基于遙感影像的地表熱環(huán)境時空變異研究
——以西安市核心區(qū)為例

楊軍軍，趙 溪

(咸陽師范學(xué)院資源環(huán)境與歷史文化學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

在高速城市化及全球變暖的背景下，城市的熱島效應(yīng)越發(fā)嚴重，城市區(qū)域地表環(huán)境不斷由植被向建筑物、公路等不透水面轉(zhuǎn)化，地表物理特征的變化使得地表溫度不斷升高,熱島效應(yīng)已經(jīng)對人的居住環(huán)境及身體健康產(chǎn)生了重大影響[1]。作為反映地表熱環(huán)境的重要指數(shù)，地表溫度(Land Surface Temperature, LST)[2]不但在生態(tài)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域有著普遍應(yīng)用，同時亦是監(jiān)測環(huán)境、判斷生態(tài)系統(tǒng)是否穩(wěn)定的重要指標[3]。地表溫度指陸地表面與大氣層相互作用形成的臨界層溫度[4]，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用到城市熱環(huán)境的研究中。但受地表環(huán)境和實際需求的限制,地面氣象站的分布并不均勻,站點觀測的地表溫度主要用以代表所在地區(qū)的地表熱環(huán)境情況，無法準確反映大范圍內(nèi)地表溫度的空間格局及細部情況[5]。熱紅外遙感作為一項新技術(shù)，具有覆蓋范圍更廣、時效性更高、成本更低等優(yōu)點，能夠更為客觀的表達地表熱環(huán)境。近年來，利用不同時間、不同空間分辨率的熱紅外數(shù)據(jù)反演地表溫度取得了很好效果[4-6]，根據(jù)地表溫度的空間變化和時間動態(tài)分析，能夠為城市熱島效應(yīng)的監(jiān)測和分析提供新的視角。

目前基于Landsat TM/ETM+熱紅外數(shù)據(jù)反演地表溫度的常用方法有三種：單窗算法[6,7]、單通道算法[8]以及輻射傳輸方程法[9]。其中，輻射傳輸方法是根據(jù)普朗克方程來反演地表溫度，在獲取或模擬出較準確的參數(shù)時，結(jié)果簡單明了，精度高，具有良好的應(yīng)用價值。本文以LandsatTM/TIRS遙感影像為數(shù)據(jù)，通過輻射傳輸方程法反演西安市核心區(qū)地表溫度，進而研究地表溫度的時空變異，以期為西安市生態(tài)環(huán)境規(guī)劃和建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐和理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)域概況

西安市位于渭河流域中部關(guān)中盆地，東經(jīng)107.40°～109.49°、北緯33.42°～34.45°，下轄11區(qū)3縣，東西長約204 km，南北寬約116 km，面積9 983 km2。2014年國務(wù)院正式批復(fù)陜西設(shè)立西咸新區(qū)(包括空港新城、涇河新城、秦漢新城、灃西新城以及灃東新城)(圖1)。為準確反映西安市核心區(qū)地表熱環(huán)境時空變化狀況，本研究選取城市化程度較高的區(qū)域(圖1)為對象進行研究。

1.2 數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文選用地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http：//www.gscloud.cn)，下載研究區(qū)2007年3月21日、2013年6月25日、2017年4月1日三期遙感數(shù)據(jù)，因為同年夏季月份數(shù)據(jù)質(zhì)量存在問題，2007年和2017年所選影像分別在3月和4月，影像云量少，幾何畸變小，清晰度高。選用Landsat5的TM6波段以及Landsat8的TIRS11波段作為地表溫度反演的熱紅外波段。輔助數(shù)據(jù)包括，西安主城區(qū)、西安市核心區(qū)行政矢量邊界等相關(guān)資料。利用ENVI軟件完成遙感影像的輻射定標、大氣校正以及影像裁剪等預(yù)處理過程。

圖1 西安市核心區(qū)行政區(qū)劃

2 研究方法

輻射傳輸方程法的基本原理是：利用衛(wèi)星經(jīng)過研究區(qū)上空時的大氣信息對地表熱輻射狀況進行估算，從衛(wèi)星傳感器觀測到的熱輻射總量中減去該估算值，得到地表熱輻射強度，再將該熱輻射強度轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的地表溫度數(shù)據(jù)。因此該方法又被稱作大氣校正法，計算過程如下。

2.1 歸一化植被指數(shù)NDVI值估算

(1)

公式中的ρR是遙感衛(wèi)星影像的可見光波段的反射率，ρN是遙感衛(wèi)星影像的近紅外波段所代表的反射率。在Landsat5衛(wèi)星和Landsat8衛(wèi)星中，其分別對應(yīng)ρ5、ρ4和ρ4、ρ3波段。

2.2 植被覆蓋度估算

(2)

其中，NDVI是歸一化植被指數(shù)，參考已有文獻NDVIVe= 0.70和NDVISo=0.05，即當某個像元值大于0.70時，PV的取值為1；當某個像元值小于0.05時，PV的取值則為0。

2.3 地表比輻射率估算

通過分析可見光波段和近紅外波段的光譜信息對比輻射率進行估計。將遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的陸地表面物體類型劃分為3種，水體、建設(shè)用地和自然表面，并采取特定的方法對研究區(qū)范圍的地表比輻射率[10]進行計算：首先把水體像元的比輻射率值賦為0.995， 再分別根據(jù)下面的公式(3)、(4)對自然表面的比輻射率和建設(shè)用地像元的比輻射率進行估算：

εS=0.962 5+0.061 4PV-0.046 1PV2

(3)

εB=0.958 9+0.086PV-0.067 1PV2

(4)

公式中，εS代表了自然表面像元的比輻射率，εB代表了建設(shè)用地像元的比輻射率，最后利用大氣校正法對研究區(qū)域地表比輻射率進行計算。

2.4 對同一溫度下黑體的輻射亮度值估算

衛(wèi)星傳感器所接收到的熱紅外輻射亮度Lλ的表達式為(輻射傳輸方程):

Lλ=ελτλB(λ,TS)+(1-ελ) τλL↓+L↑

(5)

公式中，B(TS)為根據(jù)普朗克定律推導(dǎo)所得到的黑體的熱輻射亮度，TS為陸地表面真實溫度(K)，ε為地表比輻射率，τ為大氣在熱紅外波段的透過率。由上述公式可推得溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度B(TS)為：

B(TS)=[Lλ-L↓-τ·(1-ε)·L↑]/(τ·ε)

(6) 衛(wèi)星高度傳感器上所接收到的熱紅外輻射亮度值由大氣向上方向所得到的輻射亮度,大氣向下方向的輻射到達地面后所反射的能量和地面物體的真實輻射亮度經(jīng)過大氣層之后到達衛(wèi)星傳感器所帶回的能量三部分組成。

2.5 地表真實溫度Ts估算

在獲取溫度為Ts的黑體在熱紅外波段的輻射亮度后，根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)，求得地表真實溫度Ts。

(7)

對于Landsat5TM，K1=607.76 W·m-2·sr-1·μm-1，K2=1 260.56K。對于Landsat8 TIRS，K1=774.885 3 W·m-2·sr-1·μm-1，K2=1 321.08K。

3 結(jié)果與分析

3.1 西安市地表溫度反演結(jié)果

基于ENVI 5. 3軟件平臺分別對2007年、2013年、2017年的遙感衛(wèi)星影像根據(jù)上述計算過程進行處理，得到圖2所示的地表溫度反演結(jié)果。

圖2 西安市不同年份地表溫度反演結(jié)果圖

由圖2可得，地表溫度較高區(qū)域的面積隨時間推移呈明顯擴大趨勢，尤其是渭河以北和灃河以西區(qū)域正在變熱，西安市核心區(qū)域也越來越熱。同時，其空間分布由城市內(nèi)部區(qū)域逐漸擴大郊區(qū)縣城與農(nóng)村地區(qū)，空間格局不斷由斑點以片狀向外擴散，即高溫區(qū)域正由中心向外圍不斷擴大。

3.2 地表溫度反演結(jié)果驗證及空間格局分析

3.2.1 反演結(jié)果驗證 由西安市不同年份地表溫度反演結(jié)果與當天地面溫度觀測數(shù)據(jù)對比結(jié)果(表1)可知，反演結(jié)果與地面觀測溫度間的最小誤差為0.21 ℃，最大誤差為1.6 ℃，平均誤差為0.91 ℃，誤差率為3.5%，反演結(jié)果精度較高，故反演結(jié)果可以用來代表研究區(qū)當日地表溫度的實際狀況。

表1 地表溫度反演結(jié)果驗證表

3.2.2 地表溫度空間格局特征分析 為了更加準確的通過量化的方式對反演結(jié)果進行分析，本文將研究區(qū)的地表溫度反演結(jié)果劃分為五級(表2)，得到西安市核心區(qū)2007年、2013年、2017年地表溫度再分類的結(jié)果如圖3所示

表2 熱環(huán)境劃分標準

注：T為地表溫度，u為平均溫度，std為研究區(qū)平均度表溫度的標準差。

從地表溫度再分類結(jié)果圖(圖3)可以看出，西安市核心區(qū)的地表溫度總體分布呈現(xiàn)由片狀中心向四周呈斑塊狀擴張的趨勢，且由市中心向外，地表溫度逐漸降低；城市周邊地區(qū)大多為中間區(qū)，強熱島區(qū)和熱島區(qū)多分布于人口密度和建筑密度較高的城市建成區(qū),強冷島區(qū)和冷島區(qū)較多分布在渭河及其周邊地區(qū)；城區(qū)與郊區(qū)地表溫度相較于農(nóng)村地表溫度高，城區(qū)熱島效應(yīng)顯著。

圖3 西安市不同年份地表溫度再分類結(jié)果

2007年的強熱島區(qū)主要呈斑狀分布，與城市擴展區(qū)域相一致，灃東新城南部、雁塔區(qū)東北部、灞橋區(qū)中部和南部也出現(xiàn)了斑點狀的強熱島區(qū)和熱島區(qū)。熱島區(qū)主要分布在強熱島區(qū)的外圍，分布范圍相比其他區(qū)域更小；2017年西安市的強熱島區(qū)與熱島區(qū)范圍在增加,逐漸成片狀分布，但強度并不明顯，這可能主要與所選月份的實際地表溫度有關(guān)，但從圖可以看出，強熱島和熱島區(qū)域的空間分布更為廣泛，這可能是由于城市的快速發(fā)展和擴展，該區(qū)域的商用、民用建筑密度不斷增大，城市化進程較快，商業(yè)開發(fā)程度較高，住宅區(qū)以及工業(yè)區(qū)增多，人口密度增大，植被覆蓋率減少，導(dǎo)致城市溫度整體上升。

中間區(qū)多分布在灃東新城大部分區(qū)域、秦漢新城西部、灞橋區(qū)北部和灃西新城北部等城市周邊區(qū)域,該空間格局與區(qū)域功能規(guī)劃與建設(shè)直接相關(guān)，后發(fā)建設(shè)的城市更加注重生態(tài)環(huán)境的規(guī)劃和建設(shè)，“高樓未起，生態(tài)先行”的政策讓該區(qū)域的地表溫度并未過多的因為城市建設(shè)而急劇升高。

2017年強冷島區(qū)的面積相比于2007年明顯減少,其空間格局由2007年的片狀逐漸被2017年呈點狀分布的冷島區(qū)和中間區(qū)所取代。這是因為原冷島區(qū)主要分布在郊區(qū)和農(nóng)村，隨著城市化的發(fā)展和推進，原地表逐漸被水泥路面和建設(shè)用地所取代，因而冷島區(qū)不斷減弱。

在時間尺度上(表3)，地表溫度在2007年以后存在不斷升高的趨勢，但由于影像獲取時間的季節(jié)差異，2013年和2017年的地表溫度增加幅度略有不同，在此不做更詳細的分析和探討。

表3 地表溫度反演結(jié)果

4 結(jié)論

本文以輻射傳輸方程法,計算地表比輻射率和同一溫度下黑體的輻射亮度值，從而對陸地表面溫度進行反演,使用均值-標準差分類法對分類結(jié)果進行強度分級,對西安市地表熱環(huán)境過去近10年的演變規(guī)律作進一步的研究和分析，得到以下結(jié)論：

(1)隨時間的推進，西安市核心區(qū)城市規(guī)模不斷擴大，地表溫度也同樣表現(xiàn)出持續(xù)升高的趨勢，熱島效應(yīng)不斷嚴重。

(2)從熱島格局的空間分布來看,西安市核心區(qū)的地表熱環(huán)境分布范圍不斷由城市中心區(qū)域向郊區(qū)縣城和農(nóng)村擴展，強熱島區(qū)與熱島區(qū)面積明顯增加,其空間擴展與地區(qū)城市化進程基本一致。