乌鲁木齐市热岛效应与景观格局研究

马术

摘 要：利用1990年、1998年、2006年和2014年的Landsat影像，采用大气校正法反演乌鲁木齐市地表温度，分析了地表温度、蔓延度指数、均匀度指数和多样性指数等景观格局指数的变化特征。结果表明：不同地表覆盖类型的地表温度有所差异，冷岛效应反作用于热岛效应;由蔓延度指数、均匀度指数和多样性指数可以得出4个年份温度景观的破碎化程度、复杂化程度和分布格局变化情况。

关键词：大气校正法;景观格局;热岛;乌鲁木齐市

Abstract：Landsat images in 1990，1998，2006 and 2014 were used to retrieve the surface temperature of Urumqi by atmospheric correction method.The change characteristics of landscape pattern index such as surface temperature，spreading degree index，evenness index and diversity index were analyzed.The results show that the cold island effect reacts on the heat island effect when the surface temperature is different for different types of land cover.According to the spread index，uniformity index and diversity index，the fragmentation degree，complexity degree and distribution pattern change of the temperature landscape in the four years.

Key words：Atmospheric correction method;Landscape pattern;Heat island effect;Urumqi

1 引言

景观格局的变化会对生态平衡造成影响，城市景观格局影响着城市环境。目前，可以通过遥感手段研究城市景观格局，景观格局指数是指标之一。通过景观格局指数，可以更直接地了解景观格局的分布情况以及特点，为更好地研究与热岛效应之间的关系提供可靠、科学的数据。本文研究了乌鲁木齐市地表温度及冷岛效应的时空格局，以期为该区域生态环境保护和可持续发展提供依据。

2 研究区概况

乌鲁木齐是新疆首府，位于天山北部和准噶尔盆地南缘，位于86°37′E～88°58′E，42°45′N～44°08′N。属中温带干旱气候，年平均降水量194mm，春、秋季短，冬、夏季较长，季节分布不均，热量和湿度变化剧烈，昼夜温差较大，逆温层出现在冬季。最温暖的7月平均气溫为25.7℃，1月份最冷，平均气温为-15.2℃，年平均气温7.2℃，年平均日照时数2645.3h。由于乌鲁木齐位于42°45′N～44°08′N，夏天太阳较高，地处内陆，远离海洋，再加上城市热岛效应的影响，天气炎热，极端温度达到47.8℃。

3 材料与方法

3.1 数据处理 遥感数据分别为1990年、1998年和2006年的Landsat5数据，以及2014年的Landsat8数据，并结合乌鲁木齐市气象局监测站实测的乌鲁木齐市1990—2014年气温数据，相关的统计年鉴，乌鲁木齐市行政矢量图等其他资料[1]。

3.1.1 几何校正 本研究执行几何校正处理，使用图像到图像配准方法。

3.1.2 辐射定标 防止辐射畸变的影响，准确反映地物信息，减少误差。

3.1.3 大气校正 减少或消除传感器接收太阳辐射时的干扰。

3.1.4 图像融合 在ENVI中使用Image Sharpening-Gam-Schmidt Pan Sharpening工具进行图像融合，先选择低分辨率的多光谱影像（MultiSpectral），后选择高分辨率的全色影像（Panchromatic）。

3.1.5 图像拼接 在ENVI中，将完成预处理的影像使用Mosaicking-Seamless Mosaic工具进行拼接。

3.1.6 图像裁剪 取得规范的乌鲁木齐市边界图，获取准确的裁剪图。裁剪后乌鲁木齐市影像如图1所示。

3.2 研究方法

3.2.1 大气校正法 去除大气对地表热辐射产生的误差，把热辐射强度转换为相应的地表温度。计算公式如下：

式中，透过率[τ]，大气向上辐射亮度[L↑]和大气向下辐射亮度[L↓]，这3个参数可以在NASA官方网站中信息获得。乌鲁木齐市图像的成像时间为2016年7月28日04：50、图像的中心纬度为86.6833E、43.7667N，气压为800hPa，相对湿度为39%，得到的大气参数透过率[τ]为0.7，大气向上辐射亮度[L↑]为1.29，大气向下辐射亮度[L↓]为0.75。[Ts]用普朗克公式获得[4]：

3.2.2 热岛强度指数 计算公式如式下：

式中，[TR]表示某点热岛强度指数，[Ti]代表某点地表真实温度（单位：℃），[Ta]表示该区域的平均地表真实温度（单位：℃）。

3.2.3 热岛分级 根据式（4）反演的热岛强度指数将其分为5个等级，分别为冷岛、低热岛、中等热岛、强热岛和极强热岛。等级划分如表1所示。

3.2.4 景观格局指数 景观格局指数如表2所示。

4 结果与分析

4.1 乌鲁木齐市地表温度分布特征 利用大气校正法，最终反演出乌鲁木齐市1990年、1998年、2006年、2014年4期地表温度，如图2所示。

4.2 热岛强度 根据研究区的热岛强度指数，分级后的热岛分级如图3所示。

利用ENVI统计工具将4期热岛分级图进行变化检测，可以得到每个热岛区的转化面积分布，其结果如表3所示。从表3可以看出，1990年的强冷岛区、低热岛区、中等热岛区、强热岛区、极强热岛区的百分比分别为63.00、10.00、5.80、20.10、1.10，热岛效应不明显;但到了1998年，热岛效应逐渐增强，5个热岛分级分别为25.71、7.31、2.37、60.10、4.51，强热岛区面积比例扩大很多，这体现了市城市化进程加快;到2006年，5个等级所占百分比分别为17.70、11.70、7.39、62.21、1.00，热岛进一步加强，且热岛等级呈现两极分化的趋势，即冷岛和强热岛所占百分比增大，中间区域的比例减小，这也说明了热岛效应的加重。从图2和图3可以看出，冷岛抑制热岛。

4.3 景观分布格局 1990年的CONTAG较高、SHEI较高、SHDI最高，故1990年破碎化程度较高，各斑块复杂程度高且分布较均匀，说明1990年的分布格局最复杂，各土地类型分布差异大，土地分类明显;1998年CONTAG较高、SHEI和SHDI较低，说明破碎化程度较高，各温度斑块复杂程度低且分布较分散;2006年CONTAG最低、SHEI最高、SHDI最低，说明2006年的破碎化程度最低，各温度斑块复杂程度最低且分布较均衡;2014年CONTAG最高、SHEI最低、SHDI较高，说明2014年破碎化程度最高，各温度斑块复杂程度较高且分布分散[5-6]。

5 结论

采用大气校正法反演研究区的地表温度，基于Landsat5和Landsat8数据验证了LST反演精度。在此基础上，对研究区地表温度和景观类型指数的时空格局进行了分析，主要结论如下：

（1）不同地表覆盖类型的地表温度不同，1990—2014年热岛效应进一步增强，冷岛抑制热导。

（2）2006年SHEI达到最大，表明2006年各温度斑块的均匀程度比1990、1998和2014年高，主要因为特高温区的斑块面积增加，各温度斑块分布较均匀。

参考文献

[1]王中正.基于遥感影像的城市热岛效应研究及系统的设计[D].海口：海南大学，2018.

[2]吴志刚，江滔，樊艳磊，等.基于Landsat8数据的地表温度反演及分析研究——以武汉市为例[J].工程地球物理学报，2016，13（01）：135-142.

[3]郑明亮.结合TsHARP模型和STITFM算法的时空自适应地表温度影像融合研究[D].长春：东北师范大学，2016.

[4]李瑞清.丝绸之路遥感和古地图重现及其地理特征分析[D].赣州：江西理工大学，2019.

[5]杨丽萍，潘雪萍，刘晶，等.基于Landsat影像的額济纳绿洲地表温度及冷岛效应时空格局研究[J].干旱区资源与环境，2019，33（02）：116-121.

[6]陈雅君，黎勤生，陈辉煌，等.基于Landsat 8影像的福州市地温与土地利用及植被关系研究[J].亚热带资源与环境学报，2016，11（04）：78-84，92.

（责编：张宏民）