热红外遥感在海绵城市热岛效应监测中的应用

王元波（常德市国土资源规划测绘院，湖南　常德　415000）



热红外遥感在海绵城市热岛效应监测中的应用

王元波（常德市国土资源规划测绘院，湖南常德415000）

随着城市化进程的不断加快和城市经济的不断发展，城市环境问题变得越来越严峻，其中热岛效应的增强就是一个非常突出的环境问题。采用热红外遥感技术进行城市热岛效应监测，不仅能够有效的对地面热状况进行调查和了解，还能够全面的对城市热岛形成的原因和分布特点进行研究，提出有效的治理措施，从而对城市生态环境进行保护和改善。本文主要结合笔者多年工作经验，阐述热红外遥感在海绵城市热岛效应监测中的应用。

热红外；遥感；海绵城市；热岛效应；监测

引言

随着社会经济的快速发展，城市规模的不断扩大和人口数量的不断增加，城市热岛效应变得越来越严重，对城市热岛效应的监测越来越受重视。随着科学技术的不断发展和提高，热红外遥感在测量领域越来越受青睐，热红外遥感是利用热红外波段研究地表物质特性的技术手段，通过热红外数据反演出地球表面温度，在城市热岛效应监测领域有很好的应用价值。

1　海绵城市热岛效应内涵

1.1海绵城市

“海绵城市”是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时能够及时渗水、蓄水、净水，然后缓慢的对吸收的水分进行释放，在缓解城市内涝的同时，还能增强土壤保湿性，提升城市生态功能。

1.2城市热岛效应

城市热岛（Urban Heat Island，UHI）是城市生态系统所特有的一种现象，是人类活动对气温影响的最突出特征之一，具体表现为城市中的气温高于外围郊区气温，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。随着城市化进程的不断加快，自然环境的植被逐渐被水泥和沥青面所代替，用于地表潜热蒸发的地表水分减少，城市内部结构的复杂性使得控制地表热通量的主要因子（如：反照率、热容、热岛等）发生改变。同时，以高能耗为典型代表的生活方式的出现，使得人为热能、温室气体等日益增多，从而改变了近地面热交换和热辐射，引发城市及周边小气候发生变化，导致城市局地气温与郊区气温的差异，即形成热岛效应。

在夏季，城市局部气温会比郊区气温高出5℃以上。随着夏季高温天气持续时间的增长，高温日的出现越来越频繁，城市热岛效应越来越受到广泛的关注，对城市热岛效应的研究也已经成为当今气候、生态和环境问题中的热点。研究热岛效应的成因、空间分布与动态频率变化，并探讨其缓解对策是构建宜居、绿色、安全的人居环境，走城市可持续发展，协调人-地-气系统平衡、良性循环的重要保证。

图1为利用气象卫星2006年9月21日13时21分 （北京时）资料处理生成的北京地区城市热岛监测图。图中反映出，与郊区县（区）相比，北京市城区的温度明显高于周边郊区，且高温区的分布呈辐射状向北部、东北部、南部、西南部等周边延伸。城区温度与郊区相比，城区中心区域比西部和南部城郊温度高出6～8℃，标志着这些地区热岛效应十分明显。

城市热岛效应的重要特征是城区气温明显高于郊区。引起城市热岛效应的原因是多方面的，如城市人口密集，建筑密布，各种电器及机械设备不停地散发出大量的热能，高楼大厦林立形成人工峭壁，使城市中的空气流通受阻，导致热量不断积累，形成特有的城市环境，使气温和污染明显高于郊区。城市热岛现象是反映城市环境质量的重要指标。城区地表温度（包括建筑物、公路、广场、绿地等）与周围郊区地表温度的差异是衡量城市热岛程度的重要因子。地表白天接受太阳短波辐射增温后，将通过红外波段放射辐射能。利用远红外窗区通道（10.3～12.5μm）探测地表发射的辐射能，可反算地表温度，获取反映城市热岛现象的城区与郊区地表温度差异。

图1　北京地区城市热岛监测图

2　热红外遥感技术特点

2.1内涵

自然界任何温度高于热力学温度（0K或-273℃）的物体都会不断地向外发射电磁波。热红外遥感即通过热红外探测器收集地物辐射出来的人眼看不到的热红外辐射通量，经过能量转换而变成人眼能看到的图像。热红外遥感技术的发展是为了获取地物的热状况信息，从而推断地物的特征及环境相互作用的过程，为科学研究和生产提供应用。简而言之，热红外遥感可用来推测地表瞬时温度。

2.2热红外遥感的特点

由于被遥感的物体在任何时间都在不断地向外辐射热红外线，热红外遥感可以全天候进行热红外数据采集，受外界因素干扰较少。热红外遥感比可见光、近红外、短波红外遥感复杂，主要原因在于：

（1）地物从热辐射的吸收到标志地物热特性的温度的升高，有一个热储存和热释放过程，这与地物本身的热性质和环境条件有关；

（2）改变地物热状况的热源，不仅是热辐射，而且还有显热输送和潜热输送问题，这涉及到微气象参数、土壤物理参数、植被生化参数；

（3）热红外遥感空间分辩率比较低，混合像元问题也是一个难点；

（4）另外还有定标上的困难以及怎样将测量值校正到目标真实物理量值的问题；

（5）对复杂地形，如植被（包括森林）、斜地形、水体、裸土和城市景观的混合系统进行精确评价有困难；

（6）受云层影像很大，现阶段技术仍无法消除云层对数据质量的影像。

3　热红外遥感在海绵城市热岛效应监测中的应用

3.1热红外遥感在海绵城市热岛效应监测中的应用优势

快速城市化进程改变了地表下垫面的物理属性。原本是土壤、草地和水体等比热大的自然表面被钢筋混凝土、沥青等比热小的地表代替，这不仅改变了反射面、吸收面的性质，还改变了近地面层的热交换和地面的粗糙度，使大气的物理状况受到影响。热岛效应容易产生酸雨，破坏城市及周边地区的生态环境。传实地观测法的点位密度低，数据同步性和空间代表性差，要想细致全面的研究城市热岛的平面分布、内部结构特征尚有一定困难。遥感监测时相多、范围广、能长期连续观测，不受气候影响，可以进行大面积地表温度测定，且通过遥感手段获取的观测资料时间同步性好。随着当前高分辨率卫星热红外遥感技术的发展完善，它在城市热岛研究中发挥着越来越重要的作用。

3.2案例分析

在城市热岛效应监测中运用热红外遥感监测技术可以通过三色显示出城区的温差，图2为重庆市热红外遥感图。

图2是热红外卫星拍摄的重庆某夏季的一天。经过后期的数据处理分析，得出了各个片区不同的温度值，用颜色进行了区分。气温超过33℃，能测到的热红外波段就进入了红色区；温度降至27℃及以下，就会进入蓝色区。热红外遥感图片上显示，中梁山、铜锣山整条山脉都呈蓝色，枇杷山、佛图关、鹅岭公园等，也明显比其他区域偏蓝，比较凉爽，市民可以选择在此休闲、纳凉。环绕主城的长江、嘉陵江以及湖泊等，由于受水汽蒸发影像，测出的热红外线最弱，颜色呈现出深蓝色。“两江”成了主城区温度最低的地方，显示为21.9℃。主城一些旧城区，街道较窄车辆较少，加之绿化比较多，所以气温不是很高。如渝中区下半城、洪崖洞沿线等；南岸科普中心沿线至铜元局一带，因为背靠南山、长江环绕，遥感图上多处“飘蓝”，温度也不高。车辆拥堵的高架桥和城市道路、以车间厂房为主的工业区、人口密集的商业区及居住区、发电厂、机场、火车站，以及新兴开发区域，产生了大量热量，是引起城市“热岛”效应的主要原因。随着该市新城建设脚步的不断加快，“热岛”的中心逐渐移出主城核心区。“飘红”的重点分布区域，主要是建设力度较大、但绿化未跟上的新区，以及工业比较密集的区域，如汽车厂、电机厂等工业园区。

图2　热红外遥感图

3.3城市热岛效应治理对策

综上所述，我们可以知道导致城市热岛效应的主要原因来自于城市建设和工业发展，为了缓解城市热岛效应现象，可以增加绿化、规划城市通风口。城市绿化对减低城市“热岛”强度，改善城市气候条件有很大作用。绿化率太低，会造成城市的受热面增加，除了在地表种植乔木之外，还可以增加“垂直”绿化，将墙体、屋顶区域种植植被进行绿化，增加城市绿化总量，减少热岛效应。在城市规划建设过程中，还可通过适当分散高层建筑物、建设城市“通风口”及“通风带”，将部分淤积于市内的热量带出城去，从而缓解城市热岛效应。

4　结语

近年来，在全球增温和高速城市化进程的背景下，世界范围内的热岛效应越来越明显，我国许多城市出现了高强度的城市热岛效应。城市热环境及其热效应已成为当前城市气候与环境研究中，最为重要的研究内容之一。热红外遥感能够通过获取城市地表热辐射状况，捕捉城市下垫面热岛强度的大小和空间分布，进而推测出城市气温热岛强度的大小和空间分布，为热岛成因分析和治理提供依据，研究城市热岛效应主要目的和重要手段。目前，国内很多城市都开展了城市热岛效应监测，在不断为城市规划建设和环境治理提供决策依据。

［1］冯 欣.城市扩展及热岛效应的动态监测与研究［D］.东北林业大学，2007（08）：56～57.

［2］邱 建，贾刘强，王 勇.基于遥感的青岛市热岛与绿地的空间相关性［J］.西南交通大学学报，2008，43（4）：427～433.

［3］宋 轩，段金龙，杜丽平.城市热岛效应研究概况［J］.气象与环境科学，2009（03）：54～56.

王元波（1982-），男，工程师，本科，主要从事测绘、地理信息工作。

X87

A

2095-2066（2016）13-0082-02

2016-4-11