基于Landsat TM影像的长株潭城市群热岛效应研究
2023-01-11曹雪佳李志华
陈 利， 曹雪佳， 李志华
(1.湖南省农林工业勘察设计研究总院， 湖南 长沙 410007； 2.中南林业科技大学林业遥感大数据与生态安全湖南省重点实验室， 湖南 长沙 410004)
城市化的快速发展，一方面极大地促进了当地的社会经济发展，另一方面也带来了大量与生态环境密切相关的问题，其中以植被变化和城市热岛效应最为突出。随着城市化进程的加快，城市的热岛效应不仅影响着城市生态环境，也有逐渐地由城市向农村扩展的趋势。地表温度对地球表面与大气的能量交换起着至关重要的作用，也是地表与大气之间能量交换的重要影响因子，综合了地气之间相互作用过程中物质与能量交换的结果，是区域与全球尺度地表过程分析和模拟的关键参数[1]。利用热红外遥感反演地表温度的区域分布在气候变化、植被生态、环境监测和城市热岛等研究领域都有着重要的应用价值，而热红外遥感在地表温度反演方面发挥着重要作用[2]。李柏延等[3]对西安市城市热岛强度进行了定量化研究，得出了西安市城市地表温度。肖林等[4]利用遥感技术对青藏高原的地表温度反演和当地气温以及环境变化等关系进行了研究，为区域可持续发展及气候变化研究提供了重要的参考依据。罗红霞等[5]对三峡腹地的水库地表面温度进行遥感反演，反演出了研究区域的地表温度。长株潭城市群作为现代化生态型的城市群，在2007 年 12 月已成为国家 “两型社会”建设综合改革配套试验区[6-7]，城市化进程的加快将直接影响着该城市群的空间格局[8-11]。本研究利用1997年、2007年和2017年Landsat TM卫星影像数据，通过对地表温度和植被覆盖信息的定量遥感反演，探究长株潭城市群区域热场与植被覆盖的空间变化特点及变化趋势，可为长株潭城市群快速发展提供参考。
1 研究区概况
长株潭城市群位于湖南省中东部，处于泛珠三角经济区、长江经济带、京广经济带的结合部，为长江中游城市群的重要组成部分，主要包括长沙、株洲、湘潭3个城市。该3个城市沿湘江呈“品”字形分布，两两间相距不足40 km，结构紧凑。长株潭城市群为亚热带季风气候区，其地理坐标为111°58′38″—114°13′20″E，26°18′19″—28°41′72″N，境内东西方向长约230 km，南北方向宽约290 km，国土总面积约2.8万km2[12-14]。
2 数据来源与研究方法
2.1 数据来源
主要数据来源于地理空间数据云网站下载的1997年、2007年、2017年3期长沙、株洲、湘潭3个城市的Landsat TM遥感影像。植被在相同的季节具有相似的生长状态，为使研究结果具有可比性，选择每期获取时间相差不大的影像。
2.2 研究方法
2.2.1 图像预处理 由于遥感本身受空间、时间、光谱分辨率以及感测系统等的影响，在数据采集过程中难免会有一些系统误差，从而会使数据质量降低[15-16]。为减少遥感影像数据的误差对研究结果产生的影响，本研究利用辐射校正等消除遥感影像数据中的各种失真过程，以减少不同时期的影像因地形、光照和大气等不同造成的影响[17-18]。本研究中的遥感图像主要用于长株潭城市群的地表温度反演、植被覆盖率估算等工作，因此，对3期遥感影像进行了辐射定标、FLAASH大气校正、图像增强、图像裁剪等数据预处理，得到研究区3期遥感影像。经过预处理后的图像如图1所示。
2.2.2 地表温度反演 地表温度是地球环境分析的重要指标，而遥感技术则是现代重要的对地表观测手段，因此，基于遥感图像的地表温度反演的研究越来越多。主要的地表温度反演方法有大气校正法、单窗算法、单通道法、辐射传输方程法等。单窗算法和单通道法虽然不需要同步大气廊线数据，但反演精度高于传统的大气校正法；单窗算法的地表温度反演精度比单通道法的略高；辐射传输方程法的地表温度反演精度要略高于大气校正法、单窗算法、单通道法等的。因此，本研究以辐射传输方程法对地表温度进行反演[19-22]。其辐射传输方程如下。
1997年
2007年
2017年
Lλ=[ε·B(TS)+(1-ε)L↓]·τ+L↑
(1)
B(TS)=[Lλ-L↑-τ·(1-ε)L↓]/τ·ε
(2)
当获取温度为TS的黑体在热红外波段的辐射亮度时，根据普朗克公式的反函数，求得地表真实温度TS。
TS=K2/ln(K1/B(TS)+1)
(3)
式中：(1)～(3)Lλ为热红外辐射亮度；ε为地表辐射率；B(Ts) 为黑体的热辐射亮度：Ts为大气温度；L↓为大气上行辐射亮度；τ为大气透过率；L↑为大气下行辐射亮度；K1、K2均为定标系数，其中K2=1260.56K，K1=607.76 W·m-2sr-1μm-1。τ、K1、K2等大气参数从NASA 官网中查询获得。
3 结果与分析
3.1 绝对亮温变化
1997年、2007年和2017年长株潭城市群市域范围内绝对亮温空间分布见图2。从图2可以看出：绝对亮温主要的空间变化出现在长沙、株洲、湘潭3个城市的各个城镇聚集区以及城乡结合部；高温区主要分布在各市、县城区，特别是长沙、株洲、湘潭3个城市的中心城区；低温区主要集中在森林覆盖率比较高的山丘。从数值的变化来看，在1997年、2007年、2017年等3个时间点上，市域热场总体呈现先降温后升温的变化趋势。1997年与2007年相比，从温度极值来看，有升有降，其中最高温度从30.09 ℃降到22.94 ℃，降幅达7.15℃；最低温度则从13.46 ℃降低到12.02 ℃，降幅为1.44 ℃。2017年与2007年相比，热场的空间分布格局相差不大，极端高温升幅为6.13 ℃；极端低温略有升高，升幅为3.43 ℃。
1997年
2007年
3.2 地表相对亮温变化
从图3、表1可以看出：在1997—2017年的20年间，长株潭城市群的地表相对亮温总体呈现绿岛面积增加和弱热岛、极强热岛面积减少，以及中等热岛面积先增加后减少、强热岛面积先减少后增加的变化趋势。主要的空间变化出现在长沙、株洲、湘潭3个城市各市、县的城区以及城乡结合部，强热岛、极强热岛主要分布在长沙、株洲、湘潭3个城市各市、县城区，绿岛、弱热岛主要集中在森林覆盖率比较高的山丘。
表1 长株潭城市群域相对亮温统计表
1997年、2007年、2017年长株潭城市群的绿岛面积分别为1131241.49、1263477.76、1740149.12hm2，分别占长株潭城市群总面积的40.26%、44.96%、61.92%；1997—2007年、2007—2017年绿岛面积分别增加132236.27、476671.36hm2。
1997年、2007年、2017年长株潭城市群的弱热岛面积分别为993915.44、721987.99、592674.59hm2，分别占长株潭城市群总面积的5.37%、25.69%、21.09%；1997—2007年、2007—2017年弱热岛面积分别减少271927.45、129313.4hm2。2017年绿岛和弱热岛面积共占长株潭城市群总面积的83.01%。
1997年
2007年
2017年
1997年、2007年、2017年长株潭城市群的中等热岛面积分别为278661.41、565015.84、223890.05hm2，分别占长株潭城市群总面积的9.92%、20.11%、7.97%；1997—2007年中等热岛面积增加286354.43hm2，2007—2017年中等热岛面积减少341125.79hm2。中等热岛面积增、减的幅度均较大，增幅达10.19%，减幅达12.14%。
强热岛、极强热岛面积占长株潭城市群总面积的比例均不大，1997年、2007年、2017年两者分别共占14.45%、9.24%、9.01%，强热岛面积和极强热岛面积的减幅和增幅均不大。
从2017年热场空间分布来看，强热岛和极强热岛主要集中分布于长沙、株洲、湘潭3个城市的中心城区以及长沙县、浏阳市等。从地表温度变化情况来看，1997—2017年呈现先降低后升高的变化趋势，但总体上呈现下降的变化趋势，其中长沙、株洲、湘潭3个城市中心城区的热场呈现增强的趋势。
4 结论与讨论
(1)从绝对亮温的空间变化来看，1997年、2007年和2017年长株潭城市群绝对亮温的主要空间变化出现在长沙、株洲、湘潭3个城市的各个城镇聚集区以及城乡结合部，高温区主要分布在各市、县城区，特别是长沙、株洲、湘潭3个城市的中心城区，低温区主要集中在森林覆盖率比较高的山丘。
(2)从相对亮温的空间变化来看，在1997—2017年的20年间，长株潭城市群的地表相对亮温变化主要出现在长沙、株洲、湘潭3个城市的各市、县城区以及城乡结合部。强热岛、极强热岛主要分布在长沙、株洲、湘潭3个城市各市、县城区，绿岛、弱热岛主要集中在森林覆盖率比较高的山丘；强热岛、极强热岛的面积占长株潭城市群总面积的比例均不大，强热岛面积呈现先减少后增加的变化趋势，极强热岛面积一直呈减少的变化趋势，减幅和增幅均不大。
(3)从热场空间分布来看，长株潭城市群的强热岛和极强热岛主要集中分布于长沙、株洲、湘潭3个城市中心城区以及长沙县、浏阳市等，出现了长沙、株洲、湘潭3个城市中心城区热场增强的变化态势。
(4)从热场时间分布来看，1997—2017年长株潭城市群的绝对亮温呈现先降后升的变化趋势，但是总体上呈现下降的变化趋势；虽然总体上长株潭城市群的强热岛和极强热岛都是降温的趋势，但是值得注意的是，2007—2017年危害较大的强热岛有升温的趋势。
