基于遙感影像的合肥市熱島效應分析★

劉盼盼 王 璠 汪 靜 楊 玉

(安徽新華學院城市建設學院，安徽 合肥 230000)

1 概述

城市熱島效應[1](Urban Heat Island)的廣泛定義是指由于我國部分城市郊區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展已初步達到一定城市郊區(qū)規(guī)模,由于部分大型城市的地下凝土墊層表面層和建筑結(jié)構性質(zhì)的主體結(jié)構形式改變、大氣污染以及部分城市郊區(qū)人工綜合利用廢熱的大量向外排放等多種因素從而使得我國城市郊區(qū)平均溫度明顯遠遠地要高于地處高溫區(qū)的郊區(qū),形成類似我國城市處于高溫區(qū)的郊區(qū)城市孤島的一種城市熱島現(xiàn)象。形成整個城市熱島效應的主要影響因素包括有整個城市的地下墊面、人工使用熱源、水氣變化影響、空氣污染、綠地面積減少、人口快速遷徙等各種多方面的影響因素。尤其在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，對于周邊環(huán)境來說，城市就像是平靜海平面上，一個溫暖的島嶼。熱島效應如何減緩的問題，正在受到越來越多的重視。近年來，城市環(huán)境問題越來越引發(fā)社會關注，一些城市地區(qū)的高溫影響著城市居民的健康，經(jīng)濟，休閑活動和福祉。特別是，老年人和窮人等弱勢人群的健康受到變暖造成的熱應激的嚴重影響。大量的研究證實，城市變暖還可能加劇空氣污染，例如通過增加地表臭氧濃度而對人類健康產(chǎn)生若干負面影響；大量的城市氣候研究表明，城市表面的熱、光學和幾何特性會影響吸熱和輻射特性，并導致所謂的城市熱島效應。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

2.1 測區(qū)概況

合肥作為安徽省的省會，是全省政治、經(jīng)濟、文化、信息、金融、商貿(mào)的中心。處于中國東部區(qū)域、長江下流域、巢湖之濱[2]。屬于丘陵地帶，地勢由西北向東南傾斜。地理位置最高峰為蜀山區(qū)的大蜀山，海拔282 m?？偯娣e達到11 445.1 km2。氣候溫和，雨量適中，屬于暖溫帶向亞熱帶的過渡帶氣候型。該氣候具有以下特點：季風明顯，氣候溫和，雨量適中；春溫多變，秋高氣爽；年平均氣溫15.5 ℃～17.0 ℃，年極端最低氣溫-20.6 ℃(1955年1月)，曾有極端溫度達到41 ℃(1959年8月)。高溫多出現(xiàn)在梅雨后的7月下旬～8月上旬。年平均降水近995.3 mm，最大1 541.0 mm(1954年)，最小為572.9(1978年)，呈現(xiàn)南多北少的分布情況，夏季5月～8月降水偏多，約占整年降水總量60%[3]。年平均日照時數(shù)為1 902.0 h。全市下轄有4個區(qū)，包括瑤海區(qū)、廬陽區(qū)、蜀山區(qū)、包河區(qū)；4個縣為肥東縣、肥西縣、長豐縣、廬江縣；1個縣級市：巢湖市，并設有4個開發(fā)區(qū)，分別是高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)、新站綜合實驗區(qū)、巢湖經(jīng)濟開發(fā)區(qū)。

2.2 數(shù)據(jù)的預處理

本文的研究區(qū)域為合肥市，源圖像數(shù)據(jù)已經(jīng)過幾何糾正，故幾何糾正步驟省略。首先，需要對獲取的遙感影像數(shù)據(jù)進行編輯裁剪，生成合肥市的區(qū)域影像圖。ENVI中有的圖像裁剪包括兩種：1)規(guī)則裁剪；2)不規(guī)則裁剪。

本文研究過程中采用的是不規(guī)則裁剪中的感興趣區(qū)裁剪，利用已有的合肥市矢量地圖文件，作為感興趣區(qū)邊界，進行影像的裁剪。影像裁剪前后對比效果如圖1所示。

3 地表溫度反演與結(jié)果分析

3.1 地表溫度反演

結(jié)合熱力學的基本概念，任何物體只要高于物理學上的絕對零度(-273 ℃)，都會向周圍發(fā)射電磁波，同樣的也會吸收電磁波。其輻照能量的強弱程度和波譜的遍布位置以及物質(zhì)的外表狀況聯(lián)系緊密，而輻射能量的取值高低則是關于物質(zhì)里面組成和其自身熱度的因變量。

本文中我們需要研究的地表輻照熱度又被稱為地表明亮溫,它就是一種與遙感器在衛(wèi)星高程所需要觀測到的熱輻射強度相適應的溫度。這一熱度量并非真實意義上的地表溫度,它既包含了大氣層和其他地表物體之間對于熱輻射的干擾,也可以直接反映物體的光照亮度和溫度。地面亮溫，雖然與地面的真實溫度有著一定的差距，但兩者具有一定的數(shù)據(jù)相關性，是反演真實溫度的數(shù)據(jù)依據(jù)，所以說，亮溫也能夠體現(xiàn)所研究區(qū)域地面的熱場分布狀況，為研究分析提供有效的數(shù)據(jù)支撐。目前我們使用Landsat TM(ETM+)數(shù)據(jù)，進行地表溫度反演的方法主要有4種，分別為:輻射傳導方程法、基于影像的反演算法、單通道算法和單窗算法[6]。以上算法都有自己的優(yōu)缺點，比如輻射傳導方程法，缺點包括計算過程比較復雜，實際操作相對困難，使用頻率低。而基于影像的反演算法，反演結(jié)果偏低，但相對來說過程易操作。而對于單窗算法和單通道算法來說，兩者均考慮到了大氣輻射，但在應用歷史存檔數(shù)據(jù)時，影像成像時的大氣參數(shù)無法實測獲得，會對結(jié)果精確度產(chǎn)生一定的影響。

綜合以上算法的優(yōu)缺點和適用情況，結(jié)合本次研究區(qū)域概況，本文對地表溫度進行反演的方法是單窗算法，其主要分為兩步：首先是利用影像中的信息計算絕對輻射亮度值，然后利用絕對輻射亮度值計算得出絕對亮溫，并通過計算得出遙感影像區(qū)域的亮溫值，再利用ARCGIS軟件進行專題圖的制作。

3.1.1 計算絕對輻射亮度值

在彈出的窗口主菜單上選擇File-Open Image File打開預處理過的影像地圖之后，選擇Basic tools-Band Math，在彈出窗口Enter an expression一欄中輸入絕對輻射亮度值的計算公式：float(b4)/255×(1.896-0.153 4)+0.153 4。

3.1.2 計算光譜在單位電磁波輻射范圍內(nèi)的最大亮度值

單位光譜范圍的輻射亮度等于絕對輻射亮度與其有效光譜范圍之比[7]：

(1)

其中，b為有效光譜范圍，μm。有效光譜范圍以使傳感器反應大于50%的部分計，取b=1.239 μm。同上步驟中，利用Band Math功能，輸入計算公式為：b1/1.239，其中b1為上一步驟計算得出的絕對輻射亮度值。

3.1.3 計算絕對亮溫T

單位輻射亮度值與絕對亮溫T的關系為[8]：

(2)

其中：K1，K2均為校正系數(shù)。

3.1.4 將絕對亮溫轉(zhuǎn)化為亮溫值

為便于研究將從之前步驟得出的絕對溫度轉(zhuǎn)化為攝氏溫度，絕對亮溫T與亮溫值之間的關系為：

T亮=T-273.15 ℃

(3)

3.2 利用ARCGIS進行專題圖制作與分析

為更直觀具體地對合肥市的熱島效應強度進行結(jié)果顯示與分析，將ENVI中的結(jié)果導出至ARCGIS中，并將合肥市的縣區(qū)界線圖與亮溫值圖進行疊加，添加圖例，并制作出合肥市熱島效應的專題圖。處理后的圖像如圖2所示。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 城市熱場分布特征與主要分布區(qū)

由圖2可以看出，衛(wèi)星過境時的合肥市陸地最高地表溫度為26.2 ℃，最低地表溫度為19.3 ℃，溫差為7 ℃。

從這張溫度圖中我們不僅可以清楚地明顯看出，合肥市城區(qū)熱場的具體分布地理特點是因為城市中心和大城區(qū)的城市地表平均溫度顯著地高于中心郊區(qū)的城市地表平均溫度,且城區(qū)植被和城市水體對有效冷卻城市環(huán)境、緩解城市熱島效應等諸多方面也都起著重要的調(diào)節(jié)作用。低溫區(qū)主要位于合肥市巢湖市、廬江縣一帶及山體和水體周圍。熱島效應等級最高的分布區(qū)有廬陽區(qū)、瑤海區(qū)、包河區(qū)。其次包括蜀山區(qū)、肥西縣、肥東縣。長豐縣熱島效應等級較蜀山區(qū)稍低。而巢湖市及廬江縣熱島效應等級相對最低。在合肥全市共計劃設有的四個經(jīng)濟開發(fā)區(qū)(包括合肥高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、合肥新站經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)、合肥新站巢湖綜合技術實驗區(qū)、巢湖新站經(jīng)濟開發(fā)區(qū))中,經(jīng)濟開發(fā)區(qū)的土地熱島效應作用等級最高,其次高的是合肥高新技術開發(fā)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟開發(fā)區(qū)和合肥新站巢湖綜合技術實驗區(qū),而合肥巢湖新站經(jīng)濟開發(fā)區(qū)的土地熱島效應作用等級相對最低。而巢湖經(jīng)濟開發(fā)區(qū)的熱島效應等級相對最低。

3.3.2 改善熱島效應的措施與建議

通過對合肥市熱島效應分布特征及主要分布區(qū)的研究，結(jié)合對合肥市熱環(huán)境空間布局的動態(tài)研究，可以看出合肥市近幾年熱島情況已經(jīng)有了一定程度地改善，但是在城市建設的過程中，熱島效應未必不會出現(xiàn)增強的趨勢，所以實施熱島效應緩解措施迫在眉睫。結(jié)合合肥城市整體布局的具體特征，提出以下幾點相應改善措施：

1)改善合肥市綠地系統(tǒng)[10]的整體布局。2)提高綠化范圍所占比例，同時加快發(fā)展立體綠化[12]。3)減少人為熱排放量，發(fā)展公共交通。4)科學合理的城市布局,降低建筑物密度[13]。5)提倡使用新能源、新材料。6)建設生態(tài)建筑[14]。

4 結(jié)論

城市的生態(tài)建設與熱島效應有著密切的聯(lián)系，對全球溫度升高有著一定的影響，在遙感技術進一步成熟的基礎上，本文的研究主要借助遙感影響資料，運用地理信息系統(tǒng)技術，進行合肥市的熱島效應分析，主要研究成果總結(jié)如下：1)合肥市熱島效應空間分布呈放射狀擴散,并與其他城市建設地區(qū)的空間結(jié)構呈現(xiàn)出一定的輪廓,地表溫度由城市向郊區(qū)逐漸下降變低,衛(wèi)星經(jīng)常過境時刻,城區(qū)與郊區(qū)之間的空氣溫差就達到7 ℃。2)在利用ARCGIS進行合肥市熱島效應專題圖制作的過程中，研究證明：通過專題圖與區(qū)域界線矢量圖的對比不難發(fā)現(xiàn)，熱島效應的分布特征與土地利用情況有著很大的聯(lián)系。熱量中心主要包括建筑物密集的主城區(qū)、人口密度較大的中心商業(yè)區(qū)以及居民的居住集中地區(qū)，此類區(qū)域地表溫度較其他地區(qū)偏高，熱島效應等級也較強。其次為局部綠地覆蓋區(qū)域，地表溫度稍降，熱島效應有所減輕，而在臨近水體及山體周圍的熱島效應明顯低于周圍的熱島強度，地表溫度最低，熱島效應強度最低。