基于遥感的贵阳市城市热岛效应变化研究

郑永康　银正彤

[摘要]为了研究贵阳市热岛变化情况，采用ENVI软件贵阳市2003年、2007年和2011年的Landsat ETM+遥感影像进行地温反演和土地利用分类，分析地温变化以及和土地利用类型之间的关系。结果表明：8年来，贵阳市随着城区的扩张，低温区基本全部向高等级温度区转移，次低温区剧减，中温区有所增加，次高温区和高温区大幅增加。

[关键词]遥感 热岛 地温 土地利用分类 贵阳

[中图分类号] X87 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-3-296-2

贵阳市以其独特的地理优势和气候条件博得了“上有天堂，下有苏杭，气候宜人数贵阳”之美誉，鉴于贵阳优良的气候条件，2007年贵阳市被中国气象学会授予了“中国避暑之都”荣誉称号。但是相关研究表明，近年来贵阳市极端气温有上升趋势[1]，并且全国日益加重的高温天气对贵阳市存在一定影响，伴随着贵阳市城市建设等方面的因素，导致了贵阳市近年来多次出现异常高温天气。因此热岛效应成为科学界、管理者以至民众广泛关注的焦点。

1材料和方法

1.1研究区概况

贵阳市位于云贵高原东部，是贵州省省会。贵阳市属于亚热带湿润温和型气候，由于受季风和地形影响，贵阳市常年多雨多云，冬无严寒，夏无酷暑，年均气温为15.3℃。本文研究范围为贵阳市市辖区，面积为2381平方千米。

1.2数据选择与预处理

本文所采用数据是landsat 7卫星ETM+影像，成像时间分别为2003年9月26日、2007年9月21日和2011年8月31日。采用Envi4.7对TM影像进行几何校正，精度均在0.7个像元以内。再进行大气校正。利用已有的贵阳市行政区影像图对影像进行剪裁，得到三个时相的贵阳市影像图，

1.3地表温度反演

针对Landsat 7影像，目前主流的方法是覃志豪单窗算法、辐射传输方程法和普适性单通道算法3种[2-3]，本文选用反演精度较好的辐射传输方程来反演贵阳市地表温度。

辐射传输方程也称为大气校正法。其基本思路是利用卫星过境时同步采集的大气数据来估算大气对地表热辐射的影响，然后把这种影响从卫星上传感器所接收到的热辐射中消除，从而得到地表热辐射强度，最后将这一热辐射强度转化为地表温度。最后将反演的温度图以20℃、25℃、30℃、35℃为刻度分别划分出低温区、次低温区、中温区、次高温区和高温区。

1.4土地利用分类

为了进一步研究贵阳市热岛变化与土地利用类型之间的关系，同时将三个时相的影像进行土地利用类型的分类。将研究区粗略分为植被区、建筑区、耕地区以及水体区四个大类，将经过波段组合成的真彩色影像作为底图，在相近年份的土地利用现状图和谷歌地球高分辨率影像的参照下建立解译标志，经计算，所选取样本分离度均为1.90以上。运用最大似然法（Maximum Likelihood）对影像进行分类，得出土地利用分类图，再选取一定验证样本，进行混淆矩阵分析，算出三景影像的总体分类精度均在在90%以上，kappa系数也在0.89以上。

2结果与分析

地表温度变化分析：

贵阳市地温反演的结果（图1、图2、图3）表明：2003年9月26日贵阳市大片地区处在中温区和次低温区，次高温区、高温区和低温区只有零星存在，2007年9月21日贵阳市大部地区温度仍处在中温区和次低温区，但是高温区和次高温区较2003年有明显扩大，主要集中在贵阳市中心城区。2011年8月30日贵阳市大部地区处于中温区和次高温区，且较2007年扩大十分显著。低温区、次低温区和高温区只有零星存在。从温度区变化表（表1）可以看出，总体上这8年间，低温区消失殆尽，次低温区剧减，中温区有所增加，次高温区和高温区剧增。将三景地温反演图进行变化矩阵分析，从表2可以看出，2003年到2007年这四年间次低温区转化为中温区面积最大，为250.77 Km2，约占贵阳市面积10%；次之为中温区转化为次高温区，面积为184.56 Km2；中温区也有较大一部分转化为次低温区，面积为175.49 Km2；其他温度区的转化面积较小。从表3可以看出，2007年到2011年这四年间次低温区转化为中温区面积最大，为787.22 Km2，约占贵阳市面积33%；其次为次低温区转化为中温区，面积为540.97 Km2，约占贵阳市面积23%；其他温度区的转化面积较小，基本以低温向高温区域转化为主。

2.1地表温度变化与土地利用类型关系分析

通过土地利用分类图（图4、图5、图6，年份依次对应图1、图2、图3）和温度分级图的对比，可以明显看出贵阳市热岛显著的地区集中在城市建筑密度大的区域，表3中数据表明，贵阳市建筑面积在8年间增长较快，2011年建筑面积为2003年的1.6倍，相应增长地区的温度等级也提升较快，以贵阳市西北部的云岩区和金阳新区最为明显。这表明城市热岛与城市建筑密度有着十分紧密的联系。通过温度反演图和土地利用分类图的比较，还可以直观的发现植被区的温度等级普遍比非植被区要低，且主要集中于低温区和次低温区。耕地区则主要集中在中温区，主要原因在于耕地区植被较为稀疏，太阳直射部分裸露土地，使得这部分地区温度高于植被覆盖度较大的纯植被区。

3结论

相比于其他研究热岛效应的方法，遥感的优势在于数据获取快速，研究范围广阔。利用landsat 7 ETM+影像进行温度反演以及土地利用分类，较为准确的得出了贵阳市热岛变化情况。研究表明：1）2003—2011年8年间，贵阳市低温区基本全部向高等级温度区转移，次低温区剧减，中温区有所增加，次高温区和高温区大幅增加。2）贵阳市植被和耕地的较少以及城市建筑群的增加与热岛变化有着十分密切的关系。

[基金项目]贵州省自然科学基金[黔科合J字（2010）2241]

参考文献

[1]李占杰，鱼京善， 信达.1951年-2010年贵阳市气温变化特征分析[J].南水北调与水利科技， 2011， 9（5）： 31-35.

[2]秦福莹.热红外遥感地表温度反演方法应用与对比分析研究[D].呼和浩特：内蒙古师范大学， 2008.

[3]丁凤，徐涵秋.基于 Landsat TM 的3种地表温度反演算法比较分析[J]. 福建师范大学学报： 自然科学版， 2008 （1）： 91-96.