杜晋苗，孙艳玲，马振兴，王中良

（天津师范大学城市与环境科学学院，天津 300387）

基于Landsat8的天津地区夏季城市热岛区分布特征研究

杜晋苗，孙艳玲，马振兴，王中良

（天津师范大学城市与环境科学学院，天津 300387）

为掌握城市热岛区的分布特征以寻求缓解城市热岛效应的可行方法，选取2013年7月24日和8月25日两景Landsat8天津地区遥感影像，采用单窗算法反演地表温度，并在此基础上，利用Senanayake等提出的方法确定夏季城市热岛区，分析热岛区与植被和水体的关系.结果表明：研究区夏季地表温度平均值约为31.5℃，以中温区和较低温区为主；热岛区的地表温度在36℃以上，所占区域为研究区面积的6.12%，且空间分布不均，呈现市区和塘沽中东部2个中心，景观格局呈零星状和组团状，热岛区斑块面积相差较大；结合实例采用空间叠加法分析热岛区与植被和水体的关系，发现热岛区内几乎无植被和水体分布，说明水体和植被对热岛具有缓解作用.

城市热岛区；地表温度；单窗算法；夏季；天津地区

城市热岛是指在人口集中的城市地区，地表温度及大气温度局部或整体高于周围非城市环境的一种现象，在等温线上，温度较高的城市类似一个突出海面的温暖岛屿[1-2].城市热岛的形成是多个因素共同作用的结果，其中城市化进程中下垫面变化和人为热的排放对热岛形成的贡献较大.随着城市规模扩大，自然下垫面被水泥和沥青等人造的不透水面替代，加之人类集聚，消耗大量资源后排放的余热和废气，促使城乡气候环境产生显著差异[3].城市热岛一年四季都可能会出现，对居民生活影响较大的是夏季高温天气的热岛效应[4]，持续的高温导致居民患有身体功能失调和精神紊乱等疾病.此外，高温加快了大气污染物质的光化学反应，加重了大气污染程度，最终影响宜居城市的建设.为了更好地解决城市热岛问题，提高居民生活环境质量，维护城市可持续发展，有必要对夏季城市热岛区的分布进行研究.

遥感技术具有时间同步性好、覆盖范围广、直观定量和成本低等特点，能够用于研究空间结构等细节特征变化[5-6]，为清晰呈现热岛区范围提供了技术支持.利用遥感进行城市热岛研究主要是利用热红外波段对地表温度进行反演，数据源主要包括 NOAA/ AVHRR、HJ_1B、MODIS、ASTER和Landsat热红外波段数据等[3，7-9].相比较而言，Landsat热红外数据采用单窗算法反演地表温度，与实际温度一致性较好，成为研究城市热岛的主要数据源[10].

天津作为我国四大直辖市之一，城市化水平居全国前十位，很多学者对天津地区的城市热岛效应进行了相关研究.从目前的研究成果看，主要是从时间序列上对城市热岛的空间变化特征和格局进行研究，或利用气象资料分析城市热岛的月、季、年变化特征[9，11-14].目前，界定城市热岛一般有2种方法，一种是利用热岛强度衡量，另一种是反演地表温度或亮度温度后分类，将极高温和高温定义为热岛区.采用由Senanayake等[15]提出的确定热岛区的方法进行城市热岛研究还未见报道.因此，本研究基于2013年7月和8月的Landsat8数据，采用单窗算法反演地表温度，借鉴Senanayake等提出的方法界定天津地区夏季热岛区分布，并在此基础上，运用空间叠加方法并结合实例分析热岛区的分布特征以及热岛区与水体和植被的关系，以期为天津缓解和控制城市热岛提供依据.

1 研究数据与方法

1.1 研究区概况

天津位于38°34′N～40°15′N，116°43′E～118°04′E，属于暖温带半湿润大陆性季风气候，全年平均气温为13.4℃，地势平坦，紧邻渤海，是北方重要的沿海开放城市.管辖范围包含市内六区（河北区、南开区、红桥区、和平区、河东区和河西区）、环城四区（西青区、北辰区、东丽区和津南区）、滨海新区（汉沽、塘沽和大港）和远郊区县（武清区、宝坻区、蓟县、宁河县和静海县）.参考城市热岛的特点和已有研究[9，13-14]，将市内六区、环城四区和滨海新区作为研究对象，如图1所示.该区域约占全市总面积的34%，承载了约全市常住人口的72%，是天津工商业活动密集区和城市化进程较快区.

图1 研究区示意图Fig.1 Location of the study area

1.2 数据来源与处理

采用2013年Landsat8遥感影像，数据来源于中国科学院遥感与数字地球研究所对地观测数据共享计划（http：//ids.ceode.ac.cn/query.html）.本研究主要针对2013年天津地区夏季城市热岛区进行研究，由于6月份的遥感影像被云遮盖较大，故选取成像质量较好的2013年7月24日和2013年8月25日覆盖研究区的两景遥感影像.影像条带号为122/33，全色波段分辨率为15 m，其他波段分辨率为30 m.辅助数据包括天津市1∶50 000地形图和天津市行政区划图，用于校正和裁剪遥感影像.

参照地形图，运用ArcGIS10.1对两景影像进行几何精校正，保证误差控制在最小范围内.在统一坐标系（WGS1984_UTM_zone_50N）的前提下，矢量化天津市行政区划图，导出研究区的矢量图.将遥感影像中的研究区进行掩膜处理，提取研究区内遥感影像，用于后续分析和研究.

1.3 地表温度的反演

采用覃志豪的[16]提出的单窗算法，利用热红外通道辐射值实现温度反演.

式（1）中：LST为地表温度；a和b为常数，a=-67.3554，b=0.458 61；Tsenor为亮度温度；Ta为大气平均作用温度，Ta=16.011 0+0.926 21T0，其中T0是近地面气温（K）；C=着子；D=（1-子）[1+（1-着）子]，其中着为地表比辐射率，τ为大气透射率.

首先，根据式（2）和式（3）将热红外波段的DN值转换为亮度温度值，

式（2）和式（3）中：L为遥感器所接收的辐射强度；DN为像元的灰度值；Gain、Bias、K1和K2为卫星发射前预设常数，可在Landsat8元数据文件中获取，Gain= 3.342 0×104，Bias=0.100 00，K1和K2因波段不同而存在差异，第10波段中，K1=774.89mW/（sr·μm·cm2），K2=1 321.08 K；第11波段中，K1=480.89 mW/（sr· μm·cm2），K2=1 201.14 K.

然后，估算地表比辐射率着和大气透射率τ.地表比辐射率通过NDVI值估算，具体方法见文献[17].大气透射率采用覃志豪等提出的单窗算法的大气参数估算方程求取，此方程将大气刨面分为高气温和低气温两类，基于水分含量进行估算的具体方法见参考文献[18].

最后，将各参数代入式（1），反演地表温度.

1.4 热岛区的提取

参照Senanayake等[15]对科伦坡城市热岛的研究方法提取城市热岛区，确定城市热岛区的空间分布范围.首先采用均值标准差法（standard deviation）按照表1的分类标准对各月地表温度重分类（reclassify），并将分类后的地表温度赋值；然后将重分类后的地表温度图相加，得到赋值位于0～8的地表温度综合图，0值代表7月和8月地表温度均为高温区，定义为城市热岛区，最后提取0值斑块，生成2013年天津地区夏季城市热岛区分布图.

表1 地表温度分级表Tab.1 Classification of land surface temperature ℃

2 结果与分析

2.1 地表温度反演结果

采用2013年7月和8月的Landsat8数据反演地表温度，与Landsat TM/ETM+相比，Landsat8有2个热红外波段，求取2个波段地表温度平均值，并分析天津地区夏季城市地表温度分布特征，结果如图2所示.通过反演地表温度得出，7月地表温度最高值为50.39℃，最低值为24.94℃，平均值为31.65℃，温差为25.45℃；8月地表温度最高值为48.17℃，最低值为25.55℃，平均值为31.38℃，温差为22.62℃.

研究区地表温度的分级情况如图3所示.

图2 研究区地表温度分布Fig.2 Distribution of land surface temperature in study area

由图3可以看出，研究区夏季地表温度在市区和塘沽区存在2个明显的高温区，地表温度以市区和塘沽区为中心逐渐降低.

图3 研究区各温度区分布图Fig.3 Distribution of temperature classes in study area

统计7月和8月各地表温度面积比例，结果如表2所示.

表2 2013年夏季天津地区各地表温度比例Tab.2 Proportion of land surface temperature classes of Tianjin in summer in 2013%

由表2可知，7月和8月各类地表温度的面积比例变化较小，7月地表温度以中温区为主，其次为较低温区，8月地表温度以较低温区为主，其次为中温区.结合图3具体分析各类地表温度分布特征可知，研究区夏季地表温度以中温区和较低温区为主，占研究区面积的65%左右，位于大港和汉沽等远离城市的郊区；高温区和较高温区占研究区面积的30%左右，主要位于市内六区和环城四区等建成区内；低温区面积最小，主要为北大港水库、南大港水库和塘沽盐田的小部分区域.

2.2 夏季城市热岛区分布特征

通过借鉴Senanayake确定城市热岛区方法，得到2013年天津地区夏季城市热岛区分布情况，如图4所示.

图4 2013年天津地区夏季城市热岛区分布Fig.4 Distribution of urban heat island of Tianjin in summer in 2013

由图4可知，热岛区面积为253.42 km2，占研究区总面积的6.12%.通过对热岛区和地表温度空间分布图的叠加可知，热岛区分布在等温线大于36℃的区域.热岛区空间分布不均匀，呈现出市区和塘沽中东部2个中心，且市区和环城四区热岛区相连，塘沽热岛区单独分布，此格局与中国城市发展模式和天津市“双城”的空间发展理念一致.市区海河沿岸为天津市老城区，人口密度较大，商业繁华，城市规模不断沿着市区向环城四区扩张.2009年滨海新区成立，使塘沽紧邻渤海、海上交通便利的优势得到充分发挥，港口码头沿海分布，加之众多企业入驻，形成了独立于市区的另一个经济中心.与市区和塘沽相反，大港热岛区寥寥无几，只在北部有少量热岛区分布，因为此区主要以农业活动为主，并分布有北大港和南大港水库.同样，汉沽热岛区分布也较少，主要集中分布在县城的建成区.

对市区、北辰、东丽、西青、津南、塘沽、汉沽和大港的城市热岛区面积和所占比例进行统计，结果如表3所示.由表3可知，北辰热岛区面积最大，占热岛区总面积的26.13%；大港区最小；其他依次为市区、东丽、西青、塘沽、津南和汉沽.由以上分析可知，北辰热岛区已经形成一定规模，随着区域经济的发展，工业园区规模不断扩大，热岛区面积将会逐渐增加，最终形成热岛区斑块的大面积集聚，加重热环境危机.统计市内六区、环城四区和滨海新区的热岛区面积分别为53.86 km2、169.23 km2和30.33 km2，由此可知热岛区主要集中在环城地区和市内六区.相对而言，滨海新区的热岛区面积最小，主要集中在塘沽中东部的港口码头和工业区.

表3 2013年天津各区夏季城市热岛区面积及比例Tab.3 Area and proportion of urban heat island of districts of Tianjin in summer in 2013

从景观格局看，热岛区斑块数量为3 532块，最大面积为8.76 km2，最小仅576 m2，斑块较破碎，总体呈零星状和组团状并存格局.在市区、北辰区南部、东丽区西部和塘沽区中东部形成组团状热岛分布区，其他区呈零星状分布.位于市区和塘沽连接地带的东丽区和津南区相接处热岛区分布明显，通过查看谷歌地图和实地考察，此条带状热岛区位于连接市区和塘沽区的交通干线上.

2.3 城市热岛区与植被和水体的关系

植被和水体对热岛区具有明显的缓解作用，大量研究证实，归一化植被指数NDVI和修正归一化水体指数MNDWI与地表温度LST呈反比[19-20].徐涵秋[19]利用定量研究方法分析热岛效应与植被和水体的关系，本研究则采用空间叠加方法直观地呈现植被和水体的分布特征及其对热岛区的影响.归一化植被指数NDVI代表植被覆盖状况，一般情况下定义NDVI≥0.5的区域为完全植被覆盖区，由于研究区植被主要以农作物为主，根据相关专家意见，将NDVI＞0.35的区域确定为植被覆盖区.水体的确定基于徐涵秋提出的修正归一化水体指数MNDWI[21]，结合遥感影像得出.最后将热岛区图层、植被图层和水体图层叠加，结果如图5所示，用于分析研究区植被、水体覆盖对夏季热岛区的影响.

图5 2013年天津地区夏季热岛区与植被和水体的关系Fig.5 Relationships of vegetation and water with heat island in summer of Tianjin in 2013

由图5可知，热岛区主要位于市区等建成区内，水体和植被主要分布在建成区周围的郊区.在热岛区内，几乎无植被和水体覆盖，有植被和水体覆盖的地方未形成热岛区，此外，植被和水体覆盖区对周围热岛具有明显的缓解功能，由于植被和水体的面积和类型不同，缓解热岛区的效果也存在差异.

为进一步研究城市热岛区分布与植被和水体的关系，选取3个典型区域进行具体分析，结果如图6所示.图6位于河东区，图内居民区密集分布，多低层楼房，内部植被覆盖较少，主要的植被景观是小区附近的街心公园.离街心公园较远的区域在夏季形成热岛区，而在图中央的街心公园，其内部植被覆盖面积较大，无热岛区形成.将图中2个街心公园对热岛区的缓解作用进行比较发现，当植被覆盖面积足够大时，热岛区可以得到有效遏制.换言之，提高地表植被覆盖率在一定程度上可以缓解城市热岛区的扩张[20].但是城市土地资源有限，并不能将大量的土地用于绿地建设，需根据实际情况进行规划，如公园绿地应集中分布，小区绿地适宜分散、均匀分配[22].

图6 热岛区与植被的关系Fig.6 Relationship of heat island area with vegetation

图7反映的是不同陆地情况下，热岛区与水体的关系.图7（a）为塘沽港口码头地带，紧邻渤海，通过热岛区和真彩色图叠加发现，热岛区远离海岸线，在海岸带旁形成热岛区是由于此区为码头，多为水泥和沥青铺设的不透水地面，且铁质集装箱停放在空地中，该材质对热量的吸收率高，反射率低，但是水体对热岛效应的缓解作用使热岛区未能延伸至海边.在码头延伸至海中、被水包围的区域，热岛区明显减少，除了水体对热量的缓解作用外，海风也加速了空气流动，对驱散热量具有重要作用，黄利萍等[12]在针对天津市热岛强度和气象要素的相关性研究中指出风对热岛效应的影响.图7（b）为市区海河沿岸，海河横穿整个天津市区，从图7（b）中可以发现沿海河岸边几乎无热岛区分布，岳文泽[23]在城市典型水域景观的热岛环境效应研究中认为线状河流景观的宽度与河流流经区域共同决定了其对城市热环境的影响能力，此观点在该区可得到验证.图7（b）中海河宽约为100 m，沿岸分布有古文化街、滨江道商业区、火车站和意式风情区等，为天津市商业活动密集区，河水具有降温功能，加之沿岸植被的建设，使河岸周围热岛效应减弱.

图7 热岛区与水体的关系Fig.7 Relationship of heat island area with water

3 结论

利用Landsat8遥感影像反演地表温度，借鉴Senanayake等确定热岛区方法揭示天津地区2013年夏季热岛区分布特征，采用空间叠加分析热岛区分布与植被和水体的关系，得到以下结论：

（1）研究区夏季地表温度平均值约为31.5℃.中温区和较低温区占研究区面积的65%，位于水库、湖泊、盐田和农田等区域；高温区和较高温区占30%左右，主要位于市区、环城四区和塘沽的建成区.

（2）夏季热岛区占研究区总面积的6.12%，即253.42 km2，位于等温线大于36℃的区域，且分布不均匀.热岛中心为市区和塘沽中东部，市区和环城四区热岛区相连，塘沽热岛区单独分布，呈组团状和零星状并存的景观格局.

（3）植被和水体对热岛具有显著的缓解作用.植被和水体覆盖密集区未形成热岛，并且在热岛区内部，植被和水体降低了周围地表的温度，抑制了热岛区的扩张；在渤海沿岸，水体的降温作用使热岛远离海岸.因此，增加和保护植被和水体等生态用地是缓解天津地区城市热岛的重要措施.

[1]彭保发，石忆邵，王贺封，等.城市热岛效应的影响机理及其作用规律—以上海市为例[J].地理学报，2013，68（11）：1461-1471.

[2] 阳文锐，李峰，何永.2003—2011年夏季北京城市热景观变化特征[J].生态学报，2014，34（15）：4390-4399.

[3]张春桂，潘卫华，季青.基于MODIS数据的城市热岛动态监测及时空变化分析[J].热带气象学报，2011，27（3）：396-402.

[4]李柏延，任志远，李瑞宗，等.西安市地表温度反演及城市热岛强度定量化研究[J].资源科学，2014，36（12）：2631-2636.

[5]叶彩华，刘勇洪，刘伟东，等.城市地表热环境遥感监测指标研究及应用[J].气象科技，2011，39（1）：95-99.

[6]刘勇洪，徐永明，马京津，等.北京城市热岛的定量监测及规划模拟研究[J].生态环境学报，2014，23（7）：1156-1163.

[7]BALLINGRC，BAZILSW.High-resolutionsurfacetemperature patterns in a complex urban terrain[J].Photographic Engineering Remote Sensing，1988（54）：1289-1293.

[8] WU H，YE L P，SHI W Z，et al.Assessing the effects of land use spatial structure on urban heat islands using HJ-1B remote sensing imagery in Wuhan，China[J].International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation，2014，32：67-78.

[9]陈晨，蔡喆，闫维，等.基于Landsat TM/ETM+的天津城区及滨海新区热岛效应时空变化研究[J].自然资源学报，2010，25（10）：1727-1737.

[10]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.

[11]韩素芹，郭军，黄岁樑，等.天津城市热岛效应演变特征研究[J].生态环境，2007，16（2）：280-284.

[12]黄利萍，苗俊峰，刘月琨.天津城市热岛效应的时空变化特征[J].大气科学学报，2012，35（5）：620-632.

[13]孙艳玲，郭鹏，高晓燕.基于Landsat TM/ETM+的天津地区地表温度时空变化分析特征研究[J].天津师范大学学报：自然科学版，2012，32（1）：48-53.

[14]赵全勇，孙艳玲，王中良.城市化进程中天津城市热岛景观格局变化分析[J].天津师范大学学报：自然科学版，2014，34（2）：49-55.

[15]SENANAYAKE I P，WELIVITIYA W D D P，NADEEKA P M.Remote sensing based analysis of urban heat islands with vegetation cover in Colombo city，Sri Lanka using Landsat-7 ETM+date[J].Urban Climate，2013（5）：19-35.

[16]覃志豪，ZHANG M H，ARNON K，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.

[17]黄初冬，邵芸，李静.北京城市地表温度的遥感时空分析 [J].国土资源遥感，2008，77（3）：64-68.

[18]覃志豪，LIWJ，ZHANGMH，等.单窗算法的大气参数估计方法[J].国土资源遥感，2003，56（2）：37-43.

[19]徐涵秋.基于城市地表参数变化的城市热岛效应分析[J].生态学报，2011，31（14）：3890-3901.

[20]刘艳红，郭晋平.基于植被指数的太原市绿地景观格局及其热环境效应[J].地理科学进展，2009，28（5）：798-804.

[21]XU H Q.Modification of normalized difference water index（NDWI）to enhance open water features in remotely sensed imagery[J].International Journal of Remote Sensing，2006，27（14）：3025-3033.

[22]陈爱莲，孙然好，陈利顶.绿地格局对城市地表热环境的调节功能[J].生态学报，2013，33（8）：2372-2380.

[23]岳文泽，徐丽华.城市典型水域景观的热环境效应[J].生态学报，2013，33（6）：1852-1859.

（责任编校 亢原彬）

Distribution characteristics research of summer urban heat island in Tianjin based on Landsat-8 data

DU Jinmiao，SUN Yanling，MA Zhenxing，WANG Zhongliang
（College of City and Environmental Science，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

In order to know well the distribution characters of urban heat island areas to seek possible ways to alleviate urban heat island effect，the spatial distribution of summer urban heat island was inverted using mono-window algorithm choosing Landsat8 thermal band data of July 24，2013 and August 25，2013，and then the land surface temperature（LST）was retrieved and the relationship between urban heat island（UHI）with vegetation and water was studied using the method proposed by Senanayake based on the spatial distribution of summer urban heat island.The results show that the average land surface temperature is about 31.5℃in summer，medium temperature area and relatively low temperature area account for the main part of the study area.The LST of heat island area is about 36℃above，the area of heat island area account for 6.12%of the study area，and two centers of heat island area are distributed in downtown and east-central Tanggu because of the nonuniform of spatial distribution，and the landscape pattern is developed to the coexist between group and sporadic distribution，plaque area of heat island have quite different.The vegetation and water area is not covered in the heat island area，and the relieving effect of vegetation and water is remarkable in heat island area which is proved by the relationship among heat island area，vegetation and water using spatial overlay method combined with the examples.

urban heat island area；land surface temperature；mono-window algorithm；summer；Tianjin area

1671-1114（2015）04-0041-07

P463.3

A

2015-05-11

国家科技支撑计划项目课题资助项目（2012BAC07B02）；教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目（NCET-10-0954）.

杜晋苗（1989—），女，硕士研究生.

孙艳玲（1977—），女，副教授，主要从事资源环境遥感与全球变化研究.