基于Landsat8衛(wèi)星數(shù)據(jù)的城市熱島效應(yīng)分析

鄒蒲++李婷　鄒娟

摘 要：近些年，隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，熱島效應(yīng)也越來越被人們所重視。在分析熱紅外波段研究城市熱島效應(yīng)的理論與技術(shù)方法基礎(chǔ)上，利用湘潭市2013年6月13日的landsat8數(shù)據(jù)反演地表溫度形成亮溫等級分區(qū)圖，在此基礎(chǔ)上分析湘潭市熱島分布特征、熱島現(xiàn)象的成因、緩解城市熱島的對策，探討landsat8數(shù)據(jù)在城市熱島研究中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 城市熱島 ；Landsat8；亮溫

1 引言

地表溫度是反應(yīng)地表熱量的主要因子，而城市熱島則是城市地表熱環(huán)境的集中體現(xiàn)。地表熱環(huán)境與人們的生活息息相關(guān)，它影響到城市熱島現(xiàn)象、全球氣候變暖以及地表與大氣進行能量交換的各個方面[1]。地表溫度其特有的時空動態(tài)分布特性，很難靠地面觀測站大面積獲取地表溫度參數(shù)，宏觀地把握其時空分布規(guī)律。遙感技術(shù)能大面積重復(fù)獲取同一地區(qū)的信息，具有宏觀、綜合、動態(tài)、快速的特點，并在速度、精度和成本花費等方面占有優(yōu)勢。自1972年Rao偶然發(fā)現(xiàn)ITOS-1衛(wèi)星SR熱紅外數(shù)據(jù)能識別城區(qū)及郊區(qū)熱輻射差異以來，熱紅外遙感技術(shù)逐漸成為研究地表城市熱島效應(yīng)的一種有效手段 [2] [3]。

目前，應(yīng)用于城市熱島研究的遙感數(shù)據(jù)主要集中在NOAA 、MODIS 、TM等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)空間分辨率都較低，已經(jīng)不能滿足當前應(yīng)用的需求[4][5][6]。2013年2月11號，NASA 成功發(fā)射了 Landsat 8衛(wèi)星，其熱紅外傳感器獲取的熱紅外影像數(shù)據(jù)空間分辨率明顯提高，為地表溫度反演及熱島研究提供了更好的數(shù)據(jù)源。藉此，選擇湘潭市Landsat 8衛(wèi)星的熱紅外影像數(shù)據(jù)分析其城市熱島效應(yīng)。

2 研究區(qū)概況

湘潭市位于湖南中部，湘江中游，面積5015平方公里，與長沙、株洲各相距約40公里，成“品”字狀。境內(nèi)地勢西高東低，南北高中部低；地貌類型多樣，山地、丘陵、崗地、平原、水面俱備。地理位置為東經(jīng)111°58′～113°05′，北緯27°20′55″～28°05′40″，湘潭市東西最大橫距108公里，南北最大縱距81公里。湘潭市屬中亞熱帶季風濕氣候區(qū)，年均氣溫17.5°C，年平均降水量1500mm，日照1700h，無霜期280d左右。選取湘潭市城郊作為研究區(qū)，面積280km2。

3 數(shù)據(jù)和方法

3.1 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

研究區(qū)數(shù)據(jù)為2013年6月13日Landsat8衛(wèi)星獲取的熱紅外波段影像數(shù)據(jù)，軌道號為p123r42，空間分辨率為30米，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，根據(jù)研究區(qū)范圍對影像進行了裁剪。

3.2 地表溫度反演機理

根據(jù)斯特凡—玻爾茲曼定律，Q L =εσT 4其中： Q L—地面目標熱輻射能量；ε—地物的發(fā)射率；σ—斯特凡—玻爾茲曼常數(shù)；T—地表溫度（以K 計）。因此，根據(jù)熱紅外波段的數(shù)據(jù)，就可以推知地面的溫度狀況，進而獲取地表面熱存儲分布信息。地面的溫度狀況間接反映出了城市氣溫熱島的分布特征。可以通過捕捉城市下墊面熱島強度的大小和分布，從而推測出城市熱島強度的大小和分布。利用遙感圖像模擬城市溫度的主要思路為，首先，根據(jù)亮溫計算公式，將熱紅外圖像的灰度值轉(zhuǎn)化為地面亮溫。亮溫是利用遙感手段獲得的城市下墊面的輻射溫度，由地表的真實溫度（地溫）和地物的比輻射率決定。再設(shè)法通過一定的回歸分析，將亮溫反演為地面溫度。

理論上，通過傳感器接收地表熱紅外輻射強度，可以算出對應(yīng)的地面溫度。但是，衛(wèi)星在接收地面熱紅外輻射過程中受到了大氣和地表諸多復(fù)雜因素的干擾，因此其準確的溫度反演十分復(fù)雜。要想從衛(wèi)星傳感器所觀測到的熱輻射強度中準確的演算出地表溫度，就要全面的考慮熱輻射傳導過程中的所有影響，而這些影響又因不同地區(qū)和不同時間而時刻變化。理論上，運用大氣模型計算大氣吸收作 用和大氣熱輻射強度，然后從衛(wèi)星傳感器所觀測到的熱輻射中減去這部分大氣影響，使之變成地表的熱輻射，最后考慮地表的非黑體影響而推算地表溫度。但大氣模型中需要使用實時的大氣剖面的多方面數(shù)據(jù)，如不同高度的大氣溫度、氣壓、水分含量、CO2 含量、O3含量、氣溶膠含量等等。這些數(shù)據(jù)并不容易測定，從而使大氣校正法可行性大大降低。替代方法多數(shù)是用標準大氣數(shù)據(jù)或非實時氣探數(shù)據(jù)來進行模擬估計。目前主要有3 種地表溫度反演算法： 輻射方程法、單窗算法和單通道算法[8][9]，其中輻射方程算法需要有詳細的衛(wèi)星過境時的地面大氣資料，大大限制了它的使用，單窗算法和單通道算法在估測基本大氣參數(shù)的情況下均可以提供良好的反演精度。但是本在缺乏相關(guān)大氣參數(shù)的情況，直接利用亮溫代替實際地面溫度來表征城市熱場，做定性研究。

3.3 亮溫計算

根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站公布的關(guān)于Landsat8數(shù)據(jù)產(chǎn)品輻射定標公式及數(shù)據(jù)頭文件記錄的輻射校正的相關(guān)參數(shù)，可將像元灰度值轉(zhuǎn)換為大氣上界傳感器的輻射亮度Lλ[10]。

輻射亮度計算公式為：Lλ = MLQcal + AL

其中Lλ為熱紅外波段的輻射亮度值，

ML為數(shù)據(jù)頭文件中的熱紅外波段的RADIANCE_MULT_BAND值

Qcal為像元的灰度值

AL為數(shù)據(jù)頭文件中的熱紅外波段的RADIANCE_ADD_BAND值

Lλ、ML和AL的單位為w/（m2*sr*um）

根據(jù)研究區(qū)相關(guān)參數(shù)：Lλ =0.0003342Qcal+0.1

再利用熱紅外亮溫計算公式T= K2/ln（1+ K1/ Lλ）-273.15，可將輻射亮度換算為像元亮溫。其中k1、k2為常量參數(shù)，在數(shù)據(jù)的頭文件中記錄相關(guān)值，本次數(shù)據(jù)K1、 K2的值為：

K1=774.89 W/（m2*sr*um），K2=1321.08K

根據(jù)亮溫計算公式，利用ENVI軟件波段運算得研究區(qū)2013年6月13日亮溫范圍為24.78℃-43.78℃。endprint

3.4 亮溫分級

地表溫度的分布一般呈正態(tài)分布，為了用符合人眼溫度序列的色系來反映下墊面溫度場，根據(jù)亮溫數(shù)據(jù)標準差把研究區(qū)亮溫數(shù)據(jù)劃分為6個等級并用不同的顏色表示，得到湘潭市亮溫等級分區(qū)圖。

4 結(jié)果分析

將湘潭市亮溫等級分區(qū)圖在GIS軟件的支持下，疊加湘潭市土地利用現(xiàn)狀圖、湘潭市綠地現(xiàn)狀分布圖，生成熱島效應(yīng)分析圖（圖1），進行湘潭市城市熱島效應(yīng)分析。

4.1 湘潭熱島分布特征

由圖1可以較為清晰地識別城區(qū)范圍，其高低溫突變界線與城區(qū)輪廓大體一致；總體上城鄉(xiāng)亮溫差異較明顯，城區(qū)溫度明顯高于郊區(qū)，城區(qū)以黃、土黃和紅色高溫色調(diào)為主，而四周山上和郊區(qū)以青、綠色低溫色調(diào)為主，城郊亮溫差為3 ℃。

在各種土地覆蓋類型中，水體溫度最低，在圖1上顏色為藍色；其次是林地與耕地，顏色為青色和綠色；建設(shè)用地溫度相對較高，顏色為黃色、土黃色和紅色。

在城區(qū)范圍內(nèi)，工業(yè)集中區(qū)溫度最高是熱島最明顯的區(qū)域；商業(yè)住宅區(qū)溫度次之，房屋密度大的，綠化面積小的老城區(qū)溫度比新建小區(qū)溫度要高；城區(qū)內(nèi)的公園，綠化較好溫度相對最低。

湘潭市的城市熱島主要分布在雨湖區(qū)的江麓機械廠、車站廣場等地周邊以及岳塘區(qū)的湘鋼煉鋼廠、湘潭電機廠、湘潭電纜廠、竹埠港工業(yè)園、清水塘工業(yè)園、湘潭電廠、印染紡織廠等地周邊。這說明除了太陽輻射對下墊面的熱貢獻外，各類工廠的能源消耗也對城市熱島的形成和強度有很關(guān)鍵的影響作用。

由此我們可以得出結(jié)論：城區(qū)與郊區(qū)相比較，郊區(qū)由于人口集中度低，綠色植被覆蓋面廣，大氣溫度相比較與城區(qū)來看要低；城區(qū)，人后集中度高，人工建筑分布密集、綠色植被覆蓋面小，排熱量大大高于郊區(qū)，溫度相比較于郊區(qū)來看要高，因此形成高溫熱島。

4.2 湘潭城市熱島現(xiàn)象的成因分析

城市熱島的形成是集中了各種因素，正是由于各種因素綜合作用的結(jié)果忙所以才形成了湘潭市城市熱島效應(yīng)。根據(jù)湘潭市亮溫特征的分析，可以找出以下主要影響因素。

（1）郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)綠色植被和水域的覆蓋面廣，綠色植被能使太陽能被轉(zhuǎn)化和存儲；水的比熱大，形成的是郊區(qū)農(nóng)村白天氣溫增溫慢，夜間氣溫降溫也慢。

（2）城區(qū)則與郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)正好相反，城區(qū)人口密度大，人工建筑物密集，改變了下墊面的熱屬性，人工建筑物吸熱快、熱容量小，在相同的太陽輻射條件下，它們比自然下墊面（綠地、水面等）升溫快，因而其表面的溫度明顯高于自然下墊面。

（3）城區(qū)人工建筑物大規(guī)模增加，綠色植被和水域等自然因素卻在不斷被減少，釋放熱量的因素在增加，而吸收熱量的因素在減少，因此緩解熱島效應(yīng)的能力就被削弱了。

（4）城市機動車輛、工廠能源的消耗與廢棄物的排放、居民生活用的各種小型燃爐等，各種各樣的燃料在燃燒，大量的能源在消耗，時刻都在排放熱量。

綜合上述因素來看，城區(qū)人口密度大，人工建筑物密集，能源消耗多，綠色植被覆蓋面小，散熱多，吸熱少，自然下墊面的減少是引起熱島效應(yīng)的主要原因，人工熱源的影響進一步加劇了熱島效應(yīng)。

4.3 緩解城市熱島的對策

（1）增加城市綠色植被覆蓋面積，產(chǎn)業(yè)升級減少能源消耗，節(jié)約能源，是弱化城市熱島效應(yīng)的能夠治本的重要措施；

（2）根據(jù)熱島效應(yīng)的特征和空間分布， 調(diào)整并且改造市區(qū)里人工建筑不合城市科學規(guī)劃的分布情況，堅決把能源消耗大、散熱量大的企業(yè)遷出市區(qū)，禁止在市區(qū)落戶可以有效的減緩市區(qū)熱島效應(yīng)強度。因此城市治理者要下大功夫?qū)θ斯そㄖ芗膮^(qū)域和人口密集的區(qū)域進行改造搬遷，對熱污染嚴重、能源消耗大、排熱多的工廠堅決遷出市區(qū)。

（3）合理布局城市水面，適當增加市區(qū)的水面面積，水面作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對于有效地緩解城市內(nèi)的熱島效應(yīng)能夠起到重要的作用。

（4）在工業(yè)區(qū)針對排熱量大的特點，應(yīng)沿道路、給熱管道種植灌木，預(yù)留一定規(guī)模的綠化用地，在熱源廠區(qū)的屋頂、墻壁、地面構(gòu)建多層次立體植被蓋層。

5 結(jié)論

（1） 研究結(jié)果表明， 以Landsat8衛(wèi)星獲取的熱紅外波段作為信息源，空間分布率達到了30米，能很好地揭示城市下墊面熱場的微細結(jié)構(gòu)，相比早期的數(shù)據(jù)源，精度更進一步提高，為城市生態(tài)遙感動態(tài)監(jiān)測提供更準確、更豐富的信息。

（2） 研究結(jié)果表明湘潭市最低亮度溫度24.78℃，最高溫度43.78℃。湘潭市城區(qū)與其周圍鄉(xiāng)村地域的溫度差異明顯，城區(qū)建筑物密集、綠化率較低、水面較少，排熱量大的區(qū)域形成高溫熱島。

（3） 用地面亮溫來代替地面實際溫度，分析熱島效應(yīng)方法簡單，可滿足定性研究，但對定量研究，誤差可能偏大。

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作者簡介：鄒蒲（1982-）男，碩士研究生，測繪工程師，主要從事國土資源遙感、地學遙感應(yīng)用、環(huán)境生態(tài)遙感等方向的生產(chǎn)科研工作。

基金項目：中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查工作項目“災(zāi)害易發(fā)區(qū)遙感地質(zhì)綜合解譯”（編號：12120113105100）；高分國土遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)（一期）項目（編號：04-Y30B01-9001-12/15）；中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查工作項目“湖南省礦山開發(fā)遙感調(diào)查與監(jiān)測”（編號：1212011120032）。endprint