基于卫星影像的连云港市热岛效应分析*

张博宇，王 晓，杨敬华，周海波，陈佳星

（江苏海洋大学 海洋技术与测绘学院，江苏 连云港222005）

引言

城市热岛效应（Urban Heat Island）是指城市因大量的人工发热、建筑物和道路等高蓄热体及绿地减少等因素，造成城市“高温化”。由于城市建筑群密集、柏油路和水泥路面比郊区的土壤、植被具有更大的吸热率和更小的比热容，使得城市地区升温较快，并向四周和大气中大量辐射，造成了同一时间城区气温普遍高于周围的郊区气温，高温的城区处于低温的郊区包围之中，如同汪洋大海中的岛屿，人们把这种现象称之为城市热岛效应[1-2]。近年来，孟凡超等[3]研究了单次极端温度过程中城市热岛对建筑负荷的影响，梁锦等[4]研究了高反照率屋顶对城市热岛及空调能耗的影响，王东东等[5]研究了近十年南京市区的热岛效应变化，林道光等[6]研究了湖南娄底市区不同时间段热岛效应的变化。胡江波等[7]研究了2009-2018 汉中市区热岛的变化，朱浩等[8]以岳阳为例，研究了长江中游水网地区的城市热岛效应，张泽等[9]基于MODIS 影像研究了呼和浩特市热岛效应和植被覆盖率的关系，沈中健等[10]研究了1996-2017年闽三角城市群区域热岛时空格局演化分析，周义昌等[11]研究了2009-2019年肇庆城市热岛效应变化特征，颜廷凯等[12]进行了基于WRF/UCM数值模拟的严寒地区城市热岛效应研究。

上述文章以地区或城市研究了在城镇化进程中，热岛的变化，以及热岛效应对周围环境的影响，研究的成果对中国城镇化进程的推动和节能减排的提高有着巨大的意义，本文以连云港市区为研究对象，研究了近20年来，连云港市区热岛的变化，并对其成因进行了分析。

1 数据简介

1.1 研究区域简介

连云港，古称“海州”，江苏省地级市。海域6677 平方公里。因面向连岛、背倚云台山，又因海港，得名连云港。位于中国沿海中部，东濒黄海，属温带季风气候，东部与朝鲜、韩国、日本隔海相望，西与徐州市、宿迁市相连，南部与淮安市和盐城市毗邻，北至西北与山东省日照市、临沂市相邻，下辖3个区、3个县，总面积7615 平方公里。2017年常住人口451.84 万人。

连云港位于中国沿海中部，江苏省东北部，处于北纬33°59′～35°07′、东经118°24′～119°48′之间。东濒黄海，与朝鲜、韩国、日本隔海相望，北与山东日照市接壤，西与山东临沂市和江苏徐州市毗邻，南连江苏宿迁市、淮安市和盐城市。东西最大横距约129 千米，南北最大纵距约132 千米。土地总面积7499.9 平方千米，水域面积1759.4 平方千米，市区建成区面积120 平方千米。境内山海齐观，平原、大海、高山齐全，河湖、丘陵、滩涂、湿地、海岛俱备。地势由西北向东南倾斜，形如一只飞向海洋的彩蝶。地貌基本分布为西部岗岭区、中部平原区、东部沿海区和云台山区四大部分。西部丘陵海拔100米～200米。中部平原海拔3米～5米，主要是山前倾斜平原、洪水冲积平原及滨海平原3 类，总面积5409 平方千米。拥有耕地面积3797.9 平方千米。东部沿海主要是约700 平方千米盐田和480 平方千米滩涂。云台山脉属于沂蒙山的余脉，有大小山峰214 座，其中云台山主峰玉女峰海拔624.4米，为江苏省最高峰。连云港有云台山、锦屏山、马陵山、羽山等山脉。连云港有标准海岸线162 千米，21个岛屿，其中东西连岛为江苏第一大岛，面积7.57 平方千米，基岩海岸为江苏省独有。

1.2 数据来源

1984年3月，世界上第一颗光学对地卫星Landsat-5发射。Landsat-5 搭载了两个载荷的成图仪，一个是专题制图仪，另外一个是多光谱成像仪，2013年，Landsat-8发射升空，Landsat-5 也逐渐退出了历史舞台。Landsat-8同样搭载了两个制图仪，分别是OLI 和TIRS。Landsat-5影像有多个波段，并且第六个波段是热红外波段，其感应到的主要的能量来源是地球表面的物体散发出来的热辐射，因此，利用这个波段的数据可以反演地表温度。在最新的Landsat-8 数据中，由于成图仪的更新，原来的获取地表温度的波段也发生了变化，分成了两个通道获取，分别是第10 通道和第11 通道。

1.3 数据介绍

本文涉及的数据包括Landsat-5、Landsat-8，主要利用Landsat-5 的TM6 波段，Landsat-8 的band10 来反演地表温度。选择时相相近，含云量低，影像清晰的图幅于http：//earthexplore.usgs.gov/进行下载，涉及的带号为120_36，所选用的数据如表1。

表1 数据展示

2 实验和评价标准

2.1 实验

首先对数据进行大气校正处理，然后在ENVI 中选择使用Radiometric Correction 计算条带的辐射亮度，随后使用band math 工具计算NDVI，植被覆盖率，地表辐射率，黑体辐射亮度，最后利用公式（1）反演地表温度。

2.2 热岛分级标准

表2 局地热岛强度等级划分标准

热岛强度是对某个城市城郊气温差异的一趋势性的大概的表达，只有地表温度不能具体地看出局部的热岛效应的特征，为得到某一靶向目的地的热岛效应的强度和特征，可以将整个区域的每一个像元的温度值加起来，计算整个区域的温度平均值，将其作为标准代入计算以反映靶向目的地的热岛强度。

其中，IUHILOCAL是靶向目的地的热岛强弱程度，Tskin是靶向目的地的温度，Tmean是整个研究区域的地表温度的平均值。根据ENVI 中的Compute Statistics 得到Tmean，对城市热岛效应的强度按照表2 所示划分标准，分为无、弱、中等、强、极强这五个等级进行划分，利用ENVI 中的Color Slice 工具实现，选择合适的颜色带表示不同强度的热岛，统计各级强度热岛所占面积比例。

3 实验结果

本文选取2000、2002、2013、2016年的卫星影像作为实验素材，利用ENVI 和ArcGIS 等分析工具，对连云港市进行了科学分析，得出连云港市的热岛分布图，实验结果如图1、图2、图3、图4 所示。

图1 连云港2000年热岛效应图

图2 连云港2002年热岛效应图

图3 连云港2013年热岛效应图

图4 连云港2016年热岛效应图

4 结论

4.1 从时间上分析

观察图1 到图4，不难发现，连云港市区的热岛有扩大趋势。在图中可以明显看出，图中部位置的高亮区域增加。对比地图可以发现，增加的区域为连云港海州区。根据公开的资料显示，1992年才成立海州区。2000年以后是中国城镇化进展最快最明显的时候。海州区从2000年到2017年，修建了大量的建筑物，完成了人口的城镇化。但是，很明显可以看出来，城镇化导致了热岛效应。

4.2 从空间上分析

从空间上可以看出来，热岛主要出现城区，港口，以及工业区。

4.3 野外热岛

分析图2、图3，除了城区以外，在野外也出现了大量的高温区域。这种现象的成因如下：

本次实验所选的所有数据，均为夏季数据（即6/7/8月），在夏季田地里面种有大量的小麦、水稻和玉米。大片作物的中心区域，往往较为闷热。所以导致了在野外出现了大量的高温区域。