qiáng)度分級(jí)

城市熱島利用影像的灰度值(DN值)進(jìn)行衡量，具體研究方法為：

1)以現(xiàn)有矢量數(shù)據(jù)為參考對(duì)landsat影像進(jìn)行幾何校正。幾何校正的過(guò)程中對(duì)控制點(diǎn)的選取至關(guān)重要，要把握幾個(gè)原則：第一，在影像上容易識(shí)別的位置進(jìn)行選點(diǎn)，如道路、河流的拐點(diǎn)、交叉口等；第二，控制點(diǎn)數(shù)量要滿足使用需求，一般控制點(diǎn)的數(shù)量為N=1/2(n+1)(n+2)，n為多項(xiàng)式的次數(shù)；第三，控制點(diǎn)在影像內(nèi)要均勻分布，使影像各部分均能被校正。

2)將Landsat的熱紅外波段進(jìn)行假彩色密度分割，按照地面輻射實(shí)際狀況進(jìn)行準(zhǔn)確分級(jí)。

3)研究中將各期數(shù)據(jù)進(jìn)行大尺度對(duì)比，將東營(yíng)市建成區(qū)的地面熱輻射分為五個(gè)等級(jí)[5,6]，便于更加清晰明確地展示東營(yíng)市地表熱輻射狀況的特征，如表2所示。

表2 城市地面輻射分級(jí)

2.2.2NDVI提取與計(jì)算

通常來(lái)說(shuō)，NDVI反映的是地表植被的覆蓋密度、植被種類、土壤濕度等特征情況。一般用來(lái)代表城市下墊面的植被覆蓋狀況。

NDVI與地表特征參數(shù)的變化，如：表面阻抗、地表粗糙度、反照率、發(fā)射率以及熱慣量相關(guān)。對(duì)于Landsat衛(wèi)星來(lái)說(shuō)：

(1)

其中，Band3為波長(zhǎng)范圍0.63 μm和0.69 μm之間的紅波段；Band4為波長(zhǎng)范圍0.76 μm和0.90 μm之間的近紅外波段。

3 結(jié)果分析

3.1 東營(yíng)市建成區(qū)歷年UHI擴(kuò)展趨勢(shì)分析

本研究采用陸地資源衛(wèi)星的熱紅外波段對(duì)研究區(qū)建成區(qū)的UHI進(jìn)行DN值的計(jì)算。熱島效應(yīng)就是城市郊區(qū)溫度低，城市內(nèi)部溫度高，在圖上造成島嶼狀分布而得名，由圖1可知，東營(yíng)市的建成區(qū)的擴(kuò)張與熱島擴(kuò)張的情況一致。由于城市化進(jìn)程的加速發(fā)展，農(nóng)村逐漸縮小甚至消失，取而代之的是城市建成區(qū)的擴(kuò)張，是鋼筋水泥等人工地物的增加，這種變化加劇了熱輻射和熱傳遞，所以東營(yíng)市建成區(qū)內(nèi)城市熱島是反映城市化最直接的形式。對(duì)東營(yíng)市建成區(qū)歷年演化情況分析，可以發(fā)現(xiàn)與1989年比較，2004年熱島的范圍向外擴(kuò)展了很多，主要是東部方向，并且城鄉(xiāng)對(duì)比更加明顯，熱島效應(yīng)更為顯著。

3.2 建成區(qū)內(nèi)熱島效應(yīng)演變及空間格局分析

在東營(yíng)市建成區(qū)范圍內(nèi)，1989年—2016年的28年中，熱島面積逐年增加，1989年熱島面積最小，為5.15 km2，占建成區(qū)總面積的1.15%；此后熱島效應(yīng)明顯增強(qiáng)，2004年熱島面積為29.39 km2，比1989年增加了5.41%；2013年熱島面積為34.04 km2，比2004年增加了1.05%；2016年熱島效應(yīng)面積為27.42 km2熱島面積保持穩(wěn)定，并有減少的趨勢(shì)(見(jiàn)表3)。

表3 東營(yíng)市建成區(qū)內(nèi)熱島效應(yīng)的多年演變

將東營(yíng)市建成區(qū)熱島1989年—2016年演變與東營(yíng)市城市化發(fā)展進(jìn)行對(duì)照分析，可見(jiàn)：隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，建成區(qū)向郊區(qū)蔓延。東營(yíng)市建成區(qū)的熱島效應(yīng)在1989年—2016年年間迅速上升。2004年后，城市化進(jìn)入新的階段，東城區(qū)建設(shè)發(fā)展迅速，建設(shè)用地繼續(xù)擴(kuò)大，到2013年左右城市建設(shè)用地已達(dá)到20世紀(jì)90年代建設(shè)用地的1.6倍，熱島效應(yīng)呈現(xiàn)出高速增長(zhǎng)趨勢(shì)(見(jiàn)圖1)。

從1989年的建成區(qū)地面DN值空間分布格局來(lái)看，熱島效應(yīng)主要集中在西城區(qū)，東城區(qū)和技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)基本沒(méi)有分布；到2004年時(shí)，熱島已從西城區(qū)擴(kuò)散到東城區(qū)；到2016年時(shí)，熱島進(jìn)一步擴(kuò)散到技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)。這和城市化建設(shè)進(jìn)程一致，是城市化進(jìn)程的重要體現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)東營(yíng)市1989年、2004年、2013年、2016年四期遙感數(shù)據(jù)解譯和分析，可以發(fā)現(xiàn)，東營(yíng)市建成區(qū)內(nèi)，城市熱島面積出現(xiàn)了先升后降的趨勢(shì)。在區(qū)域分布上主要是東部方向，并且城鄉(xiāng)對(duì)比更加明顯，熱島效應(yīng)更為顯著，與城市化進(jìn)程的發(fā)展一致。東營(yíng)市注重城市綠地的建設(shè)，并取得突出成效，于2011年獲批申報(bào)國(guó)家園林城市[7]。城市綠地建設(shè)和發(fā)展使得城市熱島得到了有效緩解。未來(lái)城市發(fā)展建設(shè)中，需要根據(jù)目前城市熱島分布圖，有針對(duì)的提高西城區(qū)城市更新和綠地建設(shè)，以期緩解城市熱導(dǎo)效應(yīng)。在經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)及東城區(qū)需要提高綠地的整體聯(lián)系和功能性，控制新的城市建設(shè)可能引起的城市熱島效應(yīng)。同時(shí)，在綠量的基礎(chǔ)上，增加植物多樣性，提高生態(tài)服務(wù)能力。