基于遥感的武汉地区LUCC对热岛效应的影响研究

陈 涛，孙安昌，王 鑫，王 毅

（1. 中国地质大学（武汉） 地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074）

基于遥感的武汉地区LUCC对热岛效应的影响研究

陈 涛1，孙安昌1，王 鑫1，王 毅1

（1. 中国地质大学（武汉） 地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074）

利用1988年、2002年、2005年的武汉地区TM遥感影像，选取通用性较强的普适单通道法进行地温反演，得到3个时期的地表温度图、地表均温和标准差的变化情况。利用最大似然法进行监督分类，得到不同时期武汉地区的土地利用图。围绕这3年的土地利用/覆盖变化以及地表温度反演结果，探索不同地表覆盖类型与温度分布的关系，并对武汉地区热岛状况进行定性分析。

城市热岛；土地利用/覆盖变化；地温反演；遥感

城市热岛效应一直备受关注[1-3]。1972年，Rao首次用环境卫星数据分析了地表城市热岛，此后城市热环境遥感不断发展[4,5]。武汉是华中地区最大的城市，热岛效应明显，对武汉进行热岛效应研究意义重大[6,7]。本文基于1988年、2002年和2005年3个时相的TM、ETM遥感数据，通过普适单通道法进行地温反演，围绕土地利用/覆盖变化（land-use and land-cover change，LUCC）以及地表温度反演所表现的城市热岛状况进行定性和定量分析，为城市发展与生态规划提供参考。

1 研究区概况

武汉市位于江汉平原东部，长江和汉水交汇处（113°41'E～115°05'E，29°50'N～31°22'N），面积8 494.41 km2。在地形上北高南低，属于残丘性河湖冲积平原。受数据条件的限制，本文选择中心城区1 600像素×1 400像素为研究区（图1）。

图1 研究区示意图

2 数据与方法

2.1 数据准备

本 文所 用 数据 为1988-08-11、2002-07-09、2005-09-11三景Landsat TM影像数据及其相关资料。所用图像处理软件为Matlab和Envi4.8。

2.2 技术方法与流程简介

2.2.1 地温反演方法

目前已经提出的地表温度反演方法包括热传输辐射法、基于辐射传输模型的陆面温度反演法[8]、单窗算法[9]以及普适单通道法[10]。考虑到普适单通道法的普适性，估算简便，选用该方法可以满足在缺乏相关大气数据时对地温的反演。

2.2.2 技术流程

图2为技术流程图。首先使用原始的TM、ETM数据进行影像预处理，再将预处理后的影像进行土地利用分类，得到土地利用/覆盖变化数据；同时进行地温反演，统计温度数据，进行密度分割制成温度专题图，进行热岛效应变化分析；最后根据土地利用/覆盖变化和地温信息，定性和定量分析其对城市热岛的影响。

图2 研究流程图

3 结果与分析

3.1 温度区间分布

由于影响地表温度的因素较多，为了消除这些影响，可以使用密度分割的方法比较不同温度区间的范围变化[11]。将得到的结果导入GIS，制成温度专题图。参考曹丽琴[12]的方法，采用基于稳健统计的方法将图像划分为7个温度区间：极低温区、低温区、较低温区、常温区、较高温区、高温区、极高温区，如表1。根据该区间绘制温度专题图，如图3。

表1 不同地表温度区间表

图3 3个不同时相温度专题图

3.2 不同时相热场变化分析

标准差的变化能反映出地表温度分布的离散程度。温度分布离散程度越高，说明高温范围与低温范围的差距越大，即热岛效应越明显。统计3幅图中温度的平均值与标准差，绘制图4。

通过图4可以发现，从1988年到2005年，温度标准差上升，武汉的热岛现象逐渐明显，其中2002年最为严重，2005年有所缓解。将这一结果与温度图相对照我们发现，1988年和2002年极高温区和高温区呈块状分布，在武汉主城区相当集中；2005年的热岛区域明显有瓦解的趋势，自主城区至郊区，极高温和高温区域不再是块状分布，而是呈线性和散点状分布，从高温区到常温区再到低温区周围地段的变化相对平缓。

图4 地表温度平均值与标准差的变化

3.3 武汉土地利用/覆盖变化分析

本文选取分类精度相对较高的最大似然法，参考研究区土地利用图，将研究区地物分为长江、湖泊、耕地、林地和城区5类，如图5。

图5 不同时相分类结果

从分类结果图看出，1988～2005年近20 a来，各城区扩大非常明显，而湖泊从1988年到2005年呈现

减少的趋势。在武汉市主城区范围内的湖泊，面积减小的趋势则更为明显，如沙湖、南湖、莲花湖、月湖、北湖等。为了更清楚地描述土地利用变化情况，使用土地利用动态度来定量描述土地利用变化状况：

式中，Av表示某土地利用类型的变化率；AS和Ae分别表示前后两个时相的面积；T表示前后两个时相的时间差（单位：a）。

表2为武汉地区1988～2005年土地利用/覆盖变化情况，可以发现，城区在2002～2005年的增幅明显大于1988～2002年，武汉市城市化进程在进入21世纪后加快。增长的城区面积主要来源于湖泊和耕地，其中城区外围的扩张来源于经济开发区的崛起，土地来源于对耕地的侵占；城区内部的扩张则是由于商业街、房地产开发对城市内部绿地以及湖泊的侵占，造成城市内部更为聚集。在城区扩张的同时，林地湖泊都有缩小，并且都有速度加快的势头。

表2 1988～2005年武汉地区土地利用/覆盖变化

3.4 不同覆盖类型温度特征分析

为了说明不同土地用地类型与温度之间的宏观关系，利用分类结果，统计出不同土地利用类型的平均温度，见图6。

图6 不同时相地表覆盖类型的地温平均值与标准差

可以发现，在1988、2002和2005这3年中，城区的平均温度最高，而长江最低，水体次之，林地与耕地相差不大。城区的地表覆盖主要是水泥、沥青，这些材料的比热容小，且利于热的传导，又由于城区建筑密集、散热缓慢，故温度较高。长江与湖泊主要由比热容较大的水组成，在受到相同的热辐射情况下升温慢。江水流动性好、面积大，受人为等干扰相对较小，故温度最低。而耕地与林地的散热主要靠植物的蒸腾作用，其温度介于城镇与水体、长江之间。

3.5 温度等级与土地利用覆盖类型关系

地表温度等级分布变化的原因在于土地利用/覆盖类型的变化。通常使用各用地类型在不同温度等级范围内所占的面积来衡量不同用地类型对热环境的贡献大小（图7）。

图7 不同时相各温度区间地表覆盖情况

从图7可以看出，随着温度等级的提升，城镇建设用地所占面积比重升高，耕地/林地及水域面积比重逐渐下降。这说明在高温区，地表覆盖主要是水泥、沥青等不透水材料。从高温区向常温区过渡时，地表覆盖类型开始向林地和耕地倾斜，其中在常温区域，耕地的面积最大。在极低温、低温区域，长江、湖泊等占了极大的比重，而其他用地面积基本趋于零。因此，在土地类型中，对城市热岛效应贡献最大的是城镇用地，而湖泊长江等水域则成为缓和热岛效应的主体。

4 结 语

1）从地表温度的反演结果看，武汉市城区的地表温度明显高于周围郊区，热岛区域与中心城区的界线一致。从1988～2005年，武汉市的热岛效

（ ）应逐渐加重，其中2002年最为明显，2002～2005年有缓解的趋势。

2）分析武汉土地利用/覆盖变化，武汉市在1988～2005年中，城区面积不断扩张，速度不断加快，而湖泊面积明显减小，老城区内部的湖泊尤为明显。

3）不同土地类型的地表温度有较大差异，表现为城市用地的地表温度最高，而水体温度最低；在不同温度等级中，随着温度级别的升高，城区建设用地所占比重明显升高，而耕地、林地和水体则在低温度级别中所占比例更大。

4）总体来说，城区面积的扩增和城区内部湖泊面积的减小，导致了热岛范围的加大以及热岛效应的增强。因此，合理进行城区土地建设规划，保护城市绿地与湖泊，有利于缓解城市热岛效应，改善城市热环境。

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P237.9

B

1672-4623（2015）01-0062-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.01.021

陈涛，博士，副教授，主要从事环境遥感监测及高光谱遥感信息处理研究。

2013-11-05。

项目来源：国家高技术研究发展计划资助项目(2012AA121303)；中国科学院数字地球重点实验室开放基金资助项目(2011LDE003)；长江科学院开放研究基金资助项目(CKWV2013221/KY)；数字制图与国土信息应用工程国家测绘地理信息局重点实验室开放研究基金资助项目(GCWD201202)；农业部农业信息技术重点实验室开放基金资助项目(2013002)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(CUGL100206)；湖北省自然科学基金资助项目(2012FFB06501)。