城市尺度的熱環(huán)境變化分析

侯婷婷 臧淑英

（哈爾濱師范大學(xué)寒區(qū)地理環(huán)境監(jiān)測(cè)與空間信息服務(wù)黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱150000）

近年來(lái)，全球氣候變暖問(wèn)題已經(jīng)受到全球各個(gè)國(guó)家的高度關(guān)注，我國(guó)對(duì)于城市熱環(huán)境問(wèn)題也越來(lái)越重視，實(shí)際上早在前幾年，我國(guó)就已經(jīng)采取了一些措施對(duì)城市熱環(huán)境進(jìn)行觀察和記錄，然而當(dāng)時(shí)受到技術(shù)等方面的限制，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集不夠全面、不夠及時(shí)有效，而當(dāng)前時(shí)代遙感技術(shù)則為城市熱環(huán)境研究提供了有力的支持，實(shí)現(xiàn)了地表溫度遙感反演，并且能夠有效對(duì)城市典型下墊面進(jìn)行分類信息提取，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。

1 研究概況

本文以快速城市化的典型地區(qū)為例，綜合利用Landsat/TM數(shù)據(jù)、氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)等，建立地表溫度遙感反演模型，分析研究區(qū)地表溫度的分布規(guī)律，重點(diǎn)分析溫室效應(yīng)增強(qiáng)背景下典型下墊面溫度的相對(duì)變化趨勢(shì)。研究使用的Landsat/TM資料來(lái)自中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站。氣溫、相對(duì)濕度等氣象觀測(cè)資料，來(lái)自于該市氣象觀測(cè)站。

2 地表溫度遙感反演

地表溫度遙感反演料包括可見(jiàn)光、近紅外、熱紅外等7 個(gè)通道數(shù)據(jù)，其中熱紅外波段為第6 波段(簡(jiǎn)稱B6)，空間分辨率為120 m，其余波段空間分辨率為30 m。由于原始資料分辨率不盡相同，因此首先要對(duì)B6 進(jìn)行重采樣，可采用最鄰近插值法對(duì)重采樣為30 m 分辨率。本文的研究區(qū)域?yàn)檫|寧省沈陽(yáng)市，因此，需使用沈陽(yáng)市的行政邊界矢量圖層提取影像子集，后續(xù)工作僅對(duì)該子集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析。利用陸地衛(wèi)星技術(shù)反演地表溫度主要有輻射傳輸方程法(也稱大氣校正法)、覃志豪單窗算法、以及單窗算法等，在綜合比較反演參數(shù)獲取的難易程度、反演結(jié)果的精確程度之后，借助實(shí)測(cè)大氣溫度、大氣水汽資料計(jì)算大氣平均作用溫度和大氣透射率，借助植被指數(shù)或地表分類計(jì)算地表比輻射率，從而得到相對(duì)準(zhǔn)確的地表溫度。

3 典型下墊面分類信息提取

3.1 典型下墊面的界定

目前我國(guó)針對(duì)城市土地管理之類的研究是比較多的，但是大多數(shù)研究更加注重的是現(xiàn)有土地資源的劃分情況以及對(duì)土地資源的圖件繪制，而對(duì)城市土生態(tài)系統(tǒng)與土地的關(guān)系并沒(méi)有進(jìn)行深入研究，實(shí)際上城市土地資源開發(fā)規(guī)模的擴(kuò)大，與城市熱環(huán)境狀況有著直接的聯(lián)系。當(dāng)前社會(huì)城鎮(zhèn)發(fā)展步伐越來(lái)越快，自然生態(tài)土地資源越來(lái)越少，水體環(huán)境以及植被環(huán)境大多都是經(jīng)過(guò)人工改造的，城市當(dāng)中更多的組成成分是鋼筋、水泥等。以道路路面為例，也大多都是不透水材料，所以城市下墊面的最基本組成元素已經(jīng)發(fā)生了本質(zhì)性變化。有學(xué)者認(rèn)為，城市下墊面除了天然的水面、土壤和植被之外，其與已經(jīng)均被人工打造的不透水面所覆蓋。本文針對(duì)這種現(xiàn)象組建了新的城市下墊面模型，對(duì)以往的下墊面分類方法進(jìn)行了優(yōu)化處理，使其更加符合當(dāng)代城市發(fā)展情形。至于元素選取對(duì)象，就以城市下墊面主要組成元素為主，分別是土壤、植被、水面以及不透水面，研究時(shí)間節(jié)點(diǎn)以白天為主。其中白天水體的比熱容比較大，升溫相對(duì)緩慢，所以水面溫度較其他元素會(huì)略低一些，而植被由于會(huì)發(fā)生葉面蒸騰作用，所以其表面的溫度變化也不會(huì)特別明顯，相比較而言，不透水面的比熱容則要小的多，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)升到與城市環(huán)境較為統(tǒng)一的溫度，所以白天不透水面應(yīng)當(dāng)是城市熱環(huán)境的重心，特別是建筑物密集的區(qū)域。本次針對(duì)研究對(duì)象城市所展開的熱環(huán)境變化分析，主要是研究城市下墊面溫度變化趨勢(shì)，所以最終選擇了水體- 高植被區(qū)- 建筑密集區(qū)作為分析對(duì)象。

3.2 分類信息獲取

分析本次研究對(duì)象的Landsat/TM影像圖得出，該城市氣候?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)氣候，水體主要集中在城市西北部區(qū)域，形成了較為密集的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)，全年降水量大概在700mm 左右，建筑物則主要集中在城中部位。另外還發(fā)現(xiàn)，該城市下墊面類型和植被覆蓋指數(shù)有很大的關(guān)聯(lián)性，除高植被分布區(qū)域之外，建筑密集區(qū)的植被覆蓋指數(shù)比較高，其次是水體密集區(qū)域。所以可以直接根據(jù)植被覆蓋指數(shù)對(duì)城市的高植被區(qū)、建筑密集區(qū)以及水體區(qū)的分布情況進(jìn)行判斷。本次研究通過(guò)植被覆蓋的閾值對(duì)城市的地物輻射率進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明精準(zhǔn)度十分可靠。結(jié)合過(guò)往經(jīng)驗(yàn)以及本次研究的植被分布規(guī)律，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類提取并建立了分類圖形之后發(fā)現(xiàn)，高植被區(qū)域基本上是在林地區(qū)，建筑密集區(qū)域基本上都是城鎮(zhèn)用地區(qū)域，而水體區(qū)也確實(shí)剛好處于城市水域豐富的位置，可見(jiàn)分類信息提取結(jié)果精準(zhǔn)度比較高，但是其中水體信息提取的效果較其他兩方面誤差略大一些，因?yàn)橛幸恍﹥?nèi)陸湖泊信息并未得到有效顯示，但是上述提取效果已經(jīng)能夠充分滿足本次研究的基本需求。

4 城市尺度的熱環(huán)境變化結(jié)果分析

4.1 地表溫度分布

依照上述方法對(duì)本次研究城市的過(guò)往年份表溫度進(jìn)行了反演，根據(jù)反演結(jié)果得出，城市地表溫度的變化與建筑密集度、植被分布以及水體面積等都是有很大關(guān)聯(lián)的，其中建筑密集區(qū)的地表溫度要比高植被區(qū)和水體集中區(qū)域的地表溫度高出許多，至于植被分布區(qū)和水體分布區(qū)的地表溫度分布規(guī)律，基本上是保持一致的。從整體上來(lái)看，該城市熱環(huán)境強(qiáng)度較高的區(qū)域集中在城市中心，也就是由建筑、柏油路面、水泥地以及混凝土等組成的空間。該部分空間熱容量比較小，與水體、植被等區(qū)域空間環(huán)境相比，吸收的熱量更容易被存儲(chǔ)，升溫也就更快。但是由于針對(duì)不同時(shí)節(jié)的城市輻射總量以及初始底紋等都會(huì)存在很大差異，相應(yīng)的遙感成像效果也會(huì)存在一定的誤差，無(wú)法以相同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行密度分割，所以本次反演結(jié)果只作為基本推論依據(jù)，并沒(méi)有直接將不同條件下的反演數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比直接作為最終結(jié)論。

4.2 典型下墊面溫度相對(duì)變化分析

利用閾值方法能夠依據(jù)植被覆蓋指數(shù)很好地提取到建筑密集區(qū)域、水體集中區(qū)域以及高植被區(qū)域的各類信息，本次研究將閾值方法下獲得的提取結(jié)果和Ts 柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加后分析得出了不同類型的下墊面溫度變化數(shù)值，經(jīng)過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，該城市地表溫度分布情況與上述研究結(jié)果一致，同樣是建筑密集區(qū)的地表溫度最高，其次是高植被區(qū)域，溫度最低的是水體區(qū)域。另外經(jīng)過(guò)閾值計(jì)算還發(fā)現(xiàn)，該城市各個(gè)區(qū)域的溫度都呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，而且最高地表溫度的建筑密集區(qū)和最低溫度的水體區(qū)域溫差也在不斷增加，高植被區(qū)的溫度變化也越來(lái)越明顯，有反超水體區(qū)域的跡象，這說(shuō)明該城市受到城鎮(zhèn)化發(fā)展的影響，熱環(huán)境問(wèn)題有所加劇，相關(guān)部門需要引起重視。

5 結(jié)論

本次對(duì)典型地區(qū)城市地表溫度進(jìn)行了反演，并利用先進(jìn)的衛(wèi)星遙感影像技術(shù)對(duì)其地表溫度分布規(guī)律進(jìn)行了研究分析，本次研究方法從城市下墊面最基本的組成元素入手進(jìn)行了考察，根據(jù)下墊面類型和植被覆蓋指數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，采用閾值法對(duì)建筑密集區(qū)、高植被區(qū)和水體區(qū)域的分布信息進(jìn)行了提取，將提取的數(shù)據(jù)與地表溫度疊加后進(jìn)行了分析，總結(jié)出了該城市下墊面溫度的變化趨勢(shì)，且經(jīng)過(guò)與其他各種研究方法比對(duì)后發(fā)現(xiàn)，本次研究結(jié)果準(zhǔn)確度可靠，數(shù)據(jù)參考價(jià)值比較高，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。具體而言，本次研究結(jié)果證明，城市熱環(huán)境與建筑、植被以及水體環(huán)境之間是有著密不可分的關(guān)系的，且建筑密集區(qū)的地表溫度總體上要比水體區(qū)域和植被區(qū)域高一些，而各個(gè)區(qū)域的溫度分布規(guī)律又基本保持一致。人口的增長(zhǎng)、建筑物數(shù)量的增加以及建筑規(guī)模的擴(kuò)大，水體的減少以及植被的減少等，是造成城市熱環(huán)境效應(yīng)的最主要原因。由于該城市具有典型代表性，所以經(jīng)過(guò)本次研究，可以將結(jié)果推及到其他城市，為了能夠使城市地表溫度趨于穩(wěn)定，各城市管理部門應(yīng)當(dāng)積極采取有效措施加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，合理規(guī)劃城市建筑布局，并做好城市綠化分布工作以及水環(huán)境保護(hù)工作，這樣才能從全方位、多角度改善城市熱環(huán)境帶來(lái)的負(fù)面影響，促進(jìn)城市健康發(fā)展，為民眾營(yíng)造良好的居住氛圍，提高人民的生活品質(zhì)，進(jìn)而促進(jìn)我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的穩(wěn)定發(fā)展。