基于LANDSAT地表溫度的上海城市熱島時空格局分析

曹璐+++張苗+++黃昊

摘 要：利用1997年和2002年的Landsat TM/ETM影像數(shù)據(jù)，提取了上海地區(qū)的地表溫度，分析研究了上海的城市熱島效應(yīng)的時空格局變化。結(jié)果表明，低溫區(qū)的面積從1997年到2002年的比例明顯下降，分布更分散；次低溫區(qū)面積增加，分布呈現(xiàn)出明顯的多中心格局；溫度等級高的地區(qū)主要是人口密集和人類活動頻繁的區(qū)域。

關(guān)鍵詞：上海；城市熱島；時空格局

越來越多的人口涌入城市，受到廣泛關(guān)注的城市化是當(dāng)今世界上重要的社會、經(jīng)濟現(xiàn)象之一。城市熱島作為城市化產(chǎn)生的一個顯著后果，也逐漸成為城市研究的焦點。城市化，就是把自然景觀改變成人工景觀的過程，同時也改變了城市地表的物理特性。地表溫度是改變最明顯的，這對于城市生態(tài)環(huán)境的研究至關(guān)重要。城市下墊面類型和性質(zhì)直接影響地表溫度的上升和下降，城市景觀的高度異質(zhì)性導(dǎo)致下墊面的特性差異很大，是研究城市地表溫度的挑戰(zhàn)。通過氣象觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是傳統(tǒng)的研究手段，受到人力物力、下墊面差異、時間尺度和觀測數(shù)據(jù)的多種影響，存在很多困難。相比傳統(tǒng)的方法相比，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)，能夠獲取大范圍、多時相的數(shù)據(jù)，是研究城市生態(tài)環(huán)境的重要手段，具有廣泛的應(yīng)用性。定量提取地表溫度、植被指數(shù)和其他表征地表特性的指數(shù)，可利用不同的遙感傳感器獲取的遙感數(shù)據(jù)，能夠為城市熱島的研究提供大量的、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

城市的土地利用和土地覆蓋能夠影響著地表輻射的吸收和釋放，其中的每個組成部分都受到周圍環(huán)境的影響，有獨特的輻射、濕度、熱能及空氣動力學(xué)的性質(zhì)。對地表溫度影響最大的因素之一是植被，植被的性質(zhì)和數(shù)量是影響太陽輻射在顯熱和潛熱通量間的分配的因素，造成植被覆蓋區(qū)和裸地之間地表溫度的差異。城市中的人工景觀逐漸代替自然景觀，比例不斷提高的不透水面，成為影響地表溫度的又一重要組成部分。

隨著我國的經(jīng)濟快速發(fā)展，不斷加快的城市化進(jìn)程，迅速增加的城市建設(shè)區(qū)域面積，改變了城市的規(guī)模和空間格局。上海，是中國城市化程度最高的城市，正面臨著各種問題，如物候反常、大氣污染、對人體健康的危害等，都是城市熱島效應(yīng)帶來的。對于上海的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)城市的建設(shè)，這些問題將是很大的阻礙。因此，為尋找造成城市熱島的原因，科學(xué)地指導(dǎo)上海的城市規(guī)劃、建設(shè)和環(huán)境改善，利用遙感技術(shù)研究上海城市熱島的時空格局變化趨勢，具有非常積極的意義。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

文章使用的數(shù)據(jù)分別是1997年04月11日和2002年08月23日獲取的兩個時相的Landsat TM/ETM影像數(shù)據(jù)。其中1997年影像為TM數(shù)據(jù)，2002年影像為ETM數(shù)據(jù)。

Landsat4、Landsat5機載TM傳感器，1982年發(fā)射。Landsat5每16天覆蓋全球一次，包含7個波段影像。其中波段1-5和7的空間分辨率為30米，波段6（熱紅外波段）的空間分辨率為120米。Landsat7于1999年發(fā)射，攜帶增強型主題成像儀（ETM+），影像包括8個波段，其中1-5和7波段的空間分辨率是30米，波段6的空間分辨率是60米，波段8的空間分辨率是15米。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

分別將1997年04月11日和2002年08月23日的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正到WGS84NUTM51的投影坐標(biāo)系中，再分別在每個時相的影像數(shù)據(jù)中將研究區(qū)域提取出來。為了能夠?qū)Σ煌愋?、不同空間和不同時間的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行定量比較，將圖像的DN值經(jīng)過輻射定標(biāo)，轉(zhuǎn)換成輻射強度，再轉(zhuǎn)換成大氣層頂反射率。

1.3 研究方法

城市中的地表溫度受到其表面組合和空間復(fù)雜性的影響，而這些組分通常比TM/ETm傳感器的分辨率小，就存在一個像元里有多個土地利用類型，即混合像元的問題。植被-不透水面-土壤（V-I-S）模型是1995年由Ridd提出的，模型指出城市中的土地利用可認(rèn)為是由植被、不透水面和土壤以不同的比例組成的。在V-I-S概念模型的基礎(chǔ)上，通過最小噪音分離、純凈像元指數(shù)計算、選取端元等線性光譜分解的方法提取出不透水面蓋度和植被蓋度圖；再結(jié)合利用熱紅外波段計算研究區(qū)內(nèi)的地表溫度；將計算得到的地表溫度數(shù)據(jù)劃分等級，再對圖像進(jìn)行疊加計算，由所得圖像來分析城市熱島的時空變化特征。

2 結(jié)果分析

2.1 城市熱島空間分布特征

由兩個時相影像數(shù)據(jù)計算所得的地表溫度統(tǒng)計最大值、最小值、均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

兩個時相的數(shù)據(jù)獲取時間分別為4月11和8月23日，分別屬于春季和夏季，而不同季節(jié)間的溫度范圍有顯著差別，這會影響到對地表溫度的直接比較和分析，故需要對溫度數(shù)據(jù)做標(biāo)準(zhǔn)化處理。公式： a=（T-Tmin）（Tmax-Tmin）

式中a是經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化后的溫度值，T表示反演得到的地表溫度，Tmax和Tmin分別表示未標(biāo)準(zhǔn)化的地表溫度最大值和最小值。將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，地表溫度的取值范圍為0-1，1表示地表溫度最大值，0表示地表溫度最小值，再比較不同時間獲取的數(shù)據(jù)。圖1為經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后的地表溫度分布圖。

溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化后，不同季節(jié)間的地表溫度可以直接進(jìn)行對比分析。將地表溫度數(shù)據(jù)分為四個等級，得到四個溫度區(qū)間：0-0.25為低溫區(qū)，0.25-0.5為次低溫區(qū)，0.5-0.75為次高溫區(qū)，0.75-1為高溫區(qū)。這樣的劃分可以更加直觀地表現(xiàn)出地表溫度在空間和時間上的動態(tài)變化，經(jīng)過劃分等級后的地表溫度圖如圖2。

由圖2可看出，1997年的溫度等級圖中，在黃浦江兩岸的外環(huán)線內(nèi)主要是次高溫區(qū)和高溫區(qū)，這里是城市的中心地帶，面積并不大；次低溫區(qū)的分布表現(xiàn)出在城市的中心地帶向外擴展，較多分布在現(xiàn)在的浦東，有少面積分布在在金山，奉賢，松江各區(qū)的中心；松江、青浦和嘉定等這些范圍內(nèi)有大面積的農(nóng)田，存在較多面積的低溫區(qū)。從2002年的溫度分級圖中可看出，高溫區(qū)和次高溫區(qū)的面積有逐漸增加的趨勢，并且分布呈現(xiàn)出明顯的多中心格局；較高溫區(qū)分布的區(qū)域主要是人口眾多的繁華地帶。由以上兩個時相的數(shù)據(jù)顯示，溫度等級有所提升的區(qū)域為居住人口眾多，社會、經(jīng)濟活動頻繁的地帶。而研究區(qū)的城市發(fā)展呈現(xiàn)出多中心擴展的趨勢。城市的空間布局、人為熱的排放和植被覆蓋等多種因素綜合影響城市熱島效應(yīng)的空間格局。

2.2 城市熱島時間變化特征

為了能夠?qū)?997年到2002年間的城市中不同溫度等級的變化進(jìn)行定量分析，對每個溫度等級所占的面積比例進(jìn)行統(tǒng)計，如圖3。

圖3顯示出，1997年，低溫區(qū)的面積達(dá)到了40%，而到了2002年，低溫區(qū)的面積所占比例明顯減少，次低溫區(qū)的面積增加的比例達(dá)到30%，呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢。由于文章是等距劃分了標(biāo)準(zhǔn)化后的地表溫度等級，導(dǎo)致每個溫度分級的比重不均勻，兩個年份的次高溫區(qū)和高溫區(qū)的面積都比較少，但是變化非常明顯。2002年低溫區(qū)的面積比例相比1997年明顯下降，次低溫區(qū)和次高溫區(qū)的面積比例有所上升。

3 結(jié)束語

城市化就是一個人口向城市空間聚集和改變城市環(huán)境的過程，而城市化程度越高的區(qū)域熱島效應(yīng)越顯著，城市的面積在不斷擴大，并且有向四周擴散的趨勢。

根據(jù)上文中的1997年和2002年兩個時相的地表溫度數(shù)據(jù)可以看出：熱島效應(yīng)增強的地區(qū)主要是上海的城市中心地帶，這些地帶受熱島效應(yīng)影響的面積持續(xù)增加，是與城市的發(fā)展密切相關(guān)的?；谡麄€研究區(qū)域來分析，城市熱島的分布并不只是集中在發(fā)展歷史已久的城市中心，而是表現(xiàn)出多中心的分布格局，以城市中心地帶外圍的多個中心為起點向四周擴展開來。這樣的發(fā)展趨勢反映出在研究區(qū)內(nèi)，城市的發(fā)展在早期有很強向心力的單一中心發(fā)展到后期的多中心的格局，傳統(tǒng)中心區(qū)的功能作用被不斷削弱，城市的發(fā)展從多個中心向外擴展。

根據(jù)圖中的土地利用類型來看，城市中具有明顯降溫作用的是綠地，較低溫度的地區(qū)通常都覆蓋有植被，植被在一定程度上緩解了城市熱島效應(yīng)?？墒俏挥谥行牡貛У木G地面積都比較小，并且分布并不集中，表現(xiàn)出分散的狀態(tài)，對于整個研究區(qū)域的城市熱島效應(yīng)的減弱作用不顯著。

城市的熱島效應(yīng)的時空格局在不同的時期具有不同的特點，并且伴隨城市化發(fā)展的趨勢。相關(guān)研究指出，文章研究區(qū)域在1990年到2000年期間，城市的形態(tài)表現(xiàn)出中心城區(qū)、衛(wèi)星城、郊區(qū)城鎮(zhèn)及沿交通干道分布的“多核-多軸”的多邊形的分布模式，上海的中心城區(qū)面積在2000年以后，增長的幅度減緩，郊區(qū)的城市化地區(qū)面積增幅顯著。與文章中的結(jié)果是一致的。

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