基于LandsatTM数据的城市热岛效应演变分析

孙黎明 施冬 孟飞

摘要：城市化所伴生的城市热岛效应、土地利用变化、生态安全等一系列的城市问题，已经成为制约城市发展进步的关键性因素。本文以天津市为例，以2000～2010年间的陆地卫星（Landsat）TM数据为主要信息源，以遥感定量反演和GIS的空间分析手段，对不同年份的天津市地表温度状况进行分析，引入景观生态学理论，利用景观格局指数对天津市热环境格局动态进行分析。研究主要得出以下结论：天津市热岛效应出现“由分化总，由总化分”的发展趋势，该结论以期为天津建设成新型现代化大都市提供决策支持。

关键词：天津市；热岛效应；地表温度；景观格局指数

中图分类号：X16 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）11-0262-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

随着遥感技术的发展，热红外卫星遥感技术手段成为获取城市地表温度的一个重要途径[1]。本文以天津市为研究对象，利用遥感监测方法和景观生态学方法，分析其时空格局，探索影响城市热岛强度的因素，分析城市热岛提供新的研究方法，加深城市热岛的认识，为天津市城市热岛的防治提供科学依据，具有重要的科学意义和实际应用价值[2]。

1 数据源及研究方法

本文基于天津市行政区规划图，获取2000年5月，2005年10月，2010年5月三期Landsat5 TM影像，PATH/ROW为122/32，122/33，123/32三景影像[3]。研究所用Landsat5卫星影像，只有一个热红外波段，故利用覃志豪的单窗算法反演地表温度，从时空角度结合景观格局指数分析天津市热岛效应演变及影响因素。使用覃志豪等推导出基于TM影像的第6波段反演地表温度的单窗算法，结合地表比辐射率，大气透射率，大气平均作用温度推算地表实际温度；基于Landsat数据计算亮度温度，估算地表比辐射率；利用大气模拟程序，建立了水汽含量与大气透射率之间的回归方程估算大气透射率和大气平均作用温度[4]。

2 基于图谱的天津市热环境时空演变分析

为了使相同区域不同时相遥感影像热空间分布具有可比性，本文使用地表温度归一化处理方法对城市热环境数据做归一化处理，将不同温度范围统一到0～1之间，用以消除时相的影响，采用基于等距方法划分热空间格局特征，将归一化后的地表温度划分为5个等级，分别为强热岛区（0.8～1）、热岛区（0.6～0.8）、常温区（0.4～0.6）、绿岛区（0.2～0.4）和强绿岛区（0～0.2）[5]。基于天津市归一化温度面积比例获取天津市热岛空间分布图（如图1），热岛主要分布在天津市西侧及北侧，且呈纵向分布，各热岛间相距较远，聚集程度较低，而且中心城区与滨海新区有较为明显的热岛现象，高温区域主要集中在城区、静海区、大港区、宁河县、武清县和蓟县。

图（a）温度较高，故在反演结果中出现高温天气，属正常情况。由图（b）可得知相较于图（a）热岛效应明显有从北部向中部聚拢的趋势，主要集中在中南部且热岛趋于密集。武清区、中心城区、滨海新区核心区这条高温聚集带，即“京滨综合发展轴”。查看天津市年鉴中心城区与塘沽区的年平均温度分别居第一、二位，这两处作为重点发展对象，形成高新技術产业密集带，因而高温区域首先在此处聚集。从图（c）可直观地看出中心城区和滨海新区具有绝对热岛优势的热岛中心，宝坻区和蓟县高温区域增加，热岛效应增强，形成贯穿蓟县、宝坻、中心城区、西青和静海的“西部城镇发展带”。宝坻区与武清区间的高温区域通过津蓟线铁路延伸，而武清区与中心城区沿北运河形成热岛带，从而构成了汉沽区～塘沽区～中心城区～武清区～宝坻区～蓟县这六点一线的格局。同时，从时间维度观察，绿岛区面积有大幅度增加，查阅天津市年鉴，发现与绿岛区面积减少有直接关系，同时也证明了天津市近年来绿化确实有所好转。

3 天津市热岛效应景观格局变化

3.1景观格局指数的选择

随着GIS技术以及专门计算景观格局指数软件的发展，格局指数的操作简单化，常用的景观指数多达58种[6]。本文结合天津市的特点，经过比较分析，选用如下几个指标进行景观格局的分析：斑块密度（PD）：描述斑块破碎度情况。分离度（SPLIT）：某种景观类型各斑块间的分离程度。蔓延度（CONTAG）：基于像元间的邻接概率，反映景观中斑块分布的聚集程度。蔓延度越大，说明同类之间的团聚较大；反之说明破碎度较大。均匀度指数（SHEI）：用以描述景观中各类斑块分配的均匀度程度，值越大，说明斑块分布更均匀[7]。

3.2不同年份热岛效应景观格局分析

基于ARCGIS平台使用重分类工具，实现归一化的地表温度的划分，分为5个等级，分别为强热岛区（0.8～1），热岛区（0.6～0.8），常温区（0.4～0.6），绿岛区（0.2～0.4），强绿岛区（0～0.2）。斑块密度（PD）指数表明常温区和热岛区比其他类型在不同的研究区大，进一步说明常温区和热岛区的破碎度大，这对于缓解城市热环境来说是有利的；分离度（SPLIT）指数表明强绿岛区数值最大，而热岛区最小，说明天津市热岛效应比较明显，而且绿化设施做得不是很到位。PD指数还是常温区和热岛区最大，热岛区的破碎度最大；SPLIT强热岛区和强绿岛区占主要比重，属正常情况。PD指数是绿岛区数值最大，说明城市绿化措施比2005年有所加强，同时，热岛区PD数值次之，说明城市热效应也有所缓解，与城市热环境变化趋势相同。

天津市2000～2010年10年间蔓延度指数出现先降低后升高的趋势。数据表明在2000～2005年间天津市各类景观中存在着许多小斑块，即整个景观朝着所有要素密集的格局方向发展，斑块破碎度增加，呈现无序发展趋势，2005年之后，蔓延度指数提升表明各类景观斑块的边缘密度降低的同时其斑块分布也趋向整体，这与天津市发展的总格局相符。天津市2000～2010年10年间SHEI出现先上升后下降的趋势。SHEI反映的是景观要素的多少及各景观要素所占比例的变化，其数值越大表明景观异质性也越大，其值越小，表明景观分布愈趋于整体化。在2000～2005年间SHEI出现略微上升的趋势，2005～2010年间出现大幅度的下降。这表明前五年景观破碎度增加，后五年景观变化较剧烈，景观破碎度下降。SHEI变化与CONTAG变化正好相反，但二者想要表达的信息是一致的，也就是说在2000～2005年间天津市景观破碎度上升，结合PD来看，发现绿岛区的破碎度变化是趋于上升的，虽然常温区的破碎度变化是趋于下降的，但绿岛区的变化占主导；在2005～2010年间天津市破碎度下降，常温区破碎度变化占主导。

4 总结

本文研究表明：2000年左右，天津市主要加大中心城区与滨海新区的发展力度，将“分”化“总”，从而热岛向此两处聚集，近年来，加大周边地区与北部的发展，将“总”化“分”，热岛又重新分散开来；同时通过景观格局指数分析的结果可以得出，各类景观斑块的边缘密度降低的同时其斑块分布也趋向整体，说明天津市总体发展格局趋于整体化，这将有利于缓解城市热岛效应。

参考文献：

[1] 冯晓刚.城市热岛效应演变与成因遥感研究——以西安都市圈为例[J].陕西师范大学报，2011.

[2] 王鹏.城市景观格局与城市热岛效应的多尺度分析——以成都市中心城区为例[D].四川农业大学，2001.

[3] 纪瑞鹏，张喜民，李刚. 沈阳等6城市热岛效应卫星监测研究[J]. 辽宁气象，2000：422-26.

[4] 徐涵秋.新型Landsat8卫星影像的反射率和地表温度反演[A]. 地球物理学报，2015，58（3）：741-747.

[5] 唐泽， 郑海峰， 任志彬， 等. 城市地表热力景观格局时空演变——以长春市为例[J]. 生态学报，2017（10）.

[6 ] 韩冬锐，徐新良，李静，等.长江三角洲城市群热环境安全格局及土地利用变化影响研究[J].地球信息科学学报，2017，19（1）：39-49.

[7] 李德仁， 李熙. 论夜光遥感数据挖掘[J]. 测绘学报， 2015（6）： 591-601.

【通联编辑：光文玲】