基于Landsat TM影像的長(zhǎng)株潭城市群熱島效應(yīng)研究

陳 利， 曹雪佳， 李志華

(1.湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究總院， 湖南 長(zhǎng)沙 410007； 2.中南林業(yè)科技大學(xué)林業(yè)遙感大數(shù)據(jù)與生態(tài)安全湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

城市化的快速發(fā)展，一方面極大地促進(jìn)了當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，另一方面也帶來了大量與生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)的問題，其中以植被變化和城市熱島效應(yīng)最為突出。隨著城市化進(jìn)程的加快，城市的熱島效應(yīng)不僅影響著城市生態(tài)環(huán)境，也有逐漸地由城市向農(nóng)村擴(kuò)展的趨勢(shì)。地表溫度對(duì)地球表面與大氣的能量交換起著至關(guān)重要的作用，也是地表與大氣之間能量交換的重要影響因子，綜合了地氣之間相互作用過程中物質(zhì)與能量交換的結(jié)果，是區(qū)域與全球尺度地表過程分析和模擬的關(guān)鍵參數(shù)[1]。利用熱紅外遙感反演地表溫度的區(qū)域分布在氣候變化、植被生態(tài)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和城市熱島等研究領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用價(jià)值，而熱紅外遙感在地表溫度反演方面發(fā)揮著重要作用[2]。李柏延等[3]對(duì)西安市城市熱島強(qiáng)度進(jìn)行了定量化研究，得出了西安市城市地表溫度。肖林等[4]利用遙感技術(shù)對(duì)青藏高原的地表溫度反演和當(dāng)?shù)貧鉁匾约碍h(huán)境變化等關(guān)系進(jìn)行了研究，為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展及氣候變化研究提供了重要的參考依據(jù)。羅紅霞等[5]對(duì)三峽腹地的水庫地表面溫度進(jìn)行遙感反演，反演出了研究區(qū)域的地表溫度。長(zhǎng)株潭城市群作為現(xiàn)代化生態(tài)型的城市群，在2007 年 12 月已成為國(guó)家 “兩型社會(huì)”建設(shè)綜合改革配套試驗(yàn)區(qū)[6-7]，城市化進(jìn)程的加快將直接影響著該城市群的空間格局[8-11]。本研究利用1997年、2007年和2017年Landsat TM衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，通過對(duì)地表溫度和植被覆蓋信息的定量遙感反演，探究長(zhǎng)株潭城市群區(qū)域熱場(chǎng)與植被覆蓋的空間變化特點(diǎn)及變化趨勢(shì)，可為長(zhǎng)株潭城市群快速發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)株潭城市群位于湖南省中東部，處于泛珠三角經(jīng)濟(jì)區(qū)、長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶、京廣經(jīng)濟(jì)帶的結(jié)合部，為長(zhǎng)江中游城市群的重要組成部分，主要包括長(zhǎng)沙、株洲、湘潭3個(gè)城市。該3個(gè)城市沿湘江呈“品”字形分布，兩兩間相距不足40 km，結(jié)構(gòu)緊湊。長(zhǎng)株潭城市群為亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，其地理坐標(biāo)為111°58′38″—114°13′20″E，26°18′19″—28°41′72″N，境內(nèi)東西方向長(zhǎng)約230 km，南北方向?qū)捈s290 km，國(guó)土總面積約2.8萬km2[12-14]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

主要數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站下載的1997年、2007年、2017年3期長(zhǎng)沙、株洲、湘潭3個(gè)城市的Landsat TM遙感影像。植被在相同的季節(jié)具有相似的生長(zhǎng)狀態(tài)，為使研究結(jié)果具有可比性，選擇每期獲取時(shí)間相差不大的影像。

2.2 研究方法

2.2.1 圖像預(yù)處理 由于遙感本身受空間、時(shí)間、光譜分辨率以及感測(cè)系統(tǒng)等的影響，在數(shù)據(jù)采集過程中難免會(huì)有一些系統(tǒng)誤差，從而會(huì)使數(shù)據(jù)質(zhì)量降低[15-16]。為減少遙感影像數(shù)據(jù)的誤差對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生的影響，本研究利用輻射校正等消除遙感影像數(shù)據(jù)中的各種失真過程，以減少不同時(shí)期的影像因地形、光照和大氣等不同造成的影響[17-18]。本研究中的遙感圖像主要用于長(zhǎng)株潭城市群的地表溫度反演、植被覆蓋率估算等工作，因此，對(duì)3期遙感影像進(jìn)行了輻射定標(biāo)、FLAASH大氣校正、圖像增強(qiáng)、圖像裁剪等數(shù)據(jù)預(yù)處理，得到研究區(qū)3期遙感影像。經(jīng)過預(yù)處理后的圖像如圖1所示。

2.2.2 地表溫度反演 地表溫度是地球環(huán)境分析的重要指標(biāo)，而遙感技術(shù)則是現(xiàn)代重要的對(duì)地表觀測(cè)手段，因此，基于遙感圖像的地表溫度反演的研究越來越多。主要的地表溫度反演方法有大氣校正法、單窗算法、單通道法、輻射傳輸方程法等。單窗算法和單通道法雖然不需要同步大氣廊線數(shù)據(jù)，但反演精度高于傳統(tǒng)的大氣校正法；單窗算法的地表溫度反演精度比單通道法的略高；輻射傳輸方程法的地表溫度反演精度要略高于大氣校正法、單窗算法、單通道法等的。因此，本研究以輻射傳輸方程法對(duì)地表溫度進(jìn)行反演[19-22]。其輻射傳輸方程如下。

1997年

2007年

2017年

Lλ=[ε·B(TS)+(1-ε)L↓]·τ+L↑

(1)

B(TS)=[Lλ-L↑-τ·(1-ε)L↓]/τ·ε

(2)

當(dāng)獲取溫度為TS的黑體在熱紅外波段的輻射亮度時(shí)，根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)，求得地表真實(shí)溫度TS。

TS=K2/ln(K1/B(TS)+1)

(3)

式中：(1)～(3)Lλ為熱紅外輻射亮度；ε為地表輻射率；B(Ts) 為黑體的熱輻射亮度：Ts為大氣溫度；L↓為大氣上行輻射亮度；τ為大氣透過率；L↑為大氣下行輻射亮度；K1、K2均為定標(biāo)系數(shù)，其中K2=1260.56K，K1=607.76 W·m-2sr-1μm-1。τ、K1、K2等大氣參數(shù)從NASA 官網(wǎng)中查詢獲得。

3 結(jié)果與分析

3.1 絕對(duì)亮溫變化

1997年、2007年和2017年長(zhǎng)株潭城市群市域范圍內(nèi)絕對(duì)亮溫空間分布見圖2。從圖2可以看出：絕對(duì)亮溫主要的空間變化出現(xiàn)在長(zhǎng)沙、株洲、湘潭3個(gè)城市的各個(gè)城鎮(zhèn)聚集區(qū)以及城鄉(xiāng)結(jié)合部；高溫區(qū)主要分布在各市、縣城區(qū)，特別是長(zhǎng)沙、株洲、湘潭3個(gè)城市的中心城區(qū)；低溫區(qū)主要集中在森林覆蓋率比較高的山丘。從數(shù)值的變化來看，在1997年、2007年、2017年等3個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，市域熱場(chǎng)總體呈現(xiàn)先降溫后升溫的變化趨勢(shì)。1997年與2007年相比，從溫度極值來看，有升有降，其中最高溫度從30.09 ℃降到22.94 ℃，降幅達(dá)7.15℃；最低溫度則從13.46 ℃降低到12.02 ℃，降幅為1.44 ℃。2017年與2007年相比，熱場(chǎng)的空間分布格局相差不大，極端高溫升幅為6.13 ℃；極端低溫略有升高，升幅為3.43 ℃。

1997年

2007年

3.2 地表相對(duì)亮溫變化

從圖3、表1可以看出：在1997—2017年的20年間，長(zhǎng)株潭城市群的地表相對(duì)亮溫總體呈現(xiàn)綠島面積增加和弱熱島、極強(qiáng)熱島面積減少，以及中等熱島面積先增加后減少、強(qiáng)熱島面積先減少后增加的變化趨勢(shì)。主要的空間變化出現(xiàn)在長(zhǎng)沙、株洲、湘潭3個(gè)城市各市、縣的城區(qū)以及城鄉(xiāng)結(jié)合部，強(qiáng)熱島、極強(qiáng)熱島主要分布在長(zhǎng)沙、株洲、湘潭3個(gè)城市各市、縣城區(qū)，綠島、弱熱島主要集中在森林覆蓋率比較高的山丘。

表1 長(zhǎng)株潭城市群域相對(duì)亮溫統(tǒng)計(jì)表

1997年、2007年、2017年長(zhǎng)株潭城市群的綠島面積分別為1131241.49、1263477.76、1740149.12hm2，分別占長(zhǎng)株潭城市群總面積的40.26%、44.96%、61.92%；1997—2007年、2007—2017年綠島面積分別增加132236.27、476671.36hm2。

1997年、2007年、2017年長(zhǎng)株潭城市群的弱熱島面積分別為993915.44、721987.99、592674.59hm2，分別占長(zhǎng)株潭城市群總面積的5.37%、25.69%、21.09%；1997—2007年、2007—2017年弱熱島面積分別減少271927.45、129313.4hm2。2017年綠島和弱熱島面積共占長(zhǎng)株潭城市群總面積的83.01%。

1997年

2007年

2017年

1997年、2007年、2017年長(zhǎng)株潭城市群的中等熱島面積分別為278661.41、565015.84、223890.05hm2，分別占長(zhǎng)株潭城市群總面積的9.92%、20.11%、7.97%；1997—2007年中等熱島面積增加286354.43hm2，2007—2017年中等熱島面積減少341125.79hm2。中等熱島面積增、減的幅度均較大，增幅達(dá)10.19%，減幅達(dá)12.14%。

強(qiáng)熱島、極強(qiáng)熱島面積占長(zhǎng)株潭城市群總面積的比例均不大，1997年、2007年、2017年兩者分別共占14.45%、9.24%、9.01%，強(qiáng)熱島面積和極強(qiáng)熱島面積的減幅和增幅均不大。

從2017年熱場(chǎng)空間分布來看，強(qiáng)熱島和極強(qiáng)熱島主要集中分布于長(zhǎng)沙、株洲、湘潭3個(gè)城市的中心城區(qū)以及長(zhǎng)沙縣、瀏陽市等。從地表溫度變化情況來看，1997—2017年呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢(shì)，但總體上呈現(xiàn)下降的變化趨勢(shì)，其中長(zhǎng)沙、株洲、湘潭3個(gè)城市中心城區(qū)的熱場(chǎng)呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢(shì)。

4 結(jié)論與討論

(1)從絕對(duì)亮溫的空間變化來看，1997年、2007年和2017年長(zhǎng)株潭城市群絕對(duì)亮溫的主要空間變化出現(xiàn)在長(zhǎng)沙、株洲、湘潭3個(gè)城市的各個(gè)城鎮(zhèn)聚集區(qū)以及城鄉(xiāng)結(jié)合部，高溫區(qū)主要分布在各市、縣城區(qū)，特別是長(zhǎng)沙、株洲、湘潭3個(gè)城市的中心城區(qū)，低溫區(qū)主要集中在森林覆蓋率比較高的山丘。

(2)從相對(duì)亮溫的空間變化來看，在1997—2017年的20年間，長(zhǎng)株潭城市群的地表相對(duì)亮溫變化主要出現(xiàn)在長(zhǎng)沙、株洲、湘潭3個(gè)城市的各市、縣城區(qū)以及城鄉(xiāng)結(jié)合部。強(qiáng)熱島、極強(qiáng)熱島主要分布在長(zhǎng)沙、株洲、湘潭3個(gè)城市各市、縣城區(qū)，綠島、弱熱島主要集中在森林覆蓋率比較高的山丘；強(qiáng)熱島、極強(qiáng)熱島的面積占長(zhǎng)株潭城市群總面積的比例均不大，強(qiáng)熱島面積呈現(xiàn)先減少后增加的變化趨勢(shì)，極強(qiáng)熱島面積一直呈減少的變化趨勢(shì)，減幅和增幅均不大。

(3)從熱場(chǎng)空間分布來看，長(zhǎng)株潭城市群的強(qiáng)熱島和極強(qiáng)熱島主要集中分布于長(zhǎng)沙、株洲、湘潭3個(gè)城市中心城區(qū)以及長(zhǎng)沙縣、瀏陽市等，出現(xiàn)了長(zhǎng)沙、株洲、湘潭3個(gè)城市中心城區(qū)熱場(chǎng)增強(qiáng)的變化態(tài)勢(shì)。

(4)從熱場(chǎng)時(shí)間分布來看，1997—2017年長(zhǎng)株潭城市群的絕對(duì)亮溫呈現(xiàn)先降后升的變化趨勢(shì)，但是總體上呈現(xiàn)下降的變化趨勢(shì)；雖然總體上長(zhǎng)株潭城市群的強(qiáng)熱島和極強(qiáng)熱島都是降溫的趨勢(shì)，但是值得注意的是，2007—2017年危害較大的強(qiáng)熱島有升溫的趨勢(shì)。