基于遥感数据的徐州市热岛效应时空特征分析

梁鑫斌, 郭娜娜,季 翔,孟令冉

(1．中国矿业大学 力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116；2.安徽科技学院 建筑学院，安徽 蚌埠 233000；3.江苏建筑节能与建造技术协同创新中心，江苏 徐州 221116；4.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116)

热岛效应是指城市中的空气温度比城市周围的环境空气温度高的现象[1]。热岛效应会影响城市降水分布与频率、城市空气质量,进一步威胁市民健康,严重破坏城市人居环境，热岛效应是城市化进程中最为突出的问题，与城市化发展成正相关[2]。国家城市化转型发展以来，徐州市综合城市化水平一直不断上升，先后经历了恢复性增长期(1978-1993年)、波浪式进展期(1994-2003年)、直线上升期(2004-)三个阶段[3]。伴随着城市化水平的提升、城市规模的扩张，热岛效应越发明显，热岛的强度也逐渐增强。在不同的城市化阶段，城市的热岛效应强度、空间分布和时间变化也会体现出不同的特征。

城市热岛研究的主要方法有地面气象资料观测法、边界层值模式模拟法和遥感测定分析法3种。遥感测定分析法应用的遥感影像具有覆盖范围广、时间高度同步、影像直观、分辨率相对较高且光谱信息丰富等特点，已成为城市热岛效应监测常用且有效的手段[4]。本文采用遥感测定分析法，采用Landsat TM/ETM+/TIRS数据，对徐州市城市化恢复增长后的不同阶段(1995年、2003年和2014年)的地表温度进行反演，并结合主城区热岛效应的空间分布和时间变化特征进行定性、定量的分析，以期为城市化快速推进过程中创造宜人的城市物理环境提供理论及技术支撑，引导城市化健康发展。

1 研究区概况

1.1 研究范围

徐州市地处江苏省西北，位于北纬33°43′～34°58′、东经116°22′～118°40′，市域面积11258平方公里，市区面积3037平方公里，2018年城市总人口880.2万。徐州属暖温带半湿润季风气候，四季分明，年平均气温14℃，年均降水量800～930 mm，主城区平均海拔为35.1 m。近年来，随着徐州市城市化的快速推进，城市热岛效应明显[5]。研究区域为《徐州市城市总体规划(2007-2020年)(2017年修订)》确定的主城区范围，即西至泉山区边界，东含大庙镇，南到连霍高速公路以南(含铜山城区)和云龙区边界，北抵云龙区和鼓楼区边界，面积约573平方公里(见图1)。

图1 研究区地理位置及高程图

1.2 数据来源

结合中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台的Landsat数据，根据国家气象信息中心地面国际交换站(台站：[58027]徐州)气候资料日值气温数据，选取研究区内云量相对较小、日平均气温接近的1995年9月18日(日平均气温21.8℃、大气透过率0.55、平均水汽压15.2 hPa、平均相对湿度61%)、2003年4月16日(日平均气温22.3℃、大气透过率0.79、平均水汽压16.1 hPa、平均相对湿度6%)和2014年5月1日(日平均气温22.9℃、大气透过率0.77、平均水汽压15.5 hPa、平均相对湿度57%)三期遥感影像作为数据源，采用热红外波段为主进行地表热辐射和地面温度的分析和反演。其他资料包括主城区DEM高程数据、土地利用现状图和行政区划图等。

2 研究方法

2.1 地表温度反演

采用地表温度反演数值与地表面实测温度的一致性较高的单窗算法对遥感影像数据的地表温度进行反演，公式如下：

Ts={a*(1-C-D)+[b*(1-C-D)+C+D]*Tsensor-D*Ta}/C

(1)

其中：

C=τ*ε

(2)

D=(1-τ)*[1+(1-ε)*τ]

(3)

式中:Ts为地表实际温度，单位为K；a、b为系数；τ是大气透射率；ε是地表辐射率；Tsensor是地表辐射亮温值；Ta为大气平均作用温度，单位为K；C、D为中间参数。根据研究区所处的位置、季节及温度等确定相关参数[6]。

2.2 热岛强度

2.2.1地表温度正规化处理

为了对研究区内的温度空间分布进行直观地分析，采用基于稳健统计的分类方法对地表温度进行正规化处理，将地表温度分布统一到0-1的范围区间内，公式如下：

Ni=(Tsi-Ts min)/(Ts max-Ts min)

电力企业信息网的安全防护是一个系统工程。网络的安全问题涉及身份认证、访问控制、数据保密性、数据完整性、抗欺诈、审计、可用性和可靠性等多种基本的安全服务，涉及ISO/OSI所有的七个协议层次（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层），覆盖了企业信息网络中物理环境、网络平台、主机平台和应用平台等几个系统单元。因此，网络安全是一个立体的、多方位、多层次的系统问题，在规划、设计、实施电力企业信息网络的安全系统时也必须用系统工程的方法论来考虑。为保证网络的安全，我们可以采用以下一些防护体系。

(4)

其中，Ni为第i个像元正规化的值;Tsi为第i个像元的地表温度;Ts min为地表温度的最小值;Ts max为地表温度的最大值。

2.2.2热岛强度分类

通过地表温度正规化处理，取方差的倍数分别为0.5、1.5、2.5，可将研究区三期地表温度按公式(4)计算的温度阈值分成7个等级，即极低温区、低温区、较低温区、中温区、较高温区、高温区和极高温区。

3 研究区地表温度及热岛强度

通过单窗算法反演地表温度，得到研究区三期数据的地表温度空间分布，通过地表温度正规化处理，得到七级热岛强度空间分布(见图2)。

图2 研究区地表温度及七级热岛强度分区图

对研究区地表温度及七级热岛强度分区数据进行统计，得到各期地表温度的最高值、最低值、平均温度和标准差以及极低温区、低温区、较低温区、中温区、较高温区、高温区、极高温区的面积占比(见表1)。

表1 研究区地表温度参数及各温度等级区面积比例

4 讨论

4.1 徐州市主城区城市热岛的空间分布特征

根据研究区地表温度和热岛等级时空分布，可知徐州市主城区城市热岛的空间分布在1995年、2003年、2014年分别具有如下特点：

2003年，城市热岛区域分布相对分散，较高温区、极高温区主要在主城区的西部，热岛中心不明显，热岛区域主要在城市中心区域的故黄河两岸和主城区西南部，以交通枢纽(铁路、机场、港口)站场及周边工业、仓储区域，散布的工业仓储区、城市中心商业集中区及部分裸露山体等用地为主；城市冷岛区域分布也呈现出分散布局的特点，较低温区、极低温区主要集中在主城区的西部云龙湖、西北部九里湖、东部大湖水库、六堡水库、大龙山水库等区域，以面积较大的面状水体为主。

2014年，城市热岛区域分布相对集中，高温区、极高温区主要在主城区的西南部和北部，形成北部交通枢纽区(含周边工业、仓储用地)和南部工业区两个主要的热岛中心，同时主城区内局部区域散布较小的热岛中心，热岛区域以交通(铁路、港口)站场及周边工业、仓储和商业区、工业仓储集中区、城市中心商业集中区及部分裸露山体等用地为主；城市冷岛区域分布则相对分散，较低温区、极低温区主要集中在主城区的西部云龙湖和云龙山、东部大湖水库和大龙湖(原大龙山水库)等区域，以面积较大的面状水体和绿化覆盖较好的山体为主。

从三期热岛强度分布来看，交通场站及周边工业仓储区、城市/镇中心区、部分无植被覆盖的山体(含周边裸地)等用地是城市热岛发生最强的区域，大面积的面状水体及绿化覆盖度较好的山体等用地是城市冷岛的主要分布区域(见表2)。

表2 1995年、2003、2014年徐州市主城区城市热岛、冷岛分布

续表2

分布区域热岛冷岛199520032014199520032014工业仓储集中区云龙湖北岸故黄河以南工业集中区√翠屏山工业区√万寨工业片区√下淀工业区√大黄山北部工业用地√铜山区政府东/南片区工业区√卧牛山北工业区√金山桥片区工业区√大庙镇工业区√潘塘(工业)√三堡镇东侧工业用地√坝山片区爬山南工业区√团山南仓储用地√鸡山东北√原九里片区西南东赵庄工业区√西南仓储用地√工矿用地大黄山煤矿√夹河煤矿(工业)√山体拖龙山周边裸地√大庙镇大庙山√大黄山镇大黄山周边裸地√铜山区虎山裸地(含吴楼村)√淮海战役烈士纪念塔园林√泉山√泰山√九里山√云龙山√√水体云龙湖√√√大龙湖(原大龙山水库)√√夹河渔场√√孤山水库√√六堡水库√√九里湖九里湖(含部分塌陷区)√√九里湖湿地√京杭大运河大黄山镇北段√大湖水库√故黄河沿岸大彭镇段√大湖水库√

4.2 徐州市主城区城市热岛的变化特征

随着徐州市城市化进程的不断推进，主城区范围内的城市热岛发生了明显的变化。通过地表温度和热岛等级的空间分布演化，可以看出徐州市城市热岛的扩展与城市空间发展建设的扩张基本一致。

1995-2003年,在全天平均气温接近(1995年9月18日平均气温为21.8℃，2003年4月16日平均气温为22.3℃)的情况下，主城区范围内的温差变化不大(1995年9月18日10时左右主城区最高气温41.6℃，2003年4月16日10时左右主城区最高气温为40.8℃)。徐州市主城区热岛范围随着城市的开发建设逐步扩大至云龙湖周边、故黄河两岸；自2000年来,徐州市积极创建并于2005年建成国家园林城市，在此期间城市绿地面积保持20%以上的年均增长率[7]，同时部分煤矿(如大黄山煤矿)关闭，从而导致热岛效应有了较为明显的改善，主城区范围内无较明显的热岛中心，云龙湖、大龙山水库、六堡水库、大湖水库的冷岛效应明显。

2003-2014年,在全天平均气温接近(2003年4月16日平均气温为22.3℃，2014年5月1日平均气温为22.9℃)的情况下，主城区范围内的温差变化较大(2003年4月16日10时左右主城区最高气温为40.8℃，2014年5月1日10时左右徐州市主城区最高气温为47.8℃)。徐州市主城区热岛范围逐步向东部新城区扩展，主要是徐州市于2004年启动新城区建设，新城区内的农用地大量转化为城市建设用地，城市热岛也随之增强，并形成集中的城市热岛中心；大龙湖、六堡水库和大湖水库周边的城市建设热岛效应较弱，尤其是六堡水库，说明大面积水面能够对周边建设用地的热岛效应缓解起到一定作用。

自1995-2014年，徐州市主城区整体温度逐年升高，1995年主城区范围内平均温度为25.3℃，2003年为28.6℃，至2014年则达到30.3℃。主城区热岛区域规模整体呈现波动式增长趋势，且整体的热岛强度从极端化向均质化过渡。

5 结论

城市化进程与城市热岛效应息息相关，本文利用徐州市主城区不同城市化阶段的城市Landsat数据反演城市地表温度，进一步分析主城区热岛强度的时空分异。研究发现，徐州市主城区地表温度随着城市化进程的推进逐年提升，且在城市化进程中的各个阶段都存在一定程度的热岛效应。伴随着徐州市城市化进程的推进，热岛效应整体呈增强趋势且与城市建设扩张呈较好的一致性；大面积的面状水体是主要的冷岛分布区域，对周边建设用地的热岛效应有一定的缓解作用；城市交通站场、工业集中区、商业集中区、工矿区是主城区城市热岛中心的主要分布范围；主城区城市绿化面积的增大会有效减缓城市热岛效应。