城市热岛的遥感监测方法及应用

赵剑桥

摘 要 随着城市规模的迅速扩大，城市热岛效应愈发明显。遥感技术提供的大范围地表温度空间变化信息，非常适用于分析不同空间分辨率下的城市热场空间分布特征。城市热岛的遥感监测方法主要有基于温度、基于植被指数、基于热力景观的方法。利用遥感技术监测城市热岛效应，目前比较侧重热岛范围与强度的监测，而对于缓解城市热岛的方法和途径的研究还比较薄弱，应当利用遥感资料与技术对此加强研究。

关键词 城市热岛；地表温度；地面亮温；植被指数；热力景观

中图分类号：X16；X87 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.09.072

城市热岛是指城市中的气温明显高于外围郊区的现象，是城市发展最显著的特征之一[1]。对于城市热岛出现的原因，很多研究者认为与下垫面性质结构、植被覆盖情况、天气、地形、社会经济等密切相关。随着城市化的发展，城市热岛强度及规模日益加剧[2]，城市热岛效应产生的危害很大，热岛中心区域呈上升气流，附近的废气、污染物进入城区加重污染，严重影响居民健康。

一般来说城市热岛研究有两条途径：1）通过固定气象站点的观测数据，对城市中具体站点进行时序观测或对多个城乡站点进行对比观测，分析城乡的地表温度差异；2）利用卫星遥感获取的地表热场分布数据对比分析城乡的地表温度差异。早期城市热岛研究主要运用站点的观测数据，但由于观测站点的分布较为稀疏，有一定的局限性，影响了对于城市热场空间分布特征的客观分析。因此，现在依赖传统定点观测的城市热岛研究越来越少。通过遥感手段获取的观测资料具有覆盖范围广、时间同步性好的特点，其提供的大范围地表温度空间变化信息，非常适用于分析不同空间分辨率下的城市热场空间分布特征。

1 基于温度的监测方法

根据处理温度方法的不同，可分为基于地表温度与基于地面亮温两类方法[3]。

1.1 基于地表温度的监测方法

城市热岛效应与下垫面性质结构关系密切，但由于下垫面的复杂性以及实时探空数据获取的不易，使得地表温度的精确反演存在一定难度，因此这一方法大多是通过简化方法获取大气参数、地表比辐射率等求取地表温度。陈健等基于MODIS和ASTER影像数据，以劈窗算法反演地表温度，利用分类结果和归一化植被指数（NDVI）等，定量分析沧州地区的城市热环境。研究表明，市区为高温中心，建筑物密集地、郊区人类活动频繁地帶温度较高，农村用地和荒地也出现了明显的局部热中心[4]。杨沈斌等基于Landsat TM/ETM+影像的数据，通过反演地表温度计算城市热岛强度，研究北京城市热岛季节特征，结果显示北京城市热岛季节变化特征明显，与总云量季节变化关系显著。夏季出现最大热岛强度，空间分布特征表现为片状发散与零星热岛并存；冬季表现为冷岛特征，其空间分布与夏季热岛一致；春季与秋季的热岛强度最小，不过春季的热岛空间差异较大[5]。

1.2 基于地面亮温的监测方法

地面亮温是传感器在卫星高度上能够观测到的热辐射强度，也称地表辐射温度。在城市区域范围有限的前提下，基于地面亮温的城市热岛研究一般假设研究区的大气条件接近理想，水汽状况近似一致，可以忽略大气对辐射亮温的影响[6]。刘恩勤等利用Landsat7 ETM+遥感数据，利用亮温代替实际地面温度来表征城市热场的方法，通过地物热红外波段辐射值反演研究城市热岛效应，结果显示研究区热岛效应明显，热场分布有明显的规律性[7]。

虽然利用地面亮温数据进行城市热岛研究的成果较多，但地面亮温并不是地表真实温度，实际上两者相差很大，用地面亮温研究城市热岛效应，只能相对表达热岛的分布状况，其结果并不是对城市热岛强度的真实反映，所以基于地面亮温的监测方法存在一定的局限性。

2 基于植被指数的监测方法

植被指数是表征地表植被信息的重要指标，作为反映城市绿地覆盖状况的最重要信息源，广泛应用于对植被覆盖及其活力的评价。其中，NDVI反映对植被比较敏感的近红外和可见光波段反射光谱的信息，较多地应用于植被分布状况研究中。王艳姣等基于植被指数的北京城市热岛变化研究表明，北京夏季郊区NDVI的增加对郊区地表温度的调节作用非常显著[8]。唐曦等在上海城市热岛效应与植被关系的研究中，基于遥感数据对不同下垫面结构的亮温和NDVI进行线性回归比对分析，研究表明植被与下垫面温度的负相关程度夏季较春季高，夏季植被对温度的影响更明显，即夏季植被对降低下垫面温度效果非常显著[9]。边倩倩等基于ETM+遥感影像的城市热岛效应与植被覆盖关系研究表明，研究区温度的分布（中心高、边缘低）与植被覆盖程度（中心低、边缘高）相反[10]。

基于植被指数研究城市热岛也存在一定局限性：1）冬季绿色植被很少的地区，无法保证结果的准确性；2）干旱地区无法适用这个方法；3）对于海拔也有一定要求，如果高程差超过500 m，则研究结果难以符合实际[11]。

3 基于热力景观的监测方法

景观生态学的兴起与发展，使基于热力景观的监测方法成为城市热岛研究的新方法。这种方法应用GIS和遥感技术，从景观生态学角度研究城市热岛，建构城市热岛空间格局与评价体系。

黄聚聪等借鉴景观生态学的方法计算景观指数，利用Landsat ETM+影像数据反演地表温度，使用景观格局指数分析厦门城市热岛的季节变化特征。其所选取的景观指数包括类型面积、斑块数量、平均斑块面积、最大斑块指数、平均邻近指数、面积加权形状指数、连通性指数、聚合度。这些指数从数量特征、形态特征、结构特征三个方面表征厦门城市热岛空间格局特征及季节变化，研究表明：厦门城市热岛在夏季最强，春秋次之，冬季最弱[12]。唐泽等基于Landsat ETM+影像数据，以单窗算法反演长春市夏季地表温度，以线性光谱混合模型获取长春市不透水面盖度和植被覆盖率，构建热力景观动态度指数，分析城市热力景观格局的时空变化特征，研究表明，近10年来，长春市高温区域向郊区扩展，热力景观整体呈现破碎化[13]。

相关研究表明，基于热力景观的监测方法能够比较快捷地获得空间范围内的地温、土地利用类型和植被指数等，但是其在时间连续性上还存在局限性。

4 结语

遥感技术的优势使其成为监测城市热岛效应不可或缺的重要手段，但目前利用遥感技术监测城市热岛比较侧重热岛范围与强度的监测，而对于缓解城市热岛的方法和途径的研究还比较薄弱，建议今后利用遥感资料与技术对此加强研究。

参考文献：

[1] 乔治，田光进.基于MODIS的2001年—2012年北京热岛足迹及容量动态监测[J].遥感学报，2015，19（3）：476-484.

[2] 易佳，田永中，高陽华，等.基于RS的山地城市热岛效应及其与土地覆被变化关系研究——以重庆市主城区为例[J].云南师范大学学报（自然科学版），2008，28（6）：64-69.

[3] 王荣华.京津冀都市圈植被覆盖和城市热岛时空变化特征分析[D].北京：首都师范大学，2008.

[4] 陈健，杨旭媛.基于ASTER数据的城市热环境遥感监测研究[J].国土资源遥感，2011（3）：100-105.

[5] 杨沈斌，赵小艳，申双和，等.基于Landsat TM/ETM+数据的北京城市热岛季节特征研究[J].大气科学学报，2010，33（4）：427-435.

[6] 周甜甜，廉丽姝，纪晓璐.遥感技术在城市热岛研究中的应用进展[J].鲁东大学学报（自然科学版），2016，32（4）：379-384.

[7] 刘恩勤，杨武年，陈宁.基于遥感技术的城市热岛效应研究——以成都地区为例[J].四川地质学报，2009，29（4）：484-487.

[8] 王艳姣，闫峰，张培群，等.基于植被指数和地表反照率影响的北京城市热岛变化[J].环境科学研究，2009，22（2）：215-220.

[9] 唐曦，束炯，乐群.基于遥感的上海城市热岛效应与植被的关系研究[J].华东师范大学学报（自然科学版），2008（1）：100-105.

[10] 边倩倩，梁立恒，马友利.基于ETM+遥感影像的城市热岛效应与植被覆盖关系研究——以长春市为例[J].黑龙江科技信息，2016（32）：165.

[11] 胡华浪，陈云浩，宫阿都.城市热岛的遥感研究进展[J].国土资源遥感，2005（3）：5-9.

[12] 黄聚聪，赵小锋，唐立娜，等.城市热力景观格局季节变化特征分析及其应用[J].生态环境学报，2011，20（2）：304-310.

[13] 唐泽，郑海峰，任志彬，等.城市地表热力景观格局时空演变——以长春市为例[J].生态学报，2017，37（10）：3264-3273.

（责任编辑：刘昀）