基于TM影像的唐山市城市热岛效应研究

刘广杰，王金亮

(云南师范大学旅游与地理科学学院，云南 昆明 650500)

基于TM影像的唐山市城市热岛效应研究

刘广杰，王金亮

(云南师范大学旅游与地理科学学院，云南 昆明 650500)

摘要：城市热岛效应是城市化过程对气候影响的典型表现。利用Landsat TM影像对2000年和2009年唐山市中心城区及其周边区域温度进行反演，分析了唐山市热岛效应在空间上的变化，发现唐山市热岛效应在空间上分布范围增大，在强度上减弱的现象，并分析了热岛效应与NDVI的关系，对改善热岛效应提供了一定的建议。

关键词：热岛效应； Landsat TM；温度反演；唐山市

0引言

城市热岛是城市主城区的气温高于城区周边郊区的现象，是城市化过程中气候变化最明显的表现之一，反映了城市面积的扩大对区域环境的影响。城市热岛形成的因素包括下垫面、人为热和温室气体排放3个方面。城市内部下垫面不透水面积大，降水很快从排水管流失，可供蒸发的水分比郊区少：大量人工构筑物改变了下垫面的热属性，沥青、水泥混凝土等人工构筑物具有较小的热容量和吸热快的特性，在相同的环境条件下，比绿地或其他自然下垫面升温快，因而其表面温度明显高于自然下垫面，形成了城市中以人工构筑物为中心的高温区域。城市中排放的大量人为热、温室气体CO2等也是形成热岛的一个重要原因。近年来, 随着我国城市化进程的加快，特别是大城市区域规模的扩大，城市热岛现象日益明显，而唐山作为北方重要的工业城市和特大城市之一，在其城市化过程中必然对周围的区域环境产生一定的影响。唐山市热岛效应的变化具有一定的代表性，对其进行研究有利于进一步揭示城市化对区域环境的影响。

1分析区域概况

唐山位于河北东部沿海，东隔滦河与秦皇岛相望，西与天津毗邻，南邻渤海，北依燕山，隔长城与承德接壤，是河北省的主要出海通道和主要经济区。全年降水量在600mm左右，年均气温11℃。唐山地区是中国乃至世界最重要的工业区之一，拥有钢铁、石油、化工、陶瓷、机械制造等支柱产业，同时也是东北亚地区重要的港口城市和物流中心，拥有四通八达的高速公路网络和世界级亿吨深水大港曹妃甸港。唐山市的国内生产总值、人均GDP、人均可支配收入等主要经济指标常年位居河北省首位。

2研究方法

2.1数据源

本文选用2000年9月6日和2009年9月15日2个时相的遥感影像(Landsat-5 TM)数据作为数据源。轨道号为122/032，影像覆盖整个唐山市市辖区。在进行热岛效应遥感研究中,基础分析数据是TM影像的第6波段，波长范围为10.4～12.5μm。

2.2地面辐射温度计算

地面辐射温度，是遥感器在卫星高度所观测到的热辐射强度相对应的温度。Landsat TM/ETM+的第6波段为热红外波段，其波长范围为10.4～12.5m，对热异常敏感，可用于热岛研究中辨别地表温度差异。Landsat TM/ETM+的第6波段提供的热红外波段的空间分辨率分别为120m和60m，远高于气象卫星NOAA/AVHRR遥感数据的空间分辨(1.1km)。Landsat影像的像元所对应的数据是以灰度值(DN值)来表示的，TM6 DN值越大，表示地表热辐射强度越大，温度越高。从ETM+/TM6求算亮度温度的过程需要将DN值转化为相应的热辐射强度值，然后根据热辐射强度推算对应的亮度温度。对于TM影像，各像元的辐射强度与其DN值有如下的关系：

Lλ=Gain×DN+Bias

式中：Lλ-M传感器接收到的辐射强度；DN- TM影像的像元灰度值；Gain和Bias-分别为TM的增益和偏置。

将热辐射强度转换为像元亮度温度的公式为:

式中：TB-像元亮度温度，单位为开；K1、K2-卫星发射前预设的常量。

2.3地表比辐射率计算

地表比辐射率又称为发射率，是指物体在温度T波长λ处的辐射出射度与同温、同波长下的黑体辐射出射度的比值，它主要取决于地表的物质结构和遥感器的波段区间，并随着观测条件(观测波长、观测角度等)的变化而变化。在大尺度上对比辐射率精确测量的难度很大，目前只是基于某些假设获得比辐射率的相对值，本文主要根据可见光和近红外光谱信息来估计比辐射率。计算地表比辐射率所需的植被覆盖度Pv 的计算采用的是混合像元分解法,将整景影像的地类大致分为水体、城镇和自然地表，具体的计算公式如下：

式中，NDVI-归一化植被指数，NDVIv-代表完全被植被所覆盖的像元的NDVI值，即纯植被像元的NDVI值；NDVIs-代表裸露地表覆盖区域的NDVI值，即无植被覆盖像元的NDVI值。

根据覃志豪的研究[6，11]，将遥感影像分为水体、城镇和自然表面3种类型。本专题采取以下方法计算研究区地表比辐射率：水体像元的比辐射率赋值为0.995，自然表面和城镇像元的比辐射率估算则分别根据下式进行计算：

εsurface=0.9625+0.0614Pv-0.0461Pv2

εbuilding=0.9589+0.086Pv-0.0671Pv2

式中：εsurface和εbuilding-分别代表自然表面像元和城镇像元的比辐射率。

2.4辐射传输方程

辐射传输方程法利用与卫星过空时间同步的大气数据来估计大气对地表热辐射的影响，把这部分大气影响从卫星传感器所观测到的热辐射总量中减去，从而得到地表热辐射强度，再把这一热辐射强度转化为相应的地表温度。

卫星传感器接收到的热红外辐射亮度值Lλ由三部分组成：大气向上辐射亮度Lup；地面的真实辐射亮度经过大气层之后到达卫星传感器的能量；大气向下辐射到达地面后反射的能量。卫星传感器接收到的热红外辐射亮度值的表达式可写为(辐射传输方程)：

式中：ε-地表辐射率，Ts-地表真实温度，B(TS) -普朗克定律推到得到的黑体在TS的热辐射亮度，τ-大气在热红外波段的透过率。

则温度为T的黑体在热红外波段的辐射亮度B(TS)为:

上式中所涉及的参数，可在NASA依据影像成像时间和中心经纬度查询获得(如图1)。

3结果分析

3.1城市热岛效应时空演变特征

利用上面的公式，分别反演出2000年和2009年唐山市的地表温度。反演结果如图2、图3所示。由于天气、温度等原因，为了提高研究的可比性，本文引入相对亮温来表示城市热岛效应强度[1]。相对亮温是该点亮温减去平均亮温与区内平均亮温之比，将它作为描述该点热岛强度的一个指标，其表达式为：

式中：TR-表示相对亮温，Ti-表示研究区第i点亮温，Ta-表示研究区的平均亮温。

根据计算的相对温度对研究区的热岛效应按照表1进行等级划分。

表1　热岛等级划分

对反演的地面温度进行热岛等级划分，其结果如图4、图5所示。

从图中可以看出，2000年的唐山市城市热岛现象十分明显，城区的温度明显高于周边郊区的温度，形成岛屿状的高温区域，界线清晰。热岛区主要分布于路南区和开平区、古冶区、丰润县城(现唐山市丰润区)。所有的高温区域都出现在居民聚集地区，表现为城市热岛特征。强热岛区分布于路南和开平区且形成被热岛区包围的态势，主要因为此区域建筑物密集，陆地下垫面以不透水层为主，绿化面积较少，热岛效应明显，只有市中心的大城山区域成为孤立的绿岛。城市周边温度降低明显，在人口聚集的村庄和城镇表现为弱或中等热岛。绿岛区主要是植被覆盖较高的地区及各类水体。

通过2009年的热岛强度图可以看出，由于城市的发展，不透水层面积增大，热岛区域也较2000年有明显的变化。但由于绿色发展理念的提出和唐山市实施的城市转型战略，地表绿色植物的增多，环境的改善，使市辖区中心区域的热岛强度得到明显的降低。表现较为明显的即为陡河水库区域，由于水质污染和工程施工，在2000年的热岛强度图中表现为强热岛，而在2009年中则表现为绿岛和弱绿岛。

表2为研究区内2000年和2009年各个热岛等级的面积变化情况，从表中可以看出，由于城市的发展，绿岛区域的面积下降了294.29km2，但由于可持续发展理念的实施，研究区域内的弱绿岛面积得到增加，同时极强热岛和强热岛的面积均有明显的下降。由此可以看出，城市绿地面积的增加可以有效地改善城市热岛效应的强度，降低下垫面温度。

表2　研究区内2000年到2009年热岛等级变化

3.2城市热岛效应与植被关系

植被是影响城市热岛效应最重要的因素之一，地表温度在有植被覆盖和无植被覆盖的地方差异很大，因此热岛效应的强度会因植被覆盖的不同而不同。本文采用归一化植被指数(NDVI)来衡量植被覆盖。计算公式如下：

式中：ρnir和ρred-分别是近红外波段和红光波段。

本文利用TM影像的3、4波段，分别计算2000年和2009年研究区内的NDVI，结果如图6、图7。

从图中可看出在非城市地区，NDVI值是比较大的，而且随着城市发展、不透水层面积的增加，NDVI值逐渐降低，在商业区、工业区和一些居住区，植被的覆盖较少，NDVI值则很小。结合图5和图7，可以发现NDVI指数和热岛效应强度呈明显的负相关(水体由于其特殊性，NDVI很低，但温度不高)，NDVI较高的区域，地表温度相对较低，热岛强度低，多为城市的绿岛和弱绿岛区域，如大城山和凤凰山公园、城市周边郊区广阔的农田等；而NDVI较低的地区，地表温度相对较高，热岛强度高，多为研究区内的热岛和强热岛区域。

两个年份的NDVI图对比可以发现，研究区内植被覆盖正在迅速减少，以路南区和开平区、古冶区、丰润区为中心沿公路向外辐射的区域内，植被覆盖整体呈现降低趋势，导致城区中间的过渡地带绿岛减少，城市热岛效应的面积增大，并有以上述三个区域为中心连接成片的趋势。

4城市热岛效应改善措施

(1)要保护城区的绿地、水体面积。因为城区的水体、绿地对减弱夏季城市热岛效应起着十分可观的作用。绿地能吸收太阳辐射，而所吸收的辐射能量又有大部分用于植物蒸腾耗热和在光合作用中转化为化学能，用于增加环境温度的热量大大减少。绿地中的园林植物，通过蒸腾作用，不断地从环境中吸收热量，降低空气的温度。研究表明：城市绿化覆盖率与热岛强度成反比，绿化覆盖率越高，则热岛强度越低，当覆盖率>30%后，热岛效应得到明显的削弱；覆盖率>50%，绿地对热岛的削减作用极其明显。规模>3hm2且绿化覆盖率达到60%以上的集中绿地，基本上与郊区自然下垫面的温度相当，即消除了热岛现象，在城市中形成了以绿地为中心的低温区域，成为人们户外游憩的优良环境。

(2)城市热岛强度随着城市发展而加强，因此在控制城市发展的同时，要控制城市人口密度、建筑物密度。因为人口高密度区也是建筑物高密度区和能量高消耗区，常形成气温的高值区。应优化城市结构，加强城市周边二级城市的建设，合理控制主城区规模，防止人口过渡集中于城区。城市布局应符合空间环境的要求，尽量减少对大气流动的阻碍，以利于空气流动，缓解局部地区温度分布不均的状况，缓解热岛效应。

(3)减少人为热释放，尽量将民用煤改为液化气、天然气。改善能源配置和使用条件，可采用工业集中、供热集中的方式。控制城市机动车数量，一方面减少人为热的产生，另一方面能减少温室气体的排放，有利于缓解热岛效应。

参考文献：

[1]赵小艳,杨沈斌,申双和,等.基于遥感的南京市城市热岛效应时空演变分析[J].安徽农业科学,2009, 37(22):10776-10778.

[2]高志强,宁吉才,高炜.基于遥感的沿海土地利用变化及地表温度响应[J].农业工程学报,2009, 25(9):274-281.

[3]孟鹏,胡勇,等.热红外遥感地表温度反演研究现状与发展趋势[J].遥感信息,2012,27(6):118-132.

[4]李加洪.遥感图像在土地覆盖和温度分布之间对应关系研究中的应用[J].遥感技术与应用,1998,13(1):18-28.

[5]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,2002,54(4):55-59.

[6] Qin Z H, Karnieli A, Berliner P.A Mono-window Algorithm of Retrieving Land Surface Temperature form Landsat TM Data and its Application to the Israel-Egypt Border Region[J]. International Journal of Remote Sensing,2001, 18(2):3719-3746.

[7]Jimenez-Munoz J C, Sobrino J A.A generalized single-channel method for retrieving land surface temperature from remote sensing data[J]. Journal of Geophysical Research-Atmospheres,2003,108 ( doi: 10.1029 /2003JD003480).

[8]朱文娟,潘剑君,宋刚贤.基于空间建模的南京地区 ETM +遥感影像地表温度反演研究[J].遥感应用,2008 (4):50-55.

[9]吴骅,李彤.TM 热红外波段等效比辐射率估算[J].应用科技,2006 (3):26-29.

[10]郑文武,曾永年.地表温度的多源遥感数据反演算法对比分析[J].地球信息科学,2011,13(6):840-847.

[11]覃志豪,李文娟,徐斌,等.利用 Landsat TM6 反演地表温度所需地表辐射率参数的估计方法[J] .海洋科学进展, 2004, 22( 21):129-137.

[12]王炳忠,刘庚山,.我国大陆大气水汽含量的计算[J].地理学报,1993,48(3)244-254.

[13]白洁,刘绍民,扈光.针对TM/ETM+遥感数据的地表温度反演与验证[J].农业工程学报,2008,24(9):148-154.

[14]官阿都,江樟焰,李京.基于 Landsat TM 图像的北京城市地表温度遥感反演研究[J].遥感信息,2005(3):18-20.

Research on Urban Heat Island Effect Based on

Landsat TM Images of Tangshan City

LIU Guang-jie，WANG Jin-liang

(College of Tourism & Geographic Sciences, Yunnan Normal University, Kunming Yunnan 650500 ,China)

Abstract：Urban heat island effect is a typical manifestation of the climatic effect of urbanization process. The temperature of Tangshan downtown and its surrounding area in the year of 2000 and 2009 were inversed based on the Landsat TM images of 2000 and 2009. The changes of temperature of these two years were examined. The results showed that Tangshan heat island effect increased in terms of the space distribution. However, it decreased on the strength. The relationship between NDVI and the heat island effect was analyzed, which provides some suggestions to improve the heat island effect.

Key words：urban heat island; Landsat TM; temperature inversion; Tangshan

中图分类号：X83

文献标志码：A

文章编号：1673-9655(2015)04-0118-05

收稿日期：2014-11-29