基于遥感分析土地利用变化对武汉城市热岛的影响

苏振华， 何报寅, 丁 超， 刘 芳， 寇杰锋

(1.中国科学院 测量与地球物理研究所， 武汉 430077； 2.中国科学院大学， 北京 100049)



基于遥感分析土地利用变化对武汉城市热岛的影响

苏振华1，2， 何报寅1*, 丁 超1，2， 刘 芳1，2， 寇杰锋1，2

(1.中国科学院 测量与地球物理研究所， 武汉 430077； 2.中国科学院大学， 北京 100049)

城市热岛效应与城市化和土地利用变化密切相关.不透水面的扩张极大地改变了城市下垫面的热力学性质，这是造成城市热岛效应的主要原因.利用Landsat 7 ETM+和HJ-1A卫星多光谱遥感数据，通过人工解译获得2002年和2012年武汉市土地利用情况，同时利用武汉同期的MODIS合成地表温度产品对城市热岛强度进行了分级，进而对城市热岛与土地利用的时空变化情况进行分析，揭示了二者之间的关系.结果显示，武汉市城市热岛的扩张表现为中高强度的城市热岛以各主城区为中心向外围延伸，并且有逐渐连接成片的趋势，这与城市化扩张的特征基本相同.建设用地的不断向外延伸是造成武汉城市热岛不断增强的主要原因.

城市热岛； 土地利用； 遥感； 地表温度； 武汉

所谓热岛效应就是城市地区气温高于周边地区，在温度上城市如同处于被郊区所包围的“热岛”的现象[1]，是伴随不断加快的城市化进程产生的一种地区性气候.1958年Manley将这种现象定义为城市热岛[2-3].城市化即人类对下垫面的改造活动，使自然景观被人为景观所取代，城市不透水面扩张，水体、绿地等透水面面积减少，地表热力学性质、粗糙度等属性随之改变，这为热岛效应提供了地面条件[4].

目前我国仍然处于城市化快速发展的阶段，城市热岛现象日益严重，由此带来了一系列其他的气候、环境以及生态问题.除在酷热天气条件下直接危害人类身体健康之外，热岛效应对城市系统的危害大多通过温度场作用于局地气候特性等对城市产生影响.例如由于城市热岛产生的城郊闭合环流使郊区工业产生的污染物聚集于城市上空不能有效扩散，城市热岛显著的地区大气污染情况也更为严重[5].城市热岛还可以通过引起暴雨增加自然灾害诸如洪水、道路塌陷等的几率；又因为温度场改变了生物的栖息生境，部分生物生活习性随之改变，为生态系统的平衡性带来了潜在的危害[6].

目前城市热岛的研究手段主要有地面观测、热红外遥感以及边界层数值模拟等.早期的热岛研究手段较为单一，多利用气象站点和流动观测站等进行观测，这种方法受到站点数量和覆盖面积的限制，其数据的代表性较为有限.卫星遥感技术的发展为城市热岛的研究提供了新的方法，在Landsat TM/ETM+、MODIS以及NOAA-AVHRR等数据已经得到广泛应用的情况下，利用遥感数据热红外波段进行地表温度(Land Surface Temperature， LST)反演的技术已相当成熟.何报寅等利用MODIS的热红外8D合成地表温度产品对武汉城市圈的地表温度场特征进行了研究[7]，杨沈斌等利用Landsat TM/ETM+的热红外波段数据反演了地表温度，并分析了北京市热岛效应的季节特征[8].中尺度数值模式的发展和成熟也为热岛效应的研究提供了一个更具有针对性的实验模拟方法.吴庆梅等针对北京地区一次典型β中尺度暴雨过程中地形以及热岛效应对暴雨过程的影响进行了模拟，表明降水前城区的热岛效应造成的风场以及边界层变化为β中尺度系统提供了有利条件[9].蒙伟光等应用WRF数值模式及其耦合的UCM(城市冠层模式)对广州地区的一次高温过程进行了数值模拟，获得了较好效果[10].

出于对数据量以及研究尺度的考虑，本研究选择MODIS热红外8D合成地表温度产品进行城市热岛的分析.MODIS地表温度数据的获取途径相对方便，在保证时间分辨率的情况下达到了足够的空间分辨率(1 km)，并可提供白天平均温度和夜间平均地表温度两种数据，为研究昼夜不同情况的温度变化提供了可能.地表温度对局地气温以及城市热岛的作用，为借助MODIS地表温度数据研究城市热岛提供了可行性.

1 研究区概况和数据源

湖北省武汉市地处华中，位于113°41′～115°05′E， 29°58′～31°22′N之间，汉江与长江交汇处，水陆交通便利，有九省通衢之称.武汉市在江汉平原东部，北倚大别山脉，南邻幕阜山脉，东西横距132 km，南北跨距为154 km，市域面积达8 494 km2，截至2012年末武汉市常住人口达1 002万人[11].武汉地区是典型的亚热带季风湿润气候，年均气温约15.8℃～17.5℃，辖区内湖泊众多，素有“百湖之市”称号，其中全国最大的城中湖东湖位于武汉市武昌区.作为传统的工业城市，武汉市城市面积在全国位居前列，随之而来的热岛效应和大气污染情况显著.据统计，2013年武汉市PM2.5超标天数达到177 d，严重污染主要集中于冬季和春季，其中以1月和12月最为严重.

本次研究覆盖武汉市市域全境.

数据源：2002年10月份Landsat 7 ETM+行列号为122-038、122-039、123-038和123-039的四景数据多光谱影像数据、2012年12月份HJ-1A卫星CCD1行列号为457-76和457-80两景多光谱数据、2002年及2012年MODIS陆地标准温度产品(包括8D合成地表温度产品及月平均地表温度产品若干).

2 数据预处理

对Landsat 7的TM数据以及HJ-1A的CCD数据分别进行辐射定标、大气校正、几何校正、图像镶嵌、裁剪及数据融合，经过遥感人工解译，利用通过高分辨率Quickbird影像验证以及部分野外实地验证(2012年)得到30 m分辨率的2002年及2012年两期武汉市土地利用情况，如图1所示.

图1 武汉市土地利用类型图

2002年地表温度(LST)数据来自MODIS中国温度产品的月合成产品，采用1月、4月、7月、10月地表温度数据，包含白天和夜间两组温度产品，利用武汉市边界矢量文件对其进行裁剪得到2002年武汉市4个时段的白天、夜间月均温度数据；由于2012年地表温度数据无月合成产品的直接下载，对批量下载得到的正弦投影的MOD11A2八天合成产品利用MRT(MODIS Reprojection Tool)批处理工具进行影像拼接、重投影为UTM投影、裁切处理后，在对应时间的数据中剔除有较大云量遮盖即有过多无效值的数据，对无效值较少的数据进行拟合改正，对各月范围内的八天合成产品取平均值，利用武汉市边界矢量文件裁剪，并利用如下公式将DN值转换为地表温度，得到2012年对应四个时段的白天、夜间月均温度数据：

T=0.02×DN-273.15，

式中,T为地表温度，单位℃，DN代表数据中各像元的DN值，0.02为定标系数.本研究利用Landsat7的ETM+多光谱数据、HJ-1A卫星CCD多光谱数据解译分别获得武汉市两期土地利用分类图，利用1月、4月、7月、10月4个月份的地表温度月均值分别代表冬、春、夏、秋4个季节的典型地表温度情况，通过历史对比和基于土地利用变化情况的空间分析，揭示武汉市城市化过程对城市热岛的影响及其规律.

3 分析和讨论

3.1 土地利用变化情况

利用ArcGIS10.0软件对武汉市两期土地利用栅格图像进行像元统计，结果如表1.由统计可见，从2002到2012年的10年间，水体面积比例由14%变为14.2%，由于两期数据分别来自不同的传感器，结果存在一定误差，可认为在武汉市目前对水体的保护政策下，水体面积得到了较有效的保持；建设用地面积比例由7.1%增长为14.1%，增长幅度接近一倍，结合土地利用类型图(图1)可见各城区均有向外围延伸的趋势，大幅扩张的区域主要分布于青山工业区、武昌高新区、汉阳经济开发区、武汉经济技术开发区(沌口)以及汉口主城区外围地区等，表明这段时期是武汉市快速城市化的阶段，城市以极高的速度向周围扩张；农用地面积略有减少，而林地面积的保持较差，其面积锐减30%.城市的大幅度扩张以及林地的削减也意味着更容易产生强度较高的城市热岛.

表1 武汉市土地利用统计

3.2 各土地利用类型的地表温度变化分析

利用遥感解译得到的土地利用栅格文件导出各土地利用类别的范围矢量文件对2002年和2012年地表温度月均值进行统计结果如图2，可以发现在不同年份各土地利用类型的地表温度分布和变化特征具有一定规律性.白天地表温度趋势为建设用地>农用地>林地>水体，仅在2002年冬季林地略高、2012年冬季农用地略高于城市用地、2012年秋季水体略高于林地，这是由于统计过程中剔除了云量较大无效值像元较多的时段，样本数目有限，易被偶然事件所扰动，但仍可大致反映其温度分布总体情况.而在夜间，地表温度在冬季、春季和秋季均保持水体>建设用地>农用地>林地的趋势，仅在夏季夜间城市地区略高于水体，究其原因应为白天地表对低层大气强烈的加热作用导致气温升高，而大气逆辐射对地表有保温作用，一定程度上延缓了城市表面的降温过程.

由月均昼夜温差图(图3)可见，在时间变化上，4种土地类型都在夏季出现其最低昼夜温差，在其他月份有一定波动性，这是受到了大气逆辐射对地面保温作用的影响.

图2 各土地利用类型的月均地表温度(横轴6位数字表示年份和月份，D/N表示白天/夜间月均地表温度)

图3 各土地利用类型的月均昼夜温差(横轴刻度数字代表年份和月份)

从各土地类型地表温度的季节变化规律看，水体在一年四季都表现为最低昼夜温温差，这是因为水体的比热容大于其他地表类型，温度变化较其他类型速度更慢、幅度更小.其他土地类型在春季、夏季和秋季并无明显差别，由图3可见建设用地和农用地表现为白天高温，夜间温度迅速且大幅下降，这是由于其地表构成比热容小，以城市地区的不透水面地表为甚，与水体的特点构成鲜明对比；林地则由于植被冠层覆盖减少了对太阳辐射的吸收，而林地内部植被的生理作用又会对其温度产生一定影响，形成了其不同于其他类型的特点，另外由于武汉市林地多分布于北部大别山以及南部幕阜山一代，海拔升高带来温度垂直递减，使林地在大部分时段保持较低的平均温度；在冬季，昼夜温差趋势为农用地>林地>建设用地，农用地在此时植被覆盖较少，对热量的吸收和散失较快；林地则恰好受到植被的影响，温差相对农用地较小；而建设用地的低昼夜温差，一定程度上来自冬季城市地区密集建筑物的保温作用和人为热源的贡献.

3.3 城市热岛强度的描述

根据马蔼乃[12-13]关于遥感信息模型的地理相似准则，孙飒梅[14]引入了相对亮温来表征热岛强度，其公式为：

其中，∏(T)为以相对亮温表示的热岛强度，ΔT表示像元亮温Ti与研究区平均亮温Ta之差.

本研究从城市热岛角度出发，用乡村地区平均亮温替代研究区平均亮温，获得城乡地区温差，以更准确严格的反映热岛强度.替代后公式如下：

其中，∏(T)为以相对亮温表示的热岛强度，ΔT表示像元亮温Ti与乡村地区平均亮温Ts之差.

城市热岛强度等级划分如表2.

表2 城市热岛等级划分

3.4 城市热岛的时空分布特征分析

根据改进后的相对亮温公式对研究期内的地表温度数据进行波段运算得到武汉市各月份的相对亮温栅格文件，其中乡村地区平均亮温由月均地表温度文件和土地利用数据中提取的农用地矢量文件计算平均值得到，相应时间的并根据热岛效应强度划分标准在ArcGIS10.0中将其分级显示如图4和图5.

由图4和图5可以发现夜间武汉市在冬季、春季和秋季都有强烈的热岛分布，结合武汉市土地利用情况可知夜间的相对高温区域分布与武汉市的水体分布基本一致，在夏季虽然显著程度有所下降但其沿水体分布的特征仍然清晰可见，这是因为武汉多湖，水体在夜间降温缓慢.从季节角度，冬季和秋季夜间城市热岛相对较强，在武昌主城区、汉口主城区和青山工业区有少量强热岛分布，大部分城区被较强热岛和弱热岛覆盖；春季和夏季武汉市各城区基本为弱热岛和较强热岛，城市热岛面积比秋冬两季有所减少.从年度间的角度比较，武汉市2012年的夜间城市强热岛面积比2002年有所增加，而覆盖城区面积较大的弱热岛和较强热岛在两个时期分布变化情况没有明显的规律性.

图4 2002年武汉市热岛空间分布(a，c，e，g分别为1月、4月、7月、10月白天平均地表温度，b，d，f，h分别为1月、4月、7月、10月夜间平均地表温度)

图5 2012年武汉市热岛分布(a，c，e，g分别为1月、4月、7月、10月白天平均地表温度，b，d，f，h分别为1月、4月、7月、10月夜间平均地表温度)

武汉市白天的城市热岛的总体强度趋势为夏季>春季>秋季>冬季.冬季武汉市各城区基本为绿岛和弱热岛所占据，仅在青山工业区有较小面积的较强热岛分布；在春季，强度较大的热岛开始出现在各城区，高强度的城市热岛主要分布于青山工业区、汉口主城区、汉阳经济技术开发区、武昌主城区和东西湖区主城区并互相连接，江夏、黄陂和新洲三区的主城区也有强热岛和较强热岛中心出现；夏季是武汉市热岛效应最强烈的时期，城市热岛在春季连接成片的基础上继续向各城区外围扩展，城市热岛强度也达到最高，剧烈热岛和极强热岛所占区域在一年中达到最大面积；另外在春夏两季，长江、东湖等分布于主城区的大型水体表现为显著的绿岛，对沿水体分布的城市热岛起到了一定的缓解作用；秋季城市热岛规模大幅减少，较强热岛和极少的强热岛分布于青山工业区、汉口主城区、汉阳经济技术开发区和武昌主城区，各城区大部分为弱热岛和绿岛所覆盖.从年代角度比较，2012年与2002年相比各季节城市热岛面积均有增加，以热岛较强的春夏两季为例，2012年青山工业区、汉口主城区外围、武昌高新区和武汉经济技术开发区(沌口)的热岛面积比2002年有比较明显的增加，城市热岛以中高强度热岛(强热岛和极强热岛)为主要类型沿各主城区向外围扩张，并且有逐渐连接成片的趋势，这与城市建设用地的扩张具有相同的特征.

4 结论与展望

(1)2002年到2012年期间武汉市建设用地面积增长近一倍，以各城区为中心向外围高速扩张；水体得到了较好保持，农用地略有减少，林地则破坏较为严重.

(2)武汉市白天地表温度基本趋势为建设用地>农用地>林地>水体，夜间趋势为水体>建设用地>农用地>林地，由于对无效值较多的影像的剔除导致数据量有限，该趋势易受到短期气象条件等偶然事件的扰动.

受各土地类型物理性质的影响，水体在各时段保持最低昼夜温差；其他土地利用类型在春、夏、秋三季昼夜温差无明显差别，而在冬季各土地类型的昼夜温差趋势为农用地>林地>建设用地，这与植被覆盖、建筑物密度以及人为热源有关.

(3)武汉市四季夜间均以弱热岛和较强热岛两个强度较低的热岛类型为主，冬季和秋季夜间城市热岛相对较强.2012年武汉市夜间城市地区强热岛面积比2002年略有增加，但覆盖面积较大的较强热岛和弱热岛变化没有明显规律性.

结合热岛范围和强度，白天武汉市城市热岛效应强度基本趋势为夏季>春季>秋季>冬季， 2012年城市热岛范围和强度较2002年均有大幅增加，热岛的加剧表现为中高强度的城市热岛以各主城区为中心向外围扩张，并且有逐渐连接成片的趋势，这与建设用地的扩张特征相同，并与其扩张区域形成了极强的对应关系.

另外，城市中的大型水体如长江、东湖等在白天对其周边的城市热岛有一定的缓解作用.

(4)存在问题

武汉市水体众多，在夜间温度高于其他地表类型，造成特殊的地面热场；由于剔除了无效值较多的数据造成研究期内数据量有限，更容易被偶然事件所扰动；仅使用了Terra星数据，过境时间并非每日最高温时段.

(5)总结与展望

研究表明利用MODIS地表温度数据研究热岛效应具有可行性，其高时间分辨率的特点为研究地表热场提供了有力条件，相对于地面站点检测，结合遥感和GIS技术研究热岛效应具有更好的覆盖面，更好的反映了研究对象的空间特征.通过研究发现城市化进程中土地利用尤其是建设用地的变化对热岛效应产生了一定影响.

在下一步的研究中，需要做以下几方面改进：剔除水体在夜间对地面热场的贡献，研究夜间热岛效应情况；建立更长时间的热岛序列，以便更深入分析武汉市土地利用变化与热岛效应的变化趋势及其关系；结合Terra星和Aqua星数据综合分析，更细致地反映热岛全年的变化情况.

致谢：Landsat7的ETM+数据和部分MODIS数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)，HJ-1A数据来源于中国资源卫星应用中心(http://www.cresda.com)，特此感谢!

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Analysis on the effect of land use changes on urban heat island in Wuhan based on remote sensing

SU Zhenhua1，2， HE Baoyin1， DING Chao1，2， LIU Fang1，2， KOU Jiefeng1，2

(1.Institute of Geodesy and Geophysics of Chinese Academy of Science， Wuhan 430077;2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100047)

Urban heat island effect is closely related to urbanization and land use changes. The expansion of urban impervious surface has greatly changed the thermodynamic properties of the underlying surface， which is a major cause of urban heat island effect. The authors obtained the land use data in Wuhan city in 2002 and 2012 from Landsat 7 ETM+and HJ-1A satellite multispectral remote sensing through artificial interpretation， and graded the urban heat island intensity by using the land surface temperature product obtained from MODIS， then analyzed the temporal-spatial change of urban heat island and land use changes and revealed their relationship. The results indicate that: 1) the urban heat island effect in Wuhan city is of medium and high intensity， with its intensity highest in the downtown areas and declining to the periphery of each district and showing a tendency of connecting together， showing the same expansion pattern with urban areas; 2) generally， urban heat island in Wuhan city is intensified by the expansion of urban construction land．

urban heat island； land use； remote sensing； LST； Wuhan

2014-09-28.

武汉市科技局重大科技专项项目；国家自然科学基金项目(51079137);中国科学院测量与地球物理研究所124重要方向项目(Y419191019).

1000-1190(2015)01-0139-08

F301;X87

A

*通讯联系人. E-mail: heby@whigg.ac.cn.