基于Landsat TM的太原市近20年熱環(huán)境時(shí)空演變特征研究

王英杰,郭晉平

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西 太谷 030801)

最近幾十年的全球升溫和城鎮(zhèn)化，熱環(huán)境空間變化對(duì)城市生態(tài)問題有著深遠(yuǎn)的影響[1-2]，城市熱環(huán)境不斷惡化，尤其是城市高溫現(xiàn)象的頻繁發(fā)生，直接影響到城市的舒適度和宜居性，成為建立生態(tài)宜居城市需解決的問題。隨著城市氣溫的升高，城市居民的高溫疾病和流行性疾病的發(fā)病率均有所加劇，在熱帶和亞熱帶地區(qū)表現(xiàn)更為明顯[3-5]。劉艷紅，郭晉平以太原市為例，分析1986—2001 年間太原市綠地景觀格局與熱環(huán)境的重要關(guān)系。[6]劉艷紅，王均國，郭晉平，以太原市為例，分析了城市化過程中城市熱島空間變化特征[7]。城市熱島效應(yīng)是指市區(qū)溫度明顯高于外圍郊區(qū)溫度的現(xiàn)象，可以反映城市熱環(huán)境。在早期，很多學(xué)者通過氣象臺(tái)觀測站的氣溫?cái)?shù)據(jù)研究城市熱環(huán)境，但是氣溫?cái)?shù)據(jù)不準(zhǔn)確，不能反應(yīng)整個(gè)城市的熱環(huán)境空間分布情況；而通過遙感技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)，再用地表溫度反演法得到的地表溫度具有一定的準(zhǔn)確性和空間連續(xù)性。Landsat數(shù)據(jù)空間分別率較高，時(shí)間連續(xù)性較好，因此是現(xiàn)階段研究城市熱環(huán)境較好的遙感數(shù)據(jù)[8]。太原市近20年城市發(fā)展迅速，城市下墊面發(fā)生變化，城中村改造數(shù)量增加，許多農(nóng)田綠地被新建的住宅、商業(yè)街和道路取替，城市市區(qū)面積不斷擴(kuò)大，城市的景觀生態(tài)功能逐漸削弱，導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)進(jìn)一步加劇。本文收集了1999年、2003年、2006年、2010年，2014年和2018年6年的城市夏季Landsat衛(wèi)星遙感影像，對(duì)近20年長時(shí)序的城市熱島效應(yīng)進(jìn)行研究，進(jìn)而分析太原市城市熱環(huán)境的時(shí)空變化情況。

1 研究區(qū)概括

太原市是山西省省會(huì)，國家級(jí)園林城市、中國優(yōu)秀旅游城市、國家歷史文化名城，是一座具有4700多年歷史，2500年建城史的古都。太原市城區(qū)位于山西省中部，東、西、北三面環(huán)山，中、南部為河谷平原。全市整個(gè)地形北高南低呈簸箕形[9]，屬北溫帶大陸性氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。本文以太原市建成區(qū)為研究對(duì)象，太原市建成區(qū)南北長、東西窄，包括萬柏林區(qū)、尖草坪區(qū)、杏花嶺區(qū)、迎澤區(qū)、小店區(qū)、晉源區(qū)的部分區(qū)域。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究數(shù)據(jù)太原市近20年(1999—2018年)熱島時(shí)空演變特征，來源于Landsat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，涉及到Landsat-5和Landsat-8數(shù)據(jù)。主要包括太原地區(qū)Landsat-5掃描成像的TM影像和Landsat-8掃描成像的OLI陸地影像以及TIRS熱紅外影像。TM影像7個(gè)波段和OLI、TIRS影像11個(gè)波段的特性以及不同波段反映景觀要素特征見表1。數(shù)據(jù)釆集時(shí)間為6—8月，間隔期4年，由于1998年和2002年夏季數(shù)據(jù)云量過大，影響計(jì)算結(jié)果，改用1999年和2003年替代，同時(shí)參考太原市建成區(qū)矢量地圖和太原市規(guī)劃行政圖等。

表1 Landsat遙感數(shù)據(jù)

3 地表溫度數(shù)據(jù)反演

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

整理下載Landsat-5和Landsat-8數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過ENVI5.1和GIS10.2軟件，分別對(duì)太原市1998年、2002年、2006年、2010年、2014年和2018年Landsat-5和Landsat-8影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)，將輻射定標(biāo)以后的數(shù)據(jù)通過FLAASH模塊進(jìn)行大氣校正，得到矯正后的數(shù)據(jù)[10]。最后通過GIS10.2軟件將得到的數(shù)據(jù)結(jié)合太原市建成區(qū)矢量圖進(jìn)行裁剪，得到太原市建成區(qū)影像圖。

3.2 地表溫度計(jì)算

將處理過的數(shù)據(jù)通過ENVI軟件計(jì)算得到植被覆蓋度、地表比輻射率，由地表比輻射率計(jì)算黑體輻射亮度，由黑體輻射亮度和植被覆蓋度計(jì)算地表溫度[11]。

3.2.1植被覆蓋度和地表比輻射率計(jì)算

可以大致將城市地表分為水體、自然表面和建筑表面3種，根據(jù)之前學(xué)者提出的混合像元分解法，計(jì)算地表比輻射率，計(jì)算公式為[12]：

ε=PVRVεV+(1-PV)Rmεm+dε

式中：ε為混合像元的地表比輻射率；PV為植被覆蓋率；RV為植被的溫度比率；Rm為建筑表面的溫度比率；εV表示植被法地表比輻射率，εm表示建筑表面的地表比輻射率；d表示輻射校正項(xiàng)[13]。

PV植被覆蓋率計(jì)算公式為:

PV=(NDVI-NDVIS)/(NDVIV-NDVIS)

式中：NDVI為歸一化植被指數(shù),NDVIV、NDVIS分別為植被和裸土的NDVI值[14]

3.2.2輻射亮度溫度計(jì)算

式中:Tsenso為亮度溫度值；L為影像預(yù)處理后得到的光譜輻射值，單位為w/(m2·sr·μn)、K1,K2為常量，可由數(shù)據(jù)頭文件獲取[8]。

計(jì)算圖像輻射亮溫之前，需采用輻射定標(biāo)參數(shù)將像元灰度值DN轉(zhuǎn)換為熱輻射強(qiáng)度值，公式為：

LA=ML×DN+AL

式中:ML為增益參數(shù)，AL為偏移參數(shù)，該參數(shù)可直接在影像通文件數(shù)據(jù)中獲取，且ENVI軟件中已經(jīng)集成，不需要自己查找。

3.2.3地表真實(shí)溫度反演計(jì)算

式中，LST為地表溫度，TS為亮 度 溫 度，ε為地表比輻射率[15]。

3.2.4太原市地表溫度分布圖

根據(jù)地表溫度反演計(jì)算公式，在ENVI遙感影像處理平臺(tái)軟件中，將1999年、2003年、2006年、2010年、2014年和2018年的6 期影像進(jìn)行地表溫度反演，并將地面亮溫劃分為5個(gè)溫度等級(jí)，溫度區(qū)間從低到高分別為低溫、次低溫、中溫、次高溫、高溫[16]。具體分類方法為:

ΔT=Tmax-Tmin；Δt=ΔT/5

式中：Tmax為該數(shù)據(jù)遙感影像反演所得的研究區(qū)范圍內(nèi)的地表溫度最高值，Tmin為該數(shù)據(jù)遙感影像反演所得的研究區(qū)范圍內(nèi)的地表溫度最低值[12]

得到6期太原市地表溫度分布圖(圖1)。利用地表溫度反演法計(jì)算出來的地表溫度值雖然和實(shí)際地面溫度之間有誤差，但溫度高低和地表溫度強(qiáng)弱趨勢(shì)一致。在研究城市熱環(huán)境時(shí)，通過地表溫度反演遙感影像數(shù)據(jù)得到的地表溫度，能夠在一定程度上反映城市熱環(huán)境高低溫度信息、不同溫度的分布區(qū)域情況以及城市熱場分布等信息。

4 結(jié)果與分析

基于GIS技術(shù)，通過對(duì)太原市1999—2018年20年的地表溫度進(jìn)行反演分析，研究太原市建成區(qū)夏季熱環(huán)境空間分布特征、太原市高溫區(qū)轉(zhuǎn)移和城市發(fā)展建設(shè)遷移以及城市綠地建設(shè)的關(guān)系，從而分析太原市熱環(huán)境時(shí)空演變特征。圖2至圖7半透明紅區(qū)域色表示高溫集中區(qū)，具體分析如下。

4.1 太原市夏季熱島演變分析

1)從圖2可以看出，1999年高溫區(qū)主要分布在太原市北城區(qū)，汾河?xùn)|西兩側(cè)，高溫區(qū)相對(duì)集中，太原市南城區(qū)尚無高溫現(xiàn)象。高溫區(qū)、次高溫區(qū)主要集中在城市北面，包括尖草坪區(qū)、杏花嶺區(qū)，中溫區(qū)主要在太原市中部偏北，包括萬柏林區(qū)北側(cè)和迎澤區(qū)北側(cè)，太原市南面多處于次低溫區(qū)和低溫區(qū)。1999年太原市主城區(qū)主要集中在北城區(qū)，太原市北城區(qū)工廠較多，工業(yè)制熱多，人口相對(duì)集中，尤為典型的是位于太原市尖草坪區(qū)汾河?xùn)|西兩岸的太鋼集團(tuán)和太原市選煤廠。

2)從圖3可以看出，2003年高溫區(qū)開始向南移動(dòng)，高溫區(qū)主要有2塊，主要分布在太原市北城區(qū)和太原市中部區(qū)域，高溫區(qū)相對(duì)集中。萬柏林區(qū)以南、晉源區(qū)大部分和汾河多處于低溫區(qū)和次低溫區(qū)。2003年城市建設(shè)開始向南擴(kuò)展，萬柏林區(qū)以南，小店區(qū)開始城市建設(shè)，晉源區(qū)人口相對(duì)較少，農(nóng)田面積較大，水體面積大。

3)從圖4可以看出，2006年高溫區(qū)主要集中在太原市城南的小店區(qū)。城北和城西次高溫區(qū)較多，太原市中東部地區(qū)大多處于次低溫區(qū)和中溫區(qū)。2006年城市建設(shè)繼續(xù)向南發(fā)展，新建商業(yè)、改建城中村，小店區(qū)不斷開發(fā)建設(shè)，引進(jìn)了新型企業(yè)，城北和汾河以西的鋼鐵廠、化肥廠和太原市第一熱電廠等不斷擴(kuò)大生產(chǎn)，產(chǎn)生大量的工業(yè)熱。太原市區(qū)汾河以東的迎澤區(qū)杏花嶺區(qū)公園綠地相對(duì)其他區(qū)域較多，溫度較低。

4)從圖5可以看出，2010年高溫區(qū)有3塊，主要分布在太原市北城尖草坪區(qū)太鋼工業(yè)園區(qū)附近，城市中部萬柏林區(qū)下元附近以及太原市區(qū)以南的小店區(qū)。2010年城市建設(shè)加快，城市繼續(xù)向南發(fā)展，下元附近城中村改建，新建住宅商業(yè)，人口不斷在城南集中，城市建設(shè)加快，農(nóng)田綠地減少，工業(yè)產(chǎn)熱不斷增加。

5)從圖6可以看出，2014年高溫區(qū)相對(duì)分散，太原市有多個(gè)高溫區(qū)，6個(gè)區(qū)均有高溫現(xiàn)象，從北向南依次是尖草坪區(qū)的太原選煤廠周邊、太鋼集團(tuán)周邊；萬柏林區(qū)下元公交站周邊、客運(yùn)西站和太重集團(tuán)周邊區(qū)域；迎澤區(qū)的火車站、服裝城附近；小店區(qū)火車南站附近以及高新區(qū)的富士康園區(qū)周邊。緊鄰汾河兩岸和太原市最南端處于次低溫區(qū)，汾河和晉陽湖以及城區(qū)內(nèi)其他水體區(qū)域處于低溫區(qū)。2014年全城全面建設(shè)，大量城中村改建，同時(shí)開始新建公園。

6)從圖7可以看出，2018年高溫區(qū)集中，有2塊，分別位于城北太鋼工業(yè)園區(qū)附近和城南小店區(qū)高新技術(shù)開發(fā)區(qū)周邊。其中水體附近溫度較低，包括汾河兩岸和晉陽湖等水系。其余區(qū)域大多處于中溫區(qū)。2014年以后不斷地加強(qiáng)綠地建設(shè)，2018年新建續(xù)建9個(gè)公園，包括迎澤區(qū)迎澤公園續(xù)建項(xiàng)目、晉源區(qū)西寨公園、金橋公園、小東流公園等。

圖2 太原市1999年地表溫度Fig.2 Surface temperature of Taiyuan in 1999圖3 太原市2003年地表溫度Fig.3 Surface temperature of Taiyuan in 2003圖4 太原市2006年地表溫度Fig.4 Surface temperature of Taiyuan in 2006

圖5 太原市2010年地表溫度Fig.5 Surface temperature of Taiyuan in 2010圖6 太原市2014年地表溫度Fig.6 Surface temperature of Taiyuan in 2014圖7 太原市2018年地表溫度Fig.7 Surface temperature of Taiyuan in 2018

4.2 太原市夏季熱環(huán)境整體分布

1999—2018年，從空間分布上看，城市中心人口密集、高層建筑以及商場多的區(qū)域地表溫度明顯較高，反映出非常顯著且集中的高溫區(qū)，例如下元、長風(fēng)大街附近。而在城市中的公園綠地、水體等一些區(qū)域地表溫度相對(duì)較低，形成一些大小不一的低溫區(qū)或次低溫區(qū)，例如森林公園，迎澤公園，汾河公園附近。由于城市下墊面性質(zhì)不同，包括綠地、水體、柏油路等，地表溫度也有著明顯的不同。由此可以看出，綠地、水體可以降低地表溫度，對(duì)城市熱環(huán)境的改善非常重要。從時(shí)間演變上看，從1999—2004年，城市高溫區(qū)、次高溫區(qū)比重逐年増多，熱環(huán)境不斷惡化，一直到2014年才有所好轉(zhuǎn)。受城鎮(zhèn)化和城市建設(shè)發(fā)展方向的影響，城市熱環(huán)境在空間上表現(xiàn)出不均衡性，在時(shí)間上表現(xiàn)出與城市建設(shè)發(fā)展的一致性，太原市不斷向南發(fā)展，城市高溫區(qū)也從北到南逐漸轉(zhuǎn)移。

4.3 太原市近20年夏季年均溫變化

通過ENVI軟件反演得到6年夏季地表溫度特征，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到最低溫度、最高溫度、平均溫度(表2)。并制作夏季年均溫折線統(tǒng)計(jì)圖(圖8)。

表2 太原市1999—2018年地表溫度特征

圖8 太原市近20年平均溫度折線統(tǒng)計(jì)Fig.8 Broken lines of average temperature of Taiyuan in recent 20 years

從圖8可以看出，1999—2003年，太原市夏季年均溫緩慢上升；2003—2014年，溫度上升速度較快；2014—2018年，太原市夏季年均溫開始下降，且下降速度較快。

5 結(jié)論

結(jié)合太原市6年 Landsat近似地表溫度數(shù)據(jù)，分析近20年太原市熱環(huán)境時(shí)空演變特征。結(jié)果表明：近20年太原市熱環(huán)境變化明顯，2006年之前太原市高溫區(qū)主要集中在北城，2006—2014年，高溫區(qū)增加較快，熱環(huán)境惡化，且高溫區(qū)逐漸向南轉(zhuǎn)移，2014—2018年夏季熱環(huán)境有所改善，夏季高溫區(qū)減少，且均溫有所下降；太原市近20年熱中心的遷移與城市發(fā)展重心一致，均是向城南轉(zhuǎn)移。

研究太原市近20年城市熱環(huán)境變化情況，LandsatTM遙感影像通過溫度反演法得到地表溫度，分析熱環(huán)境變化趨勢(shì)，但由于原始數(shù)據(jù)的日期不能統(tǒng)一到每年的同一天和同一時(shí)刻，所以該研究成果只適用于太原市近20年夏季的熱環(huán)境變化。而且，本研究只挑選了太原市近20年中6個(gè)年份的數(shù)據(jù)，并未選取連續(xù)年份的數(shù)據(jù)，因此無法對(duì)連續(xù)年份的熱環(huán)境時(shí)空演變進(jìn)行分析。在今后的研究中可更加細(xì)分研究，對(duì)每年的熱島變化進(jìn)行深入研究。