基于Landsat TM的太原市近20年热环境时空演变特征研究

王英杰,郭晋平

(山西农业大学林学院，山西 太谷 030801)

最近几十年的全球升温和城镇化，热环境空间变化对城市生态问题有着深远的影响[1-2]，城市热环境不断恶化，尤其是城市高温现象的频繁发生，直接影响到城市的舒适度和宜居性，成为建立生态宜居城市需解决的问题。随着城市气温的升高，城市居民的高温疾病和流行性疾病的发病率均有所加剧，在热带和亚热带地区表现更为明显[3-5]。刘艳红，郭晋平以太原市为例，分析1986—2001 年间太原市绿地景观格局与热环境的重要关系。[6]刘艳红，王均国，郭晋平，以太原市为例，分析了城市化过程中城市热岛空间变化特征[7]。城市热岛效应是指市区温度明显高于外围郊区温度的现象，可以反映城市热环境。在早期，很多学者通过气象台观测站的气温数据研究城市热环境，但是气温数据不准确，不能反应整个城市的热环境空间分布情况；而通过遥感技术获取的数据，再用地表温度反演法得到的地表温度具有一定的准确性和空间连续性。Landsat数据空间分别率较高，时间连续性较好，因此是现阶段研究城市热环境较好的遥感数据[8]。太原市近20年城市发展迅速，城市下垫面发生变化，城中村改造数量增加，许多农田绿地被新建的住宅、商业街和道路取替，城市市区面积不断扩大，城市的景观生态功能逐渐削弱，导致城市热岛效应进一步加剧。本文收集了1999年、2003年、2006年、2010年，2014年和2018年6年的城市夏季Landsat卫星遥感影像，对近20年长时序的城市热岛效应进行研究，进而分析太原市城市热环境的时空变化情况。

1 研究区概括

太原市是山西省省会，国家级园林城市、中国优秀旅游城市、国家历史文化名城，是一座具有4700多年历史，2500年建城史的古都。太原市城区位于山西省中部，东、西、北三面环山，中、南部为河谷平原。全市整个地形北高南低呈簸箕形[9]，属北温带大陆性气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。本文以太原市建成区为研究对象，太原市建成区南北长、东西窄，包括万柏林区、尖草坪区、杏花岭区、迎泽区、小店区、晋源区的部分区域。

2 数据来源与处理

本研究数据太原市近20年(1999—2018年)热岛时空演变特征，来源于Landsat系列卫星数据，涉及到Landsat-5和Landsat-8数据。主要包括太原地区Landsat-5扫描成像的TM影像和Landsat-8扫描成像的OLI陆地影像以及TIRS热红外影像。TM影像7个波段和OLI、TIRS影像11个波段的特性以及不同波段反映景观要素特征见表1。数据釆集时间为6—8月，间隔期4年，由于1998年和2002年夏季数据云量过大，影响计算结果，改用1999年和2003年替代，同时参考太原市建成区矢量地图和太原市规划行政图等。

表1 Landsat遥感数据

3 地表温度数据反演

3.1 数据预处理

整理下载Landsat-5和Landsat-8数据，并对数据进行预处理，通过ENVI5.1和GIS10.2软件，分别对太原市1998年、2002年、2006年、2010年、2014年和2018年Landsat-5和Landsat-8影像数据进行辐射定标，将辐射定标以后的数据通过FLAASH模块进行大气校正，得到矫正后的数据[10]。最后通过GIS10.2软件将得到的数据结合太原市建成区矢量图进行裁剪，得到太原市建成区影像图。

3.2 地表温度计算

将处理过的数据通过ENVI软件计算得到植被覆盖度、地表比辐射率，由地表比辐射率计算黑体辐射亮度，由黑体辐射亮度和植被覆盖度计算地表温度[11]。

3.2.1植被覆盖度和地表比辐射率计算

可以大致将城市地表分为水体、自然表面和建筑表面3种，根据之前学者提出的混合像元分解法，计算地表比辐射率，计算公式为[12]：

ε=PVRVεV+(1-PV)Rmεm+dε

式中：ε为混合像元的地表比辐射率；PV为植被覆盖率；RV为植被的温度比率；Rm为建筑表面的温度比率；εV表示植被法地表比辐射率，εm表示建筑表面的地表比辐射率；d表示辐射校正项[13]。

PV植被覆盖率计算公式为:

PV=(NDVI-NDVIS)/(NDVIV-NDVIS)

式中：NDVI为归一化植被指数,NDVIV、NDVIS分别为植被和裸土的NDVI值[14]

3.2.2辐射亮度温度计算

式中:Tsenso为亮度温度值；L为影像预处理后得到的光谱辐射值，单位为w/(m2·sr·μn)、K1,K2为常量，可由数据头文件获取[8]。

计算图像辐射亮温之前，需采用辐射定标参数将像元灰度值DN转换为热辐射强度值，公式为：

LA=ML×DN+AL

式中:ML为增益参数，AL为偏移参数，该参数可直接在影像通文件数据中获取，且ENVI软件中已经集成，不需要自己查找。

3.2.3地表真实温度反演计算

式中，LST为地表温度，TS为亮 度 温 度，ε为地表比辐射率[15]。

3.2.4太原市地表温度分布图

根据地表温度反演计算公式，在ENVI遥感影像处理平台软件中，将1999年、2003年、2006年、2010年、2014年和2018年的6 期影像进行地表温度反演，并将地面亮温划分为5个温度等级，温度区间从低到高分别为低温、次低温、中温、次高温、高温[16]。具体分类方法为:

ΔT=Tmax-Tmin；Δt=ΔT/5

式中：Tmax为该数据遥感影像反演所得的研究区范围内的地表温度最高值，Tmin为该数据遥感影像反演所得的研究区范围内的地表温度最低值[12]

得到6期太原市地表温度分布图(图1)。利用地表温度反演法计算出来的地表温度值虽然和实际地面温度之间有误差，但温度高低和地表温度强弱趋势一致。在研究城市热环境时，通过地表温度反演遥感影像数据得到的地表温度，能够在一定程度上反映城市热环境高低温度信息、不同温度的分布区域情况以及城市热场分布等信息。

4 结果与分析

基于GIS技术，通过对太原市1999—2018年20年的地表温度进行反演分析，研究太原市建成区夏季热环境空间分布特征、太原市高温区转移和城市发展建设迁移以及城市绿地建设的关系，从而分析太原市热环境时空演变特征。图2至图7半透明红区域色表示高温集中区，具体分析如下。

4.1 太原市夏季热岛演变分析

1)从图2可以看出，1999年高温区主要分布在太原市北城区，汾河东西两侧，高温区相对集中，太原市南城区尚无高温现象。高温区、次高温区主要集中在城市北面，包括尖草坪区、杏花岭区，中温区主要在太原市中部偏北，包括万柏林区北侧和迎泽区北侧，太原市南面多处于次低温区和低温区。1999年太原市主城区主要集中在北城区，太原市北城区工厂较多，工业制热多，人口相对集中，尤为典型的是位于太原市尖草坪区汾河东西两岸的太钢集团和太原市选煤厂。

2)从图3可以看出，2003年高温区开始向南移动，高温区主要有2块，主要分布在太原市北城区和太原市中部区域，高温区相对集中。万柏林区以南、晋源区大部分和汾河多处于低温区和次低温区。2003年城市建设开始向南扩展，万柏林区以南，小店区开始城市建设，晋源区人口相对较少，农田面积较大，水体面积大。

3)从图4可以看出，2006年高温区主要集中在太原市城南的小店区。城北和城西次高温区较多，太原市中东部地区大多处于次低温区和中温区。2006年城市建设继续向南发展，新建商业、改建城中村，小店区不断开发建设，引进了新型企业，城北和汾河以西的钢铁厂、化肥厂和太原市第一热电厂等不断扩大生产，产生大量的工业热。太原市区汾河以东的迎泽区杏花岭区公园绿地相对其他区域较多，温度较低。

4)从图5可以看出，2010年高温区有3块，主要分布在太原市北城尖草坪区太钢工业园区附近，城市中部万柏林区下元附近以及太原市区以南的小店区。2010年城市建设加快，城市继续向南发展，下元附近城中村改建，新建住宅商业，人口不断在城南集中，城市建设加快，农田绿地减少，工业产热不断增加。

5)从图6可以看出，2014年高温区相对分散，太原市有多个高温区，6个区均有高温现象，从北向南依次是尖草坪区的太原选煤厂周边、太钢集团周边；万柏林区下元公交站周边、客运西站和太重集团周边区域；迎泽区的火车站、服装城附近；小店区火车南站附近以及高新区的富士康园区周边。紧邻汾河两岸和太原市最南端处于次低温区，汾河和晋阳湖以及城区内其他水体区域处于低温区。2014年全城全面建设，大量城中村改建，同时开始新建公园。

6)从图7可以看出，2018年高温区集中，有2块，分别位于城北太钢工业园区附近和城南小店区高新技术开发区周边。其中水体附近温度较低，包括汾河两岸和晋阳湖等水系。其余区域大多处于中温区。2014年以后不断地加强绿地建设，2018年新建续建9个公园，包括迎泽区迎泽公园续建项目、晋源区西寨公园、金桥公园、小东流公园等。

图2 太原市1999年地表温度Fig.2 Surface temperature of Taiyuan in 1999图3 太原市2003年地表温度Fig.3 Surface temperature of Taiyuan in 2003图4 太原市2006年地表温度Fig.4 Surface temperature of Taiyuan in 2006

图5 太原市2010年地表温度Fig.5 Surface temperature of Taiyuan in 2010图6 太原市2014年地表温度Fig.6 Surface temperature of Taiyuan in 2014图7 太原市2018年地表温度Fig.7 Surface temperature of Taiyuan in 2018

4.2 太原市夏季热环境整体分布

1999—2018年，从空间分布上看，城市中心人口密集、高层建筑以及商场多的区域地表温度明显较高，反映出非常显著且集中的高温区，例如下元、长风大街附近。而在城市中的公园绿地、水体等一些区域地表温度相对较低，形成一些大小不一的低温区或次低温区，例如森林公园，迎泽公园，汾河公园附近。由于城市下垫面性质不同，包括绿地、水体、柏油路等，地表温度也有着明显的不同。由此可以看出，绿地、水体可以降低地表温度，对城市热环境的改善非常重要。从时间演变上看，从1999—2004年，城市高温区、次高温区比重逐年増多，热环境不断恶化，一直到2014年才有所好转。受城镇化和城市建设发展方向的影响，城市热环境在空间上表现出不均衡性，在时间上表现出与城市建设发展的一致性，太原市不断向南发展，城市高温区也从北到南逐渐转移。

4.3 太原市近20年夏季年均温变化

通过ENVI软件反演得到6年夏季地表温度特征，进行统计得到最低温度、最高温度、平均温度(表2)。并制作夏季年均温折线统计图(图8)。

表2 太原市1999—2018年地表温度特征

图8 太原市近20年平均温度折线统计Fig.8 Broken lines of average temperature of Taiyuan in recent 20 years

从图8可以看出，1999—2003年，太原市夏季年均温缓慢上升；2003—2014年，温度上升速度较快；2014—2018年，太原市夏季年均温开始下降，且下降速度较快。

5 结论

结合太原市6年 Landsat近似地表温度数据，分析近20年太原市热环境时空演变特征。结果表明：近20年太原市热环境变化明显，2006年之前太原市高温区主要集中在北城，2006—2014年，高温区增加较快，热环境恶化，且高温区逐渐向南转移，2014—2018年夏季热环境有所改善，夏季高温区减少，且均温有所下降；太原市近20年热中心的迁移与城市发展重心一致，均是向城南转移。

研究太原市近20年城市热环境变化情况，LandsatTM遥感影像通过温度反演法得到地表温度，分析热环境变化趋势，但由于原始数据的日期不能统一到每年的同一天和同一时刻，所以该研究成果只适用于太原市近20年夏季的热环境变化。而且，本研究只挑选了太原市近20年中6个年份的数据，并未选取连续年份的数据，因此无法对连续年份的热环境时空演变进行分析。在今后的研究中可更加细分研究，对每年的热岛变化进行深入研究。