基于遥感影像的城市热岛效应分析

许兆军，胡娟

(1.湖南省遥感中心，湖南长沙 410007； 2.湖南省国土资源规划院，湖南长沙 410007)

基于遥感影像的城市热岛效应分析

许兆军1∗，胡娟2

(1.湖南省遥感中心，湖南长沙 410007； 2.湖南省国土资源规划院，湖南长沙 410007)

以娄底市区为例，基于LandSat5 TM定量反演了城市亮度温度，采用Quick Bird数据解译了城市绿化现状，通过研究亮度温度与绿化覆盖率的关系，对城市绿化规划布局进行了探讨。研究表明:娄底市城区热岛效应显著，热岛中心主要分布在旧城区，最高温度为30.78℃；城市亮度温度与绿化覆盖率呈现负相关，相关系数为－0.9，通过提高城市绿化率等方法可以有效缓解城市热岛效应；城市绿地系统应根据娄底城市热场分布的特点，有重点、有针对性地进行规划布局，建立完善的城市绿地系统是改善城市热环境的根本保证。

热岛效应；亮度温度；绿化覆盖率；绿地系统规划；娄底市

1 引 言

城市热岛效应也称“大气热污染现象”，是城市化的发展导致城市中的气温高于外围郊区的现象。在气象学近地面大气等温线图上，郊外的广阔地区气温变化很小，如同一个平静的海面，而城区则是一个明显的高温区，如同突出海面的岛屿。由于这种岛屿代表着高温的城市区域，所以就被形象地称为“城市热岛”[1]。其成因在于人类对原有自然下垫面的人为改造并以城区温度明显增高为主要标志。它的出现加强了城市夏季高温的酷热程度，同时还伴随有植被覆盖空洞、城市干岛、城市霾岛等现象，影响城市生态环境质量。

由于遥感技术具有快速、全方位地获取不同空间分辨率、多光谱信息的特征，已成为对城市热岛效应影响因素的监测与分析的有效手段。在已有的相关研究——土地覆盖变化状况和城市热岛的关系[3～5]，或城市下垫面与城市热岛的关系[6～10]中，绝大多数都是利用TM影像研究大区域内城市热岛与NDVI(标准差异植被指数)的关系。关于城区内城市热岛与城市绿化覆盖率的关系，以及城市热岛对城市绿化布局的影响很少有专门的研究。本文采用两种遥感影像，分别用TM影像反演了城市地表亮度温度，用Quick Bird影像解译了城市绿化覆盖情况，通过研究分析亮度温度与绿化覆盖率的关系，对城市绿化的规划布局进行了探讨。

2 城市概况及数据源选择

娄底市城区位于湖南省中部，娄底市东北部，涟水中游，沪昆铁路与洛湛铁路交会处。面积428 km2，其中建城区面积约32 km2，人口29万。娄底市属中亚热带季风湿润气候，雨量充沛，四季分明。年内最高气温41.2℃，最低－1.6℃。

目前，常用于热红外卫星遥感的信息源主要有NOAA气象卫星AVHRR的第4通道(10.5 μm～11.3 μm)、第5通道(11.5 μm～12.5 μm)以及陆地卫星TM/ETM＋的第6通道(10.4 μm～12.5 μm)数据[2]。虽然TM6波段的噪声等效温差(NETD即温度分辨率)为0.5K比NOAA卫星热红外通道(NETD为0.1 K～0.3 K)低，但是其地面分辨率为120 m(ETM＋为60 m)，远高于NOAA气象卫星的1.1 km。由于LandSat7于2003年5月31日后无法获取合格的数据，因此本次调查采用2006年9月5日获取的124/41景LandSat5 TM数据，其热红外波段为120 m，可见光、近红外的空间分辨率为30 m，更适宜分析研究城市热环境的细部特征，有利于研究热岛的空间分布。城市绿化解译采用2006年7月的Quick Bird数据，其分辨率达0.61 m，完全能满足城市绿化现状解译要求。

3 研究方法

3.1 数据处理

遥感数据的具体处理过程如下:

(1)辐射校正:根据124/41景影像头文件提供的波段增益参数，采用式(1)对TM6进行入瞳辐照度还原(或还原地面反射P辐射量)和大气校正。

(2)数据配准:因为热红外波段数据地理信息相对较弱，应用ENVI软件对124/41景热红外波段数据与高分辨率可见光波段数据进行校正，达到地理信息的一致性。经校正后生成了热红外6波段图像，可与高分辨率可见光波段数据匹配、融合，融合后的图像具有参照地理信息，可用于校正选点。

(3)数据校正:采用实测控制点，对Quick Bird数据进行校正。采用1∶5万DRG对124/41景热红外波段数据与进行校正，达到几何位置的一致性。

(4)密度分割:因遥感探测到的是城市下垫面地物的辐射温度，表现为热红外波段的灰度值，这种辐射温度与气温具有很好的相关性，可近似反映城市地表温度。对经校正后的热红外波段值进行统计分析，分10个等级进行密度分割。

3.2 地表亮度温度

TM/ETM＋的热红外波段接收的是与地表温度高低相对应的热红外辐射强度。由于地表比辐射率与地表温度的耦合性、大气下行辐射效应(环境辐照度)以及陆面上方气溶胶的局地变化、比辐射率方向性及非同温混合像元的普遍存在，使得准确反演地表真实温度较复杂。而城市热岛研究大多注重的是温度相对强弱的空间分布特点，且城市下垫面辐射温度与低空(1.5 m)气温呈现显著线性关系，因此可以用地面辐射温度(亮度温度)来研究城市热岛效应[11～13]。加之城市区域范围有限，可认为区域水汽状况一致，在晴空无云状态下，可直接用亮温表征城市热场的空间相对分布。研究表明[13]，利用TM热红外亮温计算模式，可得到TM6图像数值和下垫面像元亮度温度定量关系:

其中，L为下垫面辐射值(mw·cm－2·sr－1· μm－1)，G为增益系数(w·cm－2·sr－1·μm－1)，DN为TM6的像元量化灰度级别，B为偏移系数(w·cm－2· sr－1·μm－1)。然后，采用普朗克函数计算星上亮度温度

其中，T为亮温(℃)；K1＝1260.56(K)；K2＝60.766(mw·cm－2·sr－1·μm－1)，亮度温度反演结果如图1所示。

3.3 绿化覆盖率

绿化覆盖率是城市绿化种植中的乔木、灌木、草坪等所有植被的垂直投影面积占城市总面积的百分比。计算公式:城市绿化覆盖率(%)＝(城市内全部绿化种植垂直投影面积÷城市总面积)×100%。利用面向对象分类软件eCognition进行解译，解译结果如图2所示。

图1 娄底市区亮度温度反演图

4 数据分析

4.1 亮度温度

对亮温反演结果进行统计分析，结果显示:城区亮度温度分布较集中，最高温度为30.78℃，低温中心主要分布在公园、水域等水体和植被覆盖密集区，如珠山森林公园、娄星广场、石马公园等地；郊区最低温度为25.27℃。低温中心主要分布在永光洲、城区东南的山区等地。

娄底市区亮温反演图表明，娄底市城区(图1中黑线为城区范围线)整体温度明显比周边偏高，呈现高温区。城区内温度水平梯度小，不到1℃，城区边缘气温水平梯度大，约为2℃。娄底市城区是一个由众多热岛组成的大热岛，强热岛和二级热岛占整个城区面积的三分之二以上。中心城区范围内热岛分布更加普遍，除几个大型公园周围呈现较低温区以外，其他地区均为二级热岛以上区域。经统计，娄底市内有大小强热岛区域81个，面积达327.88 km2，占城区总面积的10%。其中面积大于10 km2的强热岛区域有:华达机械总厂区域(26.28 km2)，涟钢电炉分厂(23.56 km2)，城区西南市食品厂、市皮革厂、外贸局汽车队区域(23.47 km2)，涟钢钢渣堆放场(20.51 km2)，火车站内车站轨道区域(14.73 km2)，市一中操场及其西侧单位(16.58 km2)，热轧薄板厂西边工厂(11.02 km2)，热轧薄板厂南边工厂(10.46 km2)等8处；面积小于10 km2的强热岛区域有73处。

经过分析可以看出，娄底市热岛中心并不在市中心，而是分布于涟钢厂区、中心城区西南以及城区铁路沿线，呈现出多中心分布特征。

4.2 城市绿化覆盖率

娄底市城区总面积为32.32 km2，各类绿化覆盖面积之和为11.59 km2，计算得娄底市的城市绿化覆盖率为35.85%。从图2可以看出，涟钢集团内各厂区，火车站站台，城区西南食品厂、皮革厂、外贸局区域等地，绿化覆盖率较低。各大公园及城区边缘绿化覆盖率较高。通过娄底市区绿化现状图与亮度温度的对比分析，可以进一步研究城市内部植被覆盖与亮度温度之间的关系，即随着绿化覆盖率的降低，亮度温度逐渐增高。这是由于城市中绿地改变了下垫面的性质，从而影响地表的热量平衡状况，绿地因反射和吸收部分太阳辐射，使得地表所得净辐射减少，而所得净辐射又有大部分用于植物蒸腾耗热和在光合作用中转化为化学能，使增加环境温度的热量大大减少。大面积绿地光合作用，吸收空气中的二氧化碳，可削弱城市温室效应，进一步缓解热岛效应。可见，提高城市绿化率对缓解城市热岛效应是有利的。

图2 娄底市区绿化现状解译图

4.3 亮温值与绿化覆盖率相关关系

为了研究亮温值与绿化覆盖率相关关系，需将亮温值转化为服从正态分布的亮温偏移值，一定程度上消除了部分大气及几何参数的影响，转化公式为:

其中:i为像元序号，Zi为转换后的亮温偏移值为市区内像元亮温的平均值，σ为市区像元亮温的标准差。

图3为绿化覆盖率与亮温偏移值的散点图，图中为植被覆盖率与亮温偏移值的数据。通过线性拟合后得出，城区内的亮温偏移值与植被覆盖率之间的相关系数为－0.9，二者呈较强负相关，说明植被覆盖率的增加可以明显减缓城市热岛效应。

图3 植被覆盖率与亮温偏移值的散点图

由此可见，下垫面的亮温分布总体上表现出与地面覆盖类型很强的相关性。具有水泥等结构的城镇用地亮温较高，而植被覆盖率较高的水田和林地以及各类坑塘等介质的亮温低于城镇，亮温最低的介质是较深的水体。陈峰、解修平等一些学者对北京、上海、西安等城市的热岛效应进行研究时也得出过类似结论[8，9，13，14]。

5 讨 论

城市热岛效应危害很大。热岛现象可加剧大气污染，同时，可能造成一些地质灾害，另外，酷热的天气给人们生活和健康造成严重的影响。通过娄底市区绿化现状解译图与城市热岛分布图的对比分析，认为城市绿化、水面是削减城市热岛效应的有效因素。通过增加城市绿地，改善城市下垫面的热特性，是消减城市热岛效应有效和切实可行的途径。

(1)加强城市绿化，提高城市绿化的总体水平，是削减城市热岛效应的关键措施。研究表明，绿化覆盖率与热岛强度成反比，绿化覆盖率越高，则热岛强度越低。当覆盖率达到一定程度后，绿地对热岛有较明显的削弱作用，且达到在其中生活舒适度令人满意的程度，如石马公园、春园公园、青山公园、月琴公园、珠山公园、娄星广场等公园，绿化覆盖率高达70%以上，整个地域消除了热岛现象。由于绿地对热岛有明显的削弱作用，区域内无大范围的热岛。而城区内市食品厂、市皮革制品厂等单位，涟钢集团内各工厂厂区，以及火车站等单位，绿化植物少，热量集聚，形成高强热岛区。

(2)合理增加城市水面，水面不仅能够有效地缓解城市内的热岛效应，而且也是城市生态系统的重要组成部分。涟水流域及娄星广场内的水体地表温度明显低于城市用地地表温度。在500 m×500 m尺度下，水面积比例与地表温度成线性负相关关系，水面积比例越高，降温越明显[8]。根据娄底市的自然条件和城市特点，在有条件的地区，利用天然水逐步增加水体面积，对于建设生态完善、环境优美的城市空间，具有积极的意义。

(3)建立规模化的集中绿地，减低热岛的影响。绿化覆盖率达到一定程度后，绿地因蒸腾作用散失的热量高于所得到的太阳辐射能，温度降低，空气冷却收缩下沉，地面气压升高，气流从绿地吹向非绿地，形成局部环流，在地面导致绿地的“可透性现象”，客观上起到了降低周围环境气温的作用。研究表明[3]，规模大于3 km2而且绿化覆盖率达到60%以上的集中绿地，其内部的热辐射强度有明显的降低，基本上与郊区的热辐射强度相当，即可以形成城市中心绿地为中心的低温区域。在当前整个城市普遍高温，热岛效应严重的情况下，这些低温区域，可以为城市居民提供可贵的户外活动场所。珠山公园以及其周边的大片绿地，使得该区域内无城市热岛出现。城市中心区中市林业局等单位内有大范围绿地，呈现低温区域。

(4)采用合理的绿化结构，提高单位面积绿地削减热岛的效益。乔灌草复层种植结构的绿地降温效果最好，其次为乔草型和灌草型绿地，草坪型绿地最低。市一中操场，绿化较好，也较美观，但其绿化植物结构全部为草坪，所以降温效果不好，图像上呈现部分强热岛区。又如，市广电中心，其绿地占单位总面积的比例达到30%以上，但全部为草坪，在热岛效应分布影像图上呈现二级热岛区。合理布置绿化结构，才能达到削减热岛效应的目的。

6 结 语

本文采用遥感方法研究城市热岛效应，定量反演娄底市亮度温度，解译了城市绿化覆盖现状，分析了二者之间的关系，得到如下结论:

(1)城区亮度温度分布较集中，主要分布在旧城区，最高温度为30.78℃，比郊区最低温高5.51℃。缓解旧城区的热岛效应，是目前的当务之急。

(2)娄底市亮温偏移值与植被覆盖率呈明显负相关，相关系数为－0.9，因此，通过提高城市绿化率等方法可以在一定程度上缓解城市热岛效应，减少城市热岛效应所带来的危害。

(3)城市绿地系统的规划应根据娄底城市热场分布的特点，从可持续发展的战略出发，合理布局集中绿地、建立生态廊道、增加水面等，有重点、有针对性地进行绿地建设，转变城市绿化工作“见缝插绿”的局面，实现“规划建绿”。建立完善的城市绿地系统是改善城市热环境的根本保证。

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Urban Thermal Island Analysis by Remote Sensing Images

Xu ZhaoJun1，Hu Juan2
(1.Remote Sensing Center of Hunan Province，Changsha 410007，China；2.Hunan Planning Institute of Land and Resources，Changesha 410007，China)

Taking Loudi as an example，based on LandSat5 TM image data，quantitative inversion of the city's brightness temperature，based on Quick Bird data，interpretation of the status quo of urban greening.By analyzing the relationship between brightness temperature and green coverage，study the Urban Thermal Island effect.The layout of urban greening are discussed.Studies have shown that:Urban Thermal Island effect significant Thermal Island centers are mainly located in the old city.The maximum temperature reached 30.78℃，higher than the rural minimum temperature 5. 51℃.Priority is to alleviate the Thermal Island effect the old city.The district brightness temperature deviation mean value was positively correlated with the vegetation cover ratio and the correlation coefficient is－0.9，by improving the urban greening and other methods can effectively alleviate the Urban Thermal Island effect，reduce the Urban Thermal Island effect caused harm.Loudi urban green space system should be based on the characteristics of urban thermal field distribution to carry out a focused，targeted planning.To improve the environment of the urban heat the fundamental guarantee is the establishment of a sound urban green space system.

Urban Thermal Island；Lightness Temperature；Green Coverage；Green Space System Planning；Loudi City

1672－8262(2010)06－71－05

P237

A

2010—03—16

许兆军(1978—)，男，工程师，研究方向:国土资源遥感、环境遥感。

湖南省建设厅“园林城市遥感调查示范研究项目”(2007－10)