许辉熙

(四川建筑职业技术学院测绘工程系，四川德阳 618000)

资阳市城市热岛效应动态评价

许辉熙

(四川建筑职业技术学院测绘工程系，四川德阳 618000)

利用四川省资阳市1988年6月23日、1999年8月12日和2006年7月30日的Landsat TM/ETM+遥感影像提取了三个时期的城市信息，然后对热红外波段进行辐射定标和亮度温度反演，在此基础上进行温度分级和热岛强度计算，最后进行了热岛效应的时空演变分析。研究结果表明: (1) 1988年，旧城区范围内的热岛效应不明显，但到了1999年和2006年，旧城区范围内的热岛效应比较突出； (2) 在1988～1999年间和1999～2006年间，城市扩展区由非城市建成区演变为城市建成区之后，热岛效应都比较显著。(3)1988-1999-2006年间，热岛强度呈现先增强、后减弱的趋势。

城市热岛效应; 归一化建筑指数; 热红外遥感; 亮度温度; 加权平均热岛强度; 时空演变; 转移矩阵

随着城市化进程的加快，城市人口不断增加，下垫面性质发生根本性改变，导致城市区域的温度往往会高于郊区，这样就形成了一种独特的气候现象—城市热岛效应(Urban Heat Island Effects)[1]。目前，中国正处于城市化高速发展时期，城市生态环境问题越来越受到人们高度关注。揭示城市化过程中热岛效应的特点和规律，对于改善城市人居环境、提升城市生态功能、促进城市的健康与可持续发展都具有重要意义。早期的热岛效应研究，主要基于气象观测资料进行。其观测点位密度非常有限，同步性和空间代表性差，要想研究城市热岛的平面展布、内部结构特征以及时空演变非常困难。近年来，随着遥感技术的广泛应用，由于它观测范围大、能够动态反演，利用热红外遥感影像来研究热岛效应已经成为遥感应用的热点领域[2]。本文利用多时相的遥感影像研究四川省资阳市的城市热岛效应，以期为资阳市的城市生态环境保护提供决策支持，有望填补资阳市在城市热岛效应研究方面的空白，并为其它城市的研究提供参考借鉴和类比案例。

1 研究区概况与数据源

资阳市地处四川盆地中部，介于104°21′～105°27′E，29°15′～30°17′N，西靠成都、眉山，东接重庆，北邻德阳、遂宁，南连内江，是四川唯一同时连接成渝“双核”的新兴工业城市。1998年设立地区，2000年建市，辖雁江区、简阳市、安岳县和乐至县，幅员面积7 962 km2，总人口500万，是四川省最年轻的地级市。资阳市各县区年平均气温 17 ℃左右；年降水量950 mm左右；年日照1 250 h左右；最热月8月，平均气温26.5℃左右；最冷月1月，平均气温6.5℃左右；极端最高气温40.2℃；极端最低气温-5.4℃。

研究使用 1988年6月23日、2006年7月30日的Landsat TM影像和1999年8月12日的Landsat ETM+影像，轨道号为129/039。数据格式为Geotiff，UTM投影，三期影像地理坐标一致，影像质量良好。

2 数据处理

2.1 基于遥感影像提取城市信息

研究城市热岛效应，首先需要获取城市信息。本研究采用基于遥感影像的归一化建筑指数法 (Normalized Difference Building Index,NDBI)，并结合人工目视解译调整进行。NDBI计算公式为：

NDBI=(Band5-Band4)/ (Band5+Band4) (1)

式中：Band5、Band4分别代表TM/ETM+影像的第5、第4波段的反射率或者灰度值。图1为资阳市三个时期的城市范围信息提取结果。

图1 研究区范围及不同时期城市建成区信息

经统计，1988、1999和2006年三个年份资阳市城市建成区的面积分别为3.53 km2、8.73 km2和14.47 km2。1988～1999年的11年间，城市扩展了5.20 km2，而1999～2006年的7年间，城市扩展了5.72 km2，这表明资阳市自建市以后，城市扩展速度加快。

2.2 辐射定标与亮温反演

2.2.1 辐射定标

辐射定标就是利用定标系数将遥感影像热红外波段的灰度值(Digital Number,DN)转换为对应的热辐射强度值。采用下式对ETM+热红外波段辐射定标[3]：

Lλ=gain×DN+bias

(2)

式中:Lλ为辐射强度值，单位为W·m-2.ster-1.μm-1；DN为影像灰度值；gain和bias为增益和偏移，在影像头文件中获取。

采用下式对TM热红外波段辐射定标[4]：

Lλ=DN×0.005632156+0.1238

(3)

式中，Lλ的单位为mW·cm-2.ster-1.μm-1。

2.2.2 亮温反演

热红外遥感热探测到的是地物的辐射温度，这种辐射温度是将地物视为黑体，未经大气校正，以像元为单位的平均地面辐射温度，称黑体亮度温度，简称“亮温”。将辐射强度转换为像元亮度温度的公式为[3,4]：

(4)

式中：Ts为辐射亮温，单位：℃；Lλ为辐射强度值；k1、k2为订正系数。对于ETM+热红外波段，k1为666.093 W· m-2·ster-1·μm-1，k2为1 282.708 k；对于TM热红外波段，k1为60.766 mW·cm-2·ster-1·μm-1，k2为1 260.56 k。

2.3 温度分级

根据定义，城市热岛效应是指城市区域温度和高于郊区的现象。因此，对温度分级是针对城市建成区和周边一定范围的郊区(即研究区)来进行的。为简便起见，研究区以建成区为中心取一个矩形区域。本研究将温度分为高温区、次高温区、中温区、次低温区和低温区五个等级。

采用均值-标准差法[5]对矩形研究区进行温度分级，然后利用三个时相的城市建成区范围进行裁减，得到资阳市区三个时相的亮温分级图(图2～图4)。当城市温度被划分为五个等级的时候，通常把高温区和次高温区定义为城市热岛区域[5]。

图2 资阳市区1988年6月23日亮温等级

图3 资阳市区1999年8月12日亮温等级

图4 资阳市区2006年7月30日亮温等级

2.4 计算热岛强度

热岛强度指标能够反映城市建成区热岛效应的强弱情况。选取加权平均热岛强度作为表征城市热岛强度的参数，它是依据热岛面积指数法求取，即对建成区温度按面积进行加权计算，从微观上反映城市热岛强度总体情况，计算公式为：

(5)

式中:P表示热岛强度，单位：℃；n表示温度等级数，本研究n值取5；Ti和Ai分别表示不同温度等级的平均温度和面积比例，下标avg表示平均温度，TOavg代表郊区平均温度。

经计算，1988年6月23日、1999年8月12日和2006年7月30日的加权平均热岛强度分别为1.73℃、2.61℃和2.13℃。

3 热岛效应时空演变特征分析

3.1 1988～1999年热岛效应演变

对于1988年和1999年的研究区温度等级图，均按1999年的建成区范围进行掩膜提取；再将二者做差值计算，得到1988～1999年亮温等级空间演化图(图5)。

图5 1988-1999年间亮温等级转换

图5直观展示了旧城区(图中斜线区域所示)和城市扩展区(图中无斜线区域)范围内，不同温度等级之间的空间演化情况，对之分别进行统计，得到旧城区的温度等级转移矩阵(表1)和城市扩展区的温度等级转移矩阵(表2)。

表1 1988～1999年旧城区各级温度的面积转移矩阵 hm2

表2 1988～1999年城市扩展区各级温度的面积转移矩阵 hm2

由图5、表1、表2结果综合分析可知，1988～1999年间，资阳市旧城区温度等级的转换主要表现为高温、次高温和中温区之间的相互转换，尤其是次高温区和中温区转换为高温区最明显，转换后高温区面积明显增加，次高温区和中温区明显减少。高温区和次高温区面积比例从48.38 %急剧增加到96.28 %，数据表明1988年旧城区热岛效应不明显，但到了1999年，旧城区的热岛效应已经非常突出。

1988～1999年间，城市扩展区的温度等级转换比较明显，主要表现为高温区的急剧增加，次高温区略有增加。高温区和次高温区面积比例从19.91 %急剧增加到86.51 %，其增温来源于中温区、次低温和低温区的转换。城市扩展区由非城市建成区演变为城市建成区之后，热岛效应显著。

3.2 1999～2006年热岛效应演变

图6资阳市1999～2006年亮温等级空间演化图，表3为旧城区的温度转移矩阵，表4为城市扩展区的温度转移矩阵。

图6 1999-2006年间亮温等级转换

由图6、表3、表4结果综合分析可知，1999～2006年间，资阳市旧城区温度等级的转换仍然主要发生在高温、次高温和中温区之间的相互转换，尤其是高温区降为次高温区和中温区占居主导。高温区和次高温区面积比例从91.53%降低到87.19%，表明旧城区热岛效应有所缓解，但仍比较明显。

1999～2006年间，城市扩展区的温度等级转换比较明显，主要表现为高温区的急剧增加，其增温来源于次高温区、中温区和次低温的转换。高温区和次高温区面积比例从25.50%急剧增加到84.01%，城市扩展区由非城市建成区演变为城市建成区之后，热岛效应显著。

表4 1999～2006年城市扩展区各级温度的面积转移矩阵 hm2

4 结论

(1)在1988～1999年间和1999～2006年间，旧城区温度等级转换比较剧烈。1988～1999年间高温区面积明显增加，次高温区和中温区明显减少，主要表现为增温效果，旧城区在1988年热岛效应不明显，但到了1999年旧城区的热岛效应已经非常突出。而1999～2006年间，高温区降为次高温区和中温区占居主导，降温特征明显，旧城区热岛效应有所缓解，但仍比较明显。

(2)在1988～1999年间和1999～2006年间，城市扩展区的温度等级转换都比较明显，主要表现为高温区的增加，其增温来源于中温区、次低温和低温区的转换。城市扩展区由非城市建成区演变为城市建成区之后，热岛效应显著。

(3)资阳市1988年、1999年和2006年的加权平均热岛强度分别为1.73℃、2.61℃和2.13℃，呈现先增强、后减弱的趋势。

[1] 周淑贞,束炯.城市气候学[M].北京:气象出版社,1994.

[2] 杨英宝,苏伟忠,江南.基于遥感的城市热岛效应研究[J].地理与地理信息科学,2006,22(5):36-40.

[3] Chander G, Markham B,“Revised Landsat-5 TM Radiometric Calibration Procedures and Postcalibration Dynamic Ranges”,IEEE Transactions on Geoscienee and Remote Sensing, vol.4l(11), 2003, pp.2674-2677.

[4] 覃志豪, Zhang Minghua, Arnon Karnieli,等.用陆地卫星TM6数据演算地表温度的单窗算法[J].地理学报,2001,56(4):456-466.

[5] 陈松林,王天星.等间距法和均值标准差法界定城市热岛的对比研究[J].地球信息科学学报,2009,11(2):145-147.

2014-11-04

四川省环境保护重大科技专项(2013HBZX01),四川省环保科技项目(2010HBY003)。

许辉熙(1979～)，男，工学博士，副教授，研究方向：地理学、遥感与GIS技术应用。

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