基于GIS和RS的南京市地表溫度動(dòng)態(tài)變化研究

吳先譚

(成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059)

引言

近百年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，全球氣候也正在表現(xiàn)出以變暖為特征的變化，這對全球生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、各國的經(jīng)濟(jì)和政治領(lǐng)域都有重大影響[1]。而城市熱島(Urban Heat Island，UHI)是影響氣候變化的重要人為因素之一，已引起了專家學(xué)者們的廣泛關(guān)注[2]，其是指城市表面的大氣溫度高于周圍的非城市環(huán)境，形成的原因主要是城市化[3]。但城市化又是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢，因此對城市熱島進(jìn)行研究以抑制或減緩其所造成的影響亟不可待。

目前，關(guān)于城市熱島的研究可分為大氣熱島和地表城市熱島2大類[4]。大氣熱島主要通過獲取有限的氣象站數(shù)據(jù)等，建立數(shù)學(xué)模型或使用統(tǒng)計(jì)方法分析城市熱島的分布[5]。隨著遙感技術(shù)朝著定性和定量的方向發(fā)展[6]，其中遙感熱紅外數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于地表溫度(Land Surface Temperature，LST)的反演和城市熱島的檢索[7]。

南京市位于江蘇省西南部，是江蘇省會(huì)，自1978年改革開放以來發(fā)展十分迅速，2017年其城鎮(zhèn)化率達(dá)到了82.3%。城市建設(shè)和改造的高速進(jìn)行極大地影響了南京市地表熱環(huán)境，因此，通過遙感技術(shù)研究南京市地表溫度的變化及其影響機(jī)制具有重要的科學(xué)意義和實(shí)踐價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

南京市，是江蘇省省會(huì)，位于E118°22′～119°14′，N31°14′～32°37′，東與江蘇鎮(zhèn)江、揚(yáng)州、常州3市毗鄰，西與安徽省滁州、馬鞍山市鄰接，南鄰安徽宣城市，位于江蘇省西南、長江下游地區(qū)。市域南北長、東西窄，呈正南北向，被長江貫穿分為南北2部分。國土總面積為6587.02km2。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

對于遙感數(shù)據(jù)，目前ASTER、MODIS、Landsat系列影像等，是地表溫度研究的主要數(shù)據(jù)源。MODIS分辨率相對較低，無法滿足城市尺度上的熱島效應(yīng)研究，而ASTER影像雖然分辨率高、熱紅外通道多[8]，但啟用的時(shí)間比較晚、衛(wèi)星周期長、相關(guān)數(shù)據(jù)少、價(jià)格較高等均限制了其在熱環(huán)境方面的應(yīng)用。

本文選取Landsat5和Landsat8數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度的反演，在反演過程中還用到了MOD021KM、MOD11A1產(chǎn)品數(shù)據(jù)，前者用于計(jì)算中間參數(shù)大氣水汽含量，后者用于地表溫度反演結(jié)果的精度驗(yàn)證。對于其它數(shù)據(jù)，本文還用到了DEM數(shù)據(jù)。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，將所有數(shù)據(jù)均統(tǒng)一投影到WGS_1984_UTM_Zone_50N。

2.2 研究方法

2.2.1 覃志豪單窗算法(MW)

覃志豪單窗算法(MW算法)，是覃志豪等在地表輻射傳輸方程的基礎(chǔ)上，針對Landsat TM第6波段提出的地表溫度反演算法[9]，在經(jīng)過了一系列的假設(shè)簡化后，有效避免了輻射傳輸方程算法對實(shí)時(shí)大氣廓線的依賴問題，并且只需要3個(gè)參數(shù)便可達(dá)到較好的反演效果，即大氣透射率、大氣平均作用溫度以及地表比輻射率。具體公式：

Ts=[a(1-C-D)+(b(1-C-D)+C+D)Tsensor-DTa]/C

(1)

C=ετ

(2)

D=(1-ε)[1+(1-ε)τ]

(3)

Tsensor=K2/ln(1+K1/Lsensor)

(4)

式中，Ts為地表溫度；Tsensor為熱紅外波段亮度溫度；K1、K2可以從*_MTL.txt文件中查詢；Ta為大氣平均作用溫度；Lsensor為熱紅外波段輻射定標(biāo)之后的輻射亮度值；ε為地表比輻射率；τ為大氣透過率；在Landsat TM數(shù)據(jù)中，a=-65.355351，b=0.458606。

2.2.2 地表溫度分級(jí)

將每一年份選取出的精度最高的溫度反演結(jié)果進(jìn)行分級(jí)，為了便于分析以及減少所使用影像的獲取時(shí)間不同的影響，對地表溫度反演結(jié)果進(jìn)行歸一化，見式(5)，將原始溫度值映射到(0,1)之間，再利用均值-標(biāo)準(zhǔn)差法，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

(5)

式中，Ti為像元i地表溫度歸一化后的值；Tsi為像元i地表溫度值；Tsmax、Tsmin分別所有像元中最大和最小地表溫度值。

表1 地表溫度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[10]

3 地表溫度動(dòng)態(tài)變化分析

3.1 面積變化分析

將歸一化之后的反演結(jié)果劃分為高溫區(qū)、次高溫區(qū)、中溫區(qū)、次低溫區(qū)、低溫區(qū)，最后生成研究區(qū)2000年、2006年、2016年的熱力等級(jí)分布圖，見圖1。

圖1 南京市地表溫度分級(jí)圖

本文把高溫區(qū)和次高溫區(qū)劃分為城市熱島區(qū)，并分別統(tǒng)計(jì)3a里各區(qū)的面積以及2000—2016年總面積變化情況，見表2。

由表2可知，2000年、2006年、2016年南京市大部分地區(qū)屬于中溫區(qū)。2000—2016年南京市低溫地區(qū)面積先減少后增加，分別為745.89km2、681.64km2、735.546km2，到2016年低溫地區(qū)比2000年減少了10.34km2；次低溫地區(qū)在變少，較2000年少了389.50km2；中溫地區(qū)先增加后減少，共增加了319km2；次高溫地區(qū)面積呈先減少后增加的趨勢，共增加了344.75km2；而高溫地區(qū)逐年減少，較2000年減少了263.83km2；2000—2016年間熱島區(qū)面積先減少后增加，分別為1865.18km2、1632.12km2、1946.10km2，共增加了80.92km2。整體來看，高溫區(qū)面積減少，且趨勢較明顯，但是低溫區(qū)和次低溫區(qū)面積也在減少，中溫區(qū)和次高溫區(qū)的面積增加了，熱島效應(yīng)并沒有得到緩解。

表2 南京市各地表溫度等級(jí)面積統(tǒng)計(jì)

3.2 轉(zhuǎn)移情況分析

為了更加清晰了解地表溫度的變化情況，對2000—2006年、2006—2016年各溫度分區(qū)的轉(zhuǎn)移情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表3、表4。

在2000—2006年，對于低溫地區(qū)，有137.81km2改變?yōu)榱舜蔚蜏貐^(qū)，有116.66km2升溫變成了中溫區(qū)，而由低溫地區(qū)直接升溫變?yōu)榇胃邷貐^(qū)的面積只有5.56km2，直接升溫變?yōu)楦邷貐^(qū)的面積最少，為3.58km2；降溫變?yōu)榈蜏貐^(qū)的主要是次低溫區(qū)、中溫區(qū)，面積分別為86.54km2、79.92km2。次低溫地區(qū)升溫變?yōu)橹袦氐貐^(qū)的面積高達(dá)575.36km2；同時(shí)有226.98km2的中溫區(qū)溫度降低向次低溫區(qū)轉(zhuǎn)化，有137.81km2的低溫區(qū)溫度升高成為了次低溫區(qū)。2000年的中溫地區(qū)有323.10km2變?yōu)榱?006年的次高溫區(qū)，226.98km2變?yōu)榱舜蔚蜏貐^(qū)；而且有575.36km2的次低溫地區(qū)和515.69km2的次高溫地區(qū)變?yōu)榱酥袦氐貐^(qū)。對于次高溫地區(qū)，降溫變?yōu)橹袦貐^(qū)的面積最大；同時(shí)由中溫地區(qū)溫度升高變?yōu)榇胃邷貐^(qū)的也最多。高溫地區(qū)區(qū)降溫變?yōu)榇胃邷貐^(qū)的有193.17km2，變?yōu)橹袦貐^(qū)的有192.74km2；分別有189.47km2、171.94km2的次高溫地區(qū)和中溫地區(qū)溫度升高，變?yōu)楦邷貐^(qū)。

表3 南京市2000—2006年溫度分級(jí)面積轉(zhuǎn)移矩陣

表4 南京市2006—2016年溫度分級(jí)面積轉(zhuǎn)移矩陣

在2006—2016年，低溫地區(qū)有74.35km2向次低溫區(qū)變化，有81.69km2向中溫區(qū)變化，12.37km2的低溫地區(qū)溫度增加較快直接轉(zhuǎn)為次高溫區(qū)，5.57km2直接變?yōu)楦邷貐^(qū)；主要有100.03km2的次低溫地區(qū)溫度降低變?yōu)榈蜏貐^(qū)，114.56km2的中溫地區(qū)降溫變?yōu)榈蜏貐^(qū)。次低溫地區(qū)升溫為中溫區(qū)的面積有304.84km2；中溫區(qū)降溫變?yōu)榇蔚蜏貐^(qū)的面積有256.80km2。2006年的中溫地區(qū)有707.45km2溫度上升變?yōu)榱?016年次高溫區(qū)；同時(shí)由次高溫區(qū)降溫變?yōu)橹袦貐^(qū)的面積也最大，為380.07km2。對于次高溫區(qū)降溫變?yōu)橹袦貐^(qū)的面積最大；由中溫區(qū)溫度升高變?yōu)榇胃邷貐^(qū)面積也最大。高溫地區(qū)有312.24km2降溫為次高溫區(qū)，有236.63km2降溫為中溫區(qū)；有110.03km2的次高溫區(qū)升溫變?yōu)楦邷貐^(qū)，204.10km2的中溫區(qū)升溫變?yōu)楦邷貐^(qū)。

4 結(jié)論

將反演的地表溫度進(jìn)行歸一化并劃分為5級(jí)后，分析2000年、2006年、2016年南京市地表溫度的動(dòng)態(tài)變化情況，發(fā)現(xiàn)到2016年除了次高溫區(qū)、中溫區(qū)面積增加外，其余等級(jí)的溫度分區(qū)面積都在減少。熱島區(qū)面積呈先減少后增加的趨勢，且增加量大于減少量，到2016年共增加了80.92km2。

通過分析2000—2006年、2006—2016年的溫度分區(qū)轉(zhuǎn)移矩陣發(fā)現(xiàn)，對于低溫區(qū)的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出情況：在2個(gè)時(shí)間段內(nèi)南京市低溫地區(qū)都主要向次低溫區(qū)和中溫區(qū)演化；2006年南京市的低溫區(qū)主要由2000年的次低溫區(qū)、中溫區(qū)溫度降低轉(zhuǎn)變而來，2016南京市的低溫區(qū)與上一個(gè)時(shí)間段有相同規(guī)律，也主要由2006年的次低溫地區(qū)、中溫地區(qū)轉(zhuǎn)變而來。有此規(guī)律的還有次高溫區(qū)、高溫區(qū)。