内江市城市热岛效应时空演变特征遥感分析

薛万蓉，王 静，但尚铭，何政伟，仇文侠

(1.四川建筑职业技术学院.测量工程研究所，四川德阳 618000;2.四川省气候中心，四川成都 610071;3.成都理工大学，四川成都 610059;4.巴中市天然林保护工程管理中心，四川巴中 636000)

1 引言

城市热岛效应(Urban heat island effects，UHIEs或UHI)是指城市区域温度高于郊区温度的自然现象。随着城市化进程的加快和人们对生存环境各要素提出了更高要求，城市热岛效应已经引起社会民众、科技领域和各国政府的广泛关注。大量的热量产生于城市中能源消耗和反射太阳辐射的建筑物，同时人类活动产生大量热量，这些热量是导致UHI的主因。

近年，城市热岛效应研究已成为城市生态环境领域研究的热点问题。根据基础数据的来源和研究方式划分，UHI的研究方法有气象资料法、布点观测法、数值模拟法和遥感法4类［1］。4种方法中，前3类方法基本上是离散点或纯概念的研究，很难真实、有效地扩展到面上，因而对于研究UHI的平面布局和内部结构等存在着很大局限性，难以对UHI做较深入的研究。卫星遥感具有观测范围大、时相多、速度快、动态性好、成本低、空间密度大等优点，可以弥补地面观测的不足，能够较详细地反映出UHI的结构。本研究利用内江市Landsat TM/ETM+影像提取城市范围信息和反演亮温，进而分析热岛效应的动态演变特征。研究成果将为内江市的城市规划、生态环境保护和治理等提供客观依据和决策支持。

2 研究区概况

内江市位于四川省东南部，沱江下游中段。地跨 29°11'～ 30°2'N，104°16'～ 105°26'E，东西长121.5 km，南北宽94.7 km。东邻重庆，南界泸州，西接自贡，西北连眉山市，北与资阳市相邻。2010年，全市幅员面积5 386 km2，森林覆盖率29.25%。

内江市辖2区3县，即市中区、东兴区、威远县、资中县、隆昌县。2010年末总人口425.53万。

内江市是四川省第2大交通枢纽，交通四通八达。成泸铁路、内六铁路、厦蓉高速、内昆高速、内遂高速、321国道、206省道纵贯南北，41条县道相互连接，132条乡道相互交错，现有10条内河航道，通航里程416 km。沱江自西(资中县顺河场镇)入境，自南(市中区沱江乡)出境，在泸州汇入长江。

内江市属典型川中丘陵区地貌，海拔300 m～500 m。受盆地和本地自然环境的影响，具有气候温和、降雨量丰富、光热充足、无霜期长的特点。平均气温15℃ ～28℃，1月均温6℃ ～8℃，7月均温26℃～28℃，最高气温可达41℃，最低气温 -5.4℃，活动积温5 598℃左右。图1为内江市地理区位图。

3 数据预处理

3.1 遥感数据源

研究使用1988年6月23日、2007年5月6日的Landsat TM影像和2000年5月10日的Landsat ETM+影像，卫星轨道号为129/039。影像格式为Geotiff，UTM投影，3期影像地理坐标一致。3期遥感影像基本同期，影像质量良好。

3.2 城市建成区信息提取

研究城市热岛效应，首先需要获取城市范围信息。由于各种原因，很难收集到各个城市在不同历史时期的城市地图。而遥感存档数据客观记录了影像成像时刻的城市地表信息，因此可根据遥感数据提取不同城市在不同历史时期的城市范围。

目前，基于遥感影像提取城市建成区主要采用归一化建筑指数法(Normalized Difference Building Index，NDBI)［2］，并结合人工目视解译调整进行。NDBI定义为:

根据式(1)，理论上只要NDBI取值大于0的像元可归为建成区，NDBI值小于0的像元归为非建成区，但是这样易造成误提或漏提，还需要结合真彩色、假彩色影像上的城市信息特征，进行NDBI阀值调整;同时，为了提高城市建成区信息提取精度，在计算机自动提取的基础上，还要人工调整和完善。图2为内江市3个时期的城市范围信息提取结果。

图2 研究区范围及不同时期城市建成区信息

3.3 温度反演

热红外遥感热探测到的是城市下垫面地物的辐射温度，这种辐射温度是将地物视为黑体，未经大气校正，以像元为单位的平均地面辐射温度，称黑体亮度温度，简称“亮温”。用这种辐射温度表征城市温度场称之为“城市亮温热场”［3］。由于城市区域范围有限，可认为区域水汽状况基本一致，因而可直接用亮温表征城市热场［4］。

计算TM/ETM+热红外波段的辐射亮温，首先需要对热红外波段进行辐射定标，即利用定标系数将其灰度值(Digital Number，DN)转换为对应的热辐射强度值(Radiance)。

采用下式对Landsat7 ETM+热红外波段辐射定标［5］:

式中，Lλ为辐射强度值，单位为W·m-2·ster-1·μm-1;DN为影像灰度值;gain和bias为增益和偏移，在影像头文件中获取。

采用下式对TM热红外波段辐射定标［6］:

式中，Lλ的单位 mW·cm-2·ster-1·μm-1。

将辐射强度转换为像元亮度温度的公式为［5，6］:

Ts为辐射亮温，单位:℃;Lλ为辐射强度值;k1、k2为订正系数，对于 ETM+热红外波段，K1为666.093 W·m-2·ster-1·μm-1，K2为1 282.708 k;对于TM热红外波段，K1为60.766 mW·cm-2·ster-1·μm-1，K2为1 260.56k。

图3～图5是矩形研究区范围内3个时相亮温反演结果。

图3 研究区1988年6月23日亮温图

3.4 温度分级

图4 研究区2000年5月10日亮温图

图5 研究区2007年5月6日亮温图

均值-标准差法是一种对温度进行分级的有效方法［7］。标准差反映温度相对于平均温度的偏离程度，均值与标准差组合能反映不同地物温度差异。该方法利用区域内地表温度平均值和不同标准差倍数组合，进行温度的等级划分。本研究将温度分为高温区、次高温区、中温区、次低温区和低温区5个等级。依据表1的划分标准，对图3～图5进行亮温等级划分，并分别用3个时相的城市建成区范围进行裁减，得到内江市区3个时相的亮温分级图(图6～图8)。表中μ为图像像元亮温平均值，std为亮温标准差，Ts为图像像元亮温值。

表1 均值-标准差法划分亮温等级的标准

4 热岛效应时空特征变化分析

4.1 不同温度等级空间变化分析

图6～图8形象展示了1988年、2000年和2007年内江市区不同温度等级的空间变化特征。

内江市建成区分为市中区和东兴区两个片区。1988年内江市高温区成片出现，大部分分布在市中区，呈环状，内有中温区和次低温区分布;东兴区也有一小部分成片出现高温区，靠沱江分布。到2000年，高温区随建成区的扩展而向外扩展，仍然呈片分布，市中区低温与次低温区几乎消失，中温区面积也明显减少;东兴区高温区几乎分布于整个区，其它等级温度夹杂其中分布。再到2007年，建成区继续扩展，热岛区外移，高温区和次高温区大多分布在建成区的外圈，中心区主要为中温区和次高温区，低温区零星分布。

图6 内江市区1988年6月23日亮温等级图

图7 内江市区2000年5月10日亮温等级图

图8 内江市区2007年5月6日亮温等级图

上述内江市不同温度等级分区空间变化特征，与内江市的城市扩展引起的景观格局变化趋势一致。反映出城市扩展及景观格局变化是城市热岛效应演变的驱动力。

4.2 热岛面积变化定量分析

在ArcGIS软件中对图6～图8进行定量统计，得到1988、2000年和2007年不等温度等级所占面积及其比例(表2)。

表2 内江市区3个时相温度等级面积-比例统计表

通常，将温度等级分为5级时，认为高温区和次高温区能代表城市热岛范围［8］。由表2可知，1988年内江市区热岛面积为411.5 hm2，占建成区面积的64.28%;2000年热岛面积为811.3 hm2，占建成区面积的80.94%;2007年热岛面积为717.8 hm2，占建成区面积的46.90%。从1988年～2000年，内江市热岛面积百分比增大了16.66%，热岛效应呈增强趋势;2000年～2007年，热岛面积所占百分比减少34.04%。由此可知，1988年～2000年～2007年间，内江市热岛效应呈先增强再减弱的趋势。

4.3 1988年～2000年热岛效应演变定量分析

1988年～2000年间，随着城市化进程加剧，城市范围不断扩张。从空间上来讲，分析内江市1988年～2000年的热岛效应变化从两部分入手，第1部分是1988年和2000年都是城市范围的区域，即老城区，第2部分是1988年还不是城市范围，到2000年已经变成了城市的那部分，即1988年～2000年间的城市扩展区。

(1)1988年老城区热岛效应演变分析

用1988年建成区范围裁剪2000年亮温等级图，再减去1988年亮温等级图，得到1988年～2000年间老城区亮温等级变化图(图9)。

图9 1988年老城区亮温等级变化图

对图9进行统计，得到亮温等级变化转移矩阵，见表3。

表3 1988年老城区亮温等级转移矩阵 (单位:hm2)

结合图9和表3综合分析，1988年～2000年间，内江市老城区亮温等级无变化区面积最大，为354.51 hm2，占总面积的55.38%;亮温等级升高区次之，面积为222.39 hm2，占34.74%;亮温等级降低区面积最小，为63.27 hm2，占9.88%。

(2)2000年城市扩展区热岛效应变化分析

用2000年建成区范围掩膜1988年建成区范围，得到内江市1988年～2000年城市扩展区。再用城市扩展区范围分别掩膜研究区2000年、1988年亮温分级图，两者再做差值运算，得到内江市1988年～2000年城市扩展区亮温等级变化图(图10)。

图10 2000年城市扩展区亮温等级变化图

对图10进行统计，得到亮温等级变化转移矩阵，见表4。

表4 2000年城市扩展区亮温等级转移矩阵(单位:hm2)

从表4可以看出，1988年～2000年，内江市城市扩展区亮温等级升高区占绝对优势，面积为249.93 hm2，占城市扩展区总面积的68.94%;其次为亮温等级无变化区，面积为 88.38 hm2，占24.38%;亮温等级降低区面积最小，为24.21 hm2，占6.68%。

4.4 2000年～2007年热岛效应演变定量分析

(1)2000年老城区热岛效应演变分析

用2000年城区范围裁剪2007年亮温等级图，减去2000年亮温等级图，得到2000年老城区亮温等级变化图(图11)。

图11 2000年老城区亮温等级变化图

对图11进行统计，得到温度等级变化转移矩阵，见表5。

表5 2000年老城区亮温等级转移矩阵 (单位:hm2)

结合图11和表5综合分析，2000年～2007年间，内江市2000年老城区亮温等级降低区面积最大，为740.97 hm2，占老城区面积的73.92%;亮温等级无变化区次之，为223.65 hm2，占22.31%;亮温等级升高区面积最小，为37.80 hm2，占3.77%。

(2)城市扩展区热岛效应变化定量分析

用2007年建成区范围掩膜2000年建成区范围，得到内江市2000年～2007年城市扩展区。再用城市扩展区范围分别掩膜研究区2007年、2000年亮温分级图，两者再做差值运算，得到内江市2000年～2007年城市扩展区亮温等级变化图(图12)。

对图12进行统计，得到温度等级变化转移矩阵，见表6。

图12 2007年城市扩展区亮温等级变化图

表6 2007年城市扩展区亮温等级转移矩阵(单位:hm2)

从表6可以看出，2000年～2007年间，内江市城市扩展区亮温等级升高区面积最大，为231.84 hm2，占城市扩展区总面积的43.77%;其次为亮温等级无变化区，面积为158.40 hm2，占29.91%;亮温等级降低区面积最小，为 139.41 hm2，占26.32%。

5 结论

(1)Landsat影像在城市热岛效应研究中具有重要应用价值。尤其是TM/ETM+的热红外波段(第6波段)反演的亮温，可以很好地反映区域热场分布，为城市热岛效应评价提供客观准确的基础信息。而且，Landsat影像具有多时相序列的存档数据，非常适合于热岛效应的动态监测和评价。

(2)在1988年、2000年和2007年3个时相，内江市区的高温区和较高温区都占据了较大的面积比例，这说明内江市存在明显的城市热岛效应，但面积所占比例先升高再降低，表明1988年～2000年～2007年间，内江市热岛效应呈现出先增强再减弱的趋势。

(3)1988年～2000年间，老城区范围内热岛效应基本稳定，城市扩展区范围热岛效应急剧增强，此时段内热岛效应表现为总体增强;2000年～2007年间，老城区范围内热岛效应呈减弱趋势，城市扩展区范围热岛效应增强，但不如1988年～2000年间扩展区的增强力度大，此时段内热岛效应表现为总体减弱。

［1］彭少麟，周凯，叶有华，等.城市热岛效应研究进展［J］.生态环境，2005，14(4):574 ～579.

［2］杨山.发达地区城乡聚落形态的信息提取与分形研究［J］.地理学报，2000，55(6):671 ～678.

［3］孙天纵，周坚华.城市遥感［M］.上海:上海科学技术文献出版社，1995:59～84.

［4］陈云浩，王洁，李晓兵.夏季城市热场的卫星遥感分析［J］.国土资源遥感，2002，(4):56 ～59.

［5］Arvidson T.Personal Correspondence，Landsat 7 Senior System Engineer.Landsat Project Office Goddard Space Flight Center，Washington，DC.2002.

［6］Chander G M.Revised Landsat5 TM Radiometric Calibration Procedures and Post-calibration Dynamic Rannes［OL］.http://ltpwww.gsfc.nasa.nov/LAS/handbook/pdfs/L5TMPostCalranges.pdf，2005.

［7］陈松林，王天星.等间距法和均值-标准差法界定城市热岛的对比研究［J］.地球信息科学学报，2009，11(2):145 ～150.

［8］王天星，陈松林，阎广建.地表参数反演及城市热岛时空演变分析［J］.地理科学，2009，29(5):698 ～702.