衛(wèi)星遙感在城市化和城市熱島監(jiān)測中的應用

廖代強 朱浩楠 姜平 柴闖闖

（1 重慶市氣候中心，重慶 401147；2 重慶舍特氣象應用研究所，重慶 401147）

0 引言

由于城市發(fā)展狀況不同，不同研究所選取的城市發(fā)展強度指標各有差異。有研究結合城市發(fā)展實際情況，選取工業(yè)生產(chǎn)總值、年末實有道路面積、全年用電量、年末總人口、全年供水量、公共交通實有車輛、建成區(qū)面積、原煤消耗總量及工業(yè)廢氣排放量、城市人口比重、人均國內生產(chǎn)總值、城市人均住房面積、城市人均公共綠地面積和城市用氣氣化率等作為城市化指標數(shù)據(jù)。但這些數(shù)據(jù)不易獲得且社會發(fā)展較快，變化又大，因而不適宜作為城市發(fā)展強度指標。

考慮到城市發(fā)展往往產(chǎn)生城市熱島效應，利用遙感資料反演地表亮溫，能分析城區(qū)與郊區(qū)的溫度差異，可更直接地反映出城市下墊面的物理變化特征。由于遙感技術具有快速、全方位地獲取不同空間分辨率、多光譜信息的特征，已成為對城市熱島效應影響因素的監(jiān)測與分析的有效手段。本文嘗試利用美國軍事氣象衛(wèi)星（Defense Meteorological Satellite Program，DMSP）搭載的Operational Linescan System（OLS）傳感器夜間燈光數(shù)據(jù)、30 m高分辨率土地利用資料和MODIS地表溫度遙感數(shù)據(jù)來分析重慶城市發(fā)展與熱島強度關系及其城市熱島的空間分布，以期望能得到較為理想的城市發(fā)展與熱島強度的關系和城市熱島空間分布。

1 資料及處理

本文采用的資料包括自1992年以來的重慶區(qū)域內DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)、30 m高分辨率土地利用資料和MODIS地表溫度遙感數(shù)據(jù)。

1.1 DMSP/OLS數(shù)據(jù)處理

DMSP/OLS觀測的夜間燈光強度數(shù)據(jù)是表征區(qū)域人類活動強度的重要指標，也是目前遙感平臺連續(xù)觀測全球城市發(fā)展時間最長的遙感產(chǎn)品，能客觀度量城市發(fā)展及空間差異。本文使用夜間穩(wěn)定燈光（stable light）影像，數(shù)據(jù)空間分布為1 km，Digital Number (DN)值范圍0～63。圖1所示為1993—2013年重慶市夜間燈光強度空間分布。由于衛(wèi)星更新?lián)Q代，觀測時間內總共有F10、F12、F14、F15、F16和F18共六代衛(wèi)星。

圖1 1993—2013年重慶市夜間燈光強度空間分布Fig. 1 Spatial distribution of night light in Chongqing from 1993 to 2013

圖2 給出了從數(shù)據(jù)中提取得到的重慶市DN值總和年變化。盡管總體而言，該圖可以體現(xiàn)重慶市城市化逐漸增加的趨勢，但由于傳感器老化、傳感器更新?lián)Q代等原因，不同衛(wèi)星的數(shù)據(jù)存在較大跳躍；而同一顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，變化也并不穩(wěn)定，無法直接使用。因此參考金平斌等的研究，采用不變目標區(qū)域法進行校正。校正方法步驟為：1）選定多年燈光變化幅度較緩和的地區(qū)作為參考區(qū)域，并挑選某一年作為參考年。經(jīng)對比后，采用多年DN值變化幅度較小的萬盛區(qū)作為參考區(qū)域，并選擇2013年作為參考年。2）利用其他年份參考區(qū)域DN值和參考年的參考區(qū)域DN值逐年建立回歸模型。經(jīng)測試，采用冪函數(shù)作為回歸方程的方程形式為：

圖2 重慶市多衛(wèi)星DN值總和年變化Fig. 2 The annual change of the sum of multi-satellite DN values in Chongqing

其中，

DN

代表校正后的值，

DN

代表校正前的值，

a

、

b

代表回歸系數(shù)。

然后，利用得到的回歸方程對整個區(qū)域的DN值進行校正。

1.2 MODIS資料處理

選用了2003—2018年的MOD11A2和MYD11A2衛(wèi)星遙感反演地表溫度數(shù)據(jù)進行分析研究。由于儀器故障、云干擾、輻射干擾等因素，MODIS數(shù)據(jù)經(jīng)常會出現(xiàn)缺測現(xiàn)象，若不對數(shù)據(jù)進行合理填補，將會嚴重影響到分析結果。本文參考Crosson等的研究，將MOD11A2和MYD11A2數(shù)據(jù)進行融合。具體做法為：首先逐格點計算MOD11A2和MYD11A2的近五年夏季平均值，然后計算二者之差；接下來對于每一個MYD11A2數(shù)據(jù)中的缺測像元，都用當天的MOD11A2對應位置像元值加上剛剛計算的氣候差異作為替換。由于溫度變化具有時間連續(xù)性和季節(jié)性，使用該方法能較好地填補MYD11A2中的缺測部分，而之后的分析也將基于該填補后的MYD11A2數(shù)據(jù)。

2 重慶市城市發(fā)展與熱島強度指數(shù)

2.1 城市發(fā)展指數(shù)

為表征重慶城市發(fā)展指標，參考謝志清等和Ma等的研究，利用訂正后的DMSP/OLS燈光數(shù)據(jù)構建城市發(fā)展指數(shù)。城市發(fā)展指數(shù)計算公式為：

其中，

S

為經(jīng)緯度單元格面積，

S

為城市規(guī)模，

DN

為63，只統(tǒng)計

DN

≥12的格點。

圖3 所示為利用校正后DMSP/OLS數(shù)據(jù)計算得到的重慶全市、渝西（渝中、大渡口、江北、南岸、沙坪壩、九龍坡、萬盛、北碚、璧山、榮昌、銅梁、大足、長壽、渝北、永川、潼南、巴南、綦江、合川、南川、涪陵、江津）、渝東南（黔江、秀山、武隆、豐都、石柱、彭水、酉陽）和渝東北（墊江、梁平、忠縣、巫山、城口、萬州、云陽、開縣、巫溪、奉節(jié)）地區(qū)的城市發(fā)展指數(shù)變化。由圖3可知，不論是重慶全市還是西部、東南和東部地區(qū)，城市發(fā)展指數(shù)都呈隨時間不斷增長的趨勢。但其中，渝西的城市化指數(shù)及其增長趨勢明顯高于渝東南和渝東北，渝東南的城市化指數(shù)和指數(shù)增長趨勢相對最弱。這說明重慶地區(qū)的城市化進程主要在渝西地區(qū)進行，而渝東南及渝東北發(fā)展相對較緩。

根據(jù)不同

DN

值累積面積序列，利用

t

滑動檢驗將燈光強度所占面積的轉折點（＞39）劃分快速發(fā)展區(qū)，把重慶分為10個主要城市群，分別為：主城區(qū)、合川、永川、銅梁、長壽、涪陵、萬州、開縣、云陽、巫山。其中城市面積最大的為主城區(qū)，面積達到1438.97 km，其次是長壽和萬州，分別為128.2 km和124.4 km。同時可見，重慶的大部分城市發(fā)展集中在渝西，渝東北城市發(fā)展較緩，而渝東南地區(qū)城市發(fā)展特征不明顯。

圖3 重慶全市、渝西、渝東南和渝東北的城市發(fā)展指數(shù)Fig. 3 Urban development index of Chongqing city,west Chongqing, southeast Chongqing and northeast Chongqing

2.2 城市熱島強度指數(shù)

城市熱島強度通常定義為城區(qū)溫度減去郊區(qū)溫度，因此如何定義“城市”是區(qū)分城區(qū)與郊區(qū)的重要一環(huán)，會直接影響到對熱島強度的計算結果。為充分體現(xiàn)熱島效應對局地溫度的影響，本文將城市熱島強度指數(shù)定義為城市區(qū)（建成區(qū)）和邊界區(qū)（城市發(fā)展區(qū)）的平均溫度減去剩余地區(qū)（郊區(qū)）的平均溫度（即背景溫度）。本文溫度背景區(qū)的確定是結合夜間穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù)，根據(jù)城市聚類法（CCA）分類為非城市區(qū)（CCA算法類似火災蔓延模擬，通過選擇初始“著火點”，逐步“引燃”周圍的“可燃點”進而劃分出城市的范圍。其步驟分為：首先隨機選取城市像元，利用八領域法計算城市連通域；然后定義距離閾值

L

，距離小于

L

的連通域視為同一城市群落；最后定義聚集閾值

S

，去除像元個數(shù)小于

S

的連通域（即面積較小的建筑群落）。CCA方法可以使用人口密度、不透水下墊面作為輸入，也可使用土地利用作為輸入，本文采用土地利用）且海拔高度與城區(qū)相差不大的地區(qū)作為溫度背景區(qū)。然后根據(jù)MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)計算城市區(qū)和背景區(qū)的溫度，再用每年的城市平均溫度減去背景溫度得到多年重慶市全市、渝西、渝東北和渝東南地區(qū)的熱島強度指數(shù)的時間分布（圖4）。其中不同片區(qū)的熱島強度指數(shù)用不同片區(qū)的背景溫度計算。

由圖4可知，無論哪個季節(jié)，重慶全市的熱島強度指數(shù)均呈增長趨勢。夏季的熱島強度指數(shù)最強、春季次之，秋季和冬季熱島強度最弱。渝西片區(qū)的熱島強度變化趨勢與重慶市的基本一致，說明重慶市的熱島效應大部分都集中在渝西片區(qū)。而渝東北盡管也呈現(xiàn)增長趨勢，但其增幅和熱島強度均低于渝西。渝東南片區(qū)的熱島強度指數(shù)最弱，只在春夏兩季有明顯的增長趨勢，而在秋冬兩季則受氣候變化影響，無明顯特征；可見由于渝東南地區(qū)城市面積較小，發(fā)展較慢，城市對局地氣候的影響較弱。

圖4 重慶市、渝西、渝東北和渝東南（春夏秋冬（a～d））的熱島強度指數(shù)序列（單位：℃）Fig. 4 Heat island intensity index series of Chongqing,western Chongqing, northeast Chongqing and southeast Chongqing (spring (a), summer (b), autumn (c) and winter (d))

3 重慶市熱島效應時空格局

3.1 不同年的熱島效應空間分布

圖5 重慶市2003年（a）、2008年（b）、2013年（c）和2018年（d）熱島強度分布（單位：℃）Fig. 5 The intensity distribution of heat island in Chongqing in 2003 (a), 2008 (b), 2013 (c) and 2018 (d)

根據(jù)2.2節(jié)城市熱島強度指數(shù)的計算步驟，用城市平均溫度減去背景區(qū)溫度。得到2003、2008、2013和2018年的全市熱島分布（圖5）。根據(jù)圖5可知，隨著城市發(fā)展建設，重慶市的城市熱島強度和范圍2003—2018年都有明顯的增加的趨勢，強熱島所占面積不斷增大，且主要集中在渝西地區(qū)；渝東北強熱島區(qū)域面積相對較小，而渝東南則并未有明顯變化。另外，海拔較高、表現(xiàn)為強冷島的區(qū)域，多年變化幅度也相對較小。

3.2 不同季節(jié)的熱島效應空間分布

圖6 為重慶市春夏秋冬四季的熱島強度氣候態(tài)分布，可見重慶市熱島效應最明顯的是夏季，強熱島區(qū)域面積相對最大，并與主要城市基本吻合；春季的熱島效應較夏季偏弱，但依然可見大范圍的強熱島。熱島效應最弱的是秋季和冬季，秋季僅有主城區(qū)和長壽、涪陵一帶還有強熱島分布；冬季則基本沒有強熱島，且高溫區(qū)的分布主要與地形有關，受城市影響不明顯。

3.3 不同季節(jié)的熱島強度發(fā)生頻率空間分布

最后，參照北京市主要城建區(qū)熱島強度時空格局的研究，利用多年遙感觀測統(tǒng)計重慶市不同季節(jié)各級熱島強度發(fā)生的頻率（統(tǒng)計時按不同年月分別計算背景溫度），最終得到圖7所示分布。從圖中可見，強熱島（三級熱島）主要集中發(fā)生在渝西主城區(qū)一帶，且以春夏兩季發(fā)生次數(shù)最多，頻率高達50%以上，這主要是由于春夏季太陽輻射較大，而城市區(qū)域比輻射率較高因而高溫特征相對顯著；但渝東北和渝東南地區(qū)強熱島發(fā)生頻率較少，絕大部分地區(qū)的發(fā)生頻率都小于10%。秋季渝西的強熱島發(fā)生次數(shù)少于春季，而冬季強熱島發(fā)生頻率最少，最高未超過40%。重慶地區(qū)弱熱島則主要集中發(fā)生在冬季，并以渝西地區(qū)為主要發(fā)生地，從圖7j可見大片地區(qū)的弱熱島發(fā)生頻率都超過了40%。

3.4 不同月份的熱島效應時間分布

圖6 重慶市春季（a）、夏季（b）、秋季（c）和冬季（d）熱島強度氣候態(tài)分布（單位：℃）Fig. 6 The climatic distribution of heat island intensity in Chongqing in spring (a), summer (b), autumn (c) and winter (d)

圖8 為全市、渝西、渝東北和渝東南片區(qū)多年各個月份的熱島強度指數(shù)與背景溫度散點圖。首先可見，重慶地區(qū)的熱島效應具有明顯的季節(jié)特征：冬半年熱島效應較弱，夏半年較強；另外，渝西地區(qū)熱島效應強于渝東北和渝東南，且渝東南地區(qū)的冬半年沒有熱島效應。而全市及渝西地區(qū)熱島強度隨背景氣溫增加而增加，并在時間上呈順時針特征，說明全市及渝西地區(qū)春季熱島效應強于秋季。根據(jù)圖8c可知，渝東北片區(qū)的熱島強度隨時間呈逆時針變化，說明該地秋季熱島效應強于春季。而同時可見，渝東北并非簡單的表現(xiàn)為背景場溫度越高、熱島效應越強：背景溫度較低的1月和12月，熱島強度比背景溫度較高的2月和11月更強；且同樣的背景溫度，但在不同月份的熱島有明顯區(qū)別。渝東南地區(qū)與渝東北相近，熱島強度指數(shù)在時間上呈逆時針特征。這種“翻轉效應”可能是與植被和氣候的相互作用有關：渝東南、渝東北植被較多，城市面積相對較少，在春季時，植被對城市高溫能起到一定緩解作用；而秋季植被綠葉減少，降溫效果下降，城市熱島較春季更明顯，因此表現(xiàn)為秋季熱島強于春季；而渝西地區(qū)由于植被較少，太陽輻射造成的城市升溫更加明顯，所以春季熱島強于秋季。更進一步的成因分析還有待深入研究，但同時這也說明重慶地區(qū)的熱島效應具有明顯的局地特征，受局地氣候環(huán)境的影響較大。

4 結論

1）重慶市多年城市指數(shù)呈逐年遞增的趨勢。其中，渝西的城市化指數(shù)及其增長趨勢明顯高于渝東南和渝東北，渝東南的城市化指數(shù)和指數(shù)增長趨勢相對最弱；重慶全市的熱島強度指數(shù)均呈增長趨勢。夏季的熱島強度指數(shù)最強、春季次之，秋季和冬季熱島強度最弱。

2）城市熱島強度指數(shù)與城市發(fā)展指數(shù)呈正相關。其中，渝西和全市的呈顯著正相關，渝東南和渝東北相關性較差。這說明城市發(fā)展指數(shù)較高時，城市化面積較大才會對城市熱島產(chǎn)生影響。

3）重慶市熱島的空間分布是隨著城市的發(fā)展，中等強度以上的熱島所占面積不斷增大，且主要集中在渝西地區(qū)；渝東北中等以上熱島區(qū)域面積相對較小，而渝東南則并未有明顯變化。強熱島主要發(fā)生在夏季，且集中在渝西地區(qū)，主城區(qū)發(fā)生頻率超過50%；春秋季發(fā)生頻率次之，而冬季各地的強熱島發(fā)生頻率基本都小于10%。弱熱島主要發(fā)生在冬季，且依然以渝西地區(qū)為主。這與重慶地區(qū)的城市分布和發(fā)展特征相一致。

圖7 重慶市春季（a—c）、夏季（d—f）、秋季（g—i）、冬季（j—l）1～3級熱島強度發(fā)生頻率Fig. 7 The frequency of heat island intensity of grade 1-3 in Chongqing in spring (a-c), summer (d-f), autumn (g-i) and winter (j-l)

4）重慶地區(qū)的熱島效應具有明顯的季節(jié)特征：冬半年熱島效應較弱，夏半年較強；另外，渝西地區(qū)熱島效應強于渝東北和渝東南；渝西地區(qū)春季熱島效應強于秋季，渝東南和渝東北則相反。這種“翻轉效應”可能是與植被和氣候的相互作用有關。

圖8 重慶全市（a）、渝西（b）、渝東北（c）和渝東南（d）的熱島強度指數(shù)—背景溫度散點圖（不同顏色方框代表不同月份平均值，灰色圓點代表多年樣本）Fig. 8 The heat island intensity index-background temperature scatter diagram of Chongqing municipality (a), west Chongqing (b), northeast Chongqing (c) and southeast Chongqing (d), respectively. The color-coded boxes represent averages for different months, and the gray dots represent multi-year samples