基于Landsat衛(wèi)星的寧波城市熱島效應(yīng)研究

王曉霏 施冬

摘要：為了對寧波地區(qū)城市化進(jìn)程中的熱島效應(yīng)進(jìn)行研究，利用Landsat數(shù)據(jù)對寧波市的地表溫度進(jìn)行計(jì)算，然后分析寧波地區(qū)地表溫度變化及其與土地利用類型的關(guān)系。分析結(jié)果表明：1995-2015年寧波地區(qū)老城區(qū)等城市中心有著明顯的城市熱島效應(yīng)現(xiàn)象。且隨著寧波市中心到城市邊緣距離的增加，地表溫度明顯減少。對NDBI、NDVI與LST進(jìn)行相關(guān)性分析可知，NDVI與LST間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，NDBI與LST間存在顯著正相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：LST；熱島效應(yīng)；均值標(biāo)準(zhǔn)差；寧波；土地利用

中圖分類號：X16 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）11-0270-02

城市熱島是城市氣候變化最顯著的特征之一，它不僅增加城市生態(tài)環(huán)境的污染，還對人體的健康以及人類的生存構(gòu)成巨大的威脅[1]。本文以1995-2015年寧波地區(qū)Landsat遙感影像為原始數(shù)據(jù)，確定城市熱島分布范圍及其時(shí)空變化特征。再利用土地利用數(shù)據(jù)及地表指數(shù)因子數(shù)據(jù)分析其與地表溫度的相關(guān)性，分析寧波熱環(huán)境變化的成因，為城市熱環(huán)境監(jiān)測提供科學(xué)依據(jù)[2]。

1研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

研究區(qū)經(jīng)緯度介于28°51′～30°33′N，120°55′～122°16′E之間。其行政區(qū)劃包括六區(qū)、兩縣以及三個縣級市，總面積達(dá)約9365km2。寧波地區(qū)緯度適中，平原地區(qū)多年平均氣溫16.2C°，最熱月為7月份[3]。寧波市城鎮(zhèn)化水平達(dá)到56%，隨著城市空間擴(kuò)展、下墊面變化，城市熱島問題日益突出。研究選用1995、2007年的Landsat5 TM遙感數(shù)據(jù)和2015年Landsat8 OLI遙感數(shù)據(jù)。由于一景Landsat產(chǎn)品不能完全覆蓋整個寧波地區(qū)，分別下載條帶號為118/39，118/40共6景影像。其影像選取原則，云量基本少于5%。

2研究方法

目前提出反演溫度的各種算法，歸納起來大致分為單通道算法，多通道算法和劈窗算法三類[4]。1995、2007、2015年Landsat數(shù)據(jù)分別采用覃志豪單通道算法、胡德勇等改進(jìn)后的TIRS10_SC算法實(shí)現(xiàn)地表溫度的反演。

3結(jié)果與分析

3.1地表溫度反演結(jié)果

基于上述反演地表溫度算法得出寧波市建成區(qū)1995、2007、2015年地表溫度。1995年高溫區(qū)和次高溫區(qū)占總寧波面積的一小部分[6]。低溫區(qū)和次中溫區(qū)的熱島由水體和林地組成，次高和高等級的地區(qū)主要是位于市中心及其附近的工業(yè)和住宅用地。與1995年相比，2007年的高溫區(qū)大幅增加且具有更多零散的分布。從市中心到城市邊緣，最高等級的城市熱島效應(yīng)也在徑向擴(kuò)展[7]。城市地區(qū)向外擴(kuò)張的同時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大的變化，趨向于同心圓模式。與2007年相比，2015年的城市熱島效應(yīng)更加分散，從市中心到西部地區(qū)的熱島區(qū)面積略有減少，而東部沿海地區(qū)的熱島區(qū)面積略有增加。城市熱島范圍總體在逐漸擴(kuò)大，市區(qū)熱島范圍以老城區(qū)為中心向外輻射持續(xù)生長。另外，寧波市作為我國重要的通商口岸，熱島現(xiàn)象向鎮(zhèn)海區(qū)和北侖區(qū)沿海地區(qū)擴(kuò)展。象山、寧海、余姚等縣級地區(qū)，熱島強(qiáng)度呈逐漸增強(qiáng)趨勢。寧波地區(qū)人口、建筑物密集的市區(qū)溫度明顯高于周邊郊區(qū)，縣級市的中心溫度也高于外圍地區(qū)，說明寧波熱島效應(yīng)的確存在。

3.2城市熱島和土地利用的關(guān)系

本文根據(jù)研究區(qū)土地類型的特點(diǎn)，利用監(jiān)督分類法，將土地利用類型分為林地、城市用地、水體、裸地和耕地5大類。將反演得到的LST與土地利用類型疊加分析，可以得出近20年，城市地表溫度始終處于最高，這是由于城市地區(qū)下墊面主要由柏油、琉璃瓦等非滲透性表面組成，其熱容量較小，地表蒸發(fā)能力也相對較低，導(dǎo)致城市地區(qū)地表溫度較高。水體地表溫度始終最低，由于水體的熱慣量及熱容量相對較大，其熱傳導(dǎo)和熱擴(kuò)散率小，從而導(dǎo)致水面溫度總是最低。裸地的地表平均溫度相對高于耕地，耕地的地表平均溫度相對高于林地。其中，裸地的熱傳導(dǎo)率大，在接受輻射能量時(shí)容易升溫。耕地的地表平均溫度較低，主要原因是農(nóng)作物可以通過光合及蒸騰作用減少周圍大氣的熱量。林地的地表平均溫度比耕地低，說明林地中植被對大氣熱量吸收的熱量的作用比耕地明顯。由此可知，水體、林地對城市的降溫作用起著相當(dāng)重要的作用，大面積的水體覆蓋以及大范圍的植樹造林能夠有效地緩解城市熱島效應(yīng)。

為了定量地分析各種歸一化指數(shù)與地表溫度之間的關(guān)系，本文統(tǒng)計(jì)樣點(diǎn)對應(yīng)的地表溫度、NDBI、NDVI值，建立二維散點(diǎn)圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析。從圖1看出，1995、2007和2015年LST與NDBI均表現(xiàn)出明顯正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)在0.05置信水平下是顯著的。說明城鎮(zhèn)建設(shè)用地的增多對地表溫度的促進(jìn)升溫作用明顯；1995、2007和2015年NDVI與LST呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)在0.05置信水平下也是比較顯著的。它表明這種植被覆蓋率越高的土地利用類型，就越能抑制城市地表變暖。

4結(jié)論

從時(shí)間序列角度來看，1995-2015年城市中心的熱島效應(yīng)逐年顯現(xiàn)，且隨著從寧波市中心到城市邊緣的距離增加，地表溫度明顯減少，其中2007年地表溫度下降較快，其余兩年則比較緩慢。寧波市地表溫度與土地利用類型有較為顯著的關(guān)系，地表土地利用類型為城市是地表溫度始終最高。而林地和水體是城市的降溫區(qū)。NDVI與LST之間存在顯著的負(fù)相關(guān)，NDBI與LST之間存在顯著的正相關(guān)。這說明城市建筑物占地及下墊面覆蓋類型是形成城市熱島的主要因素。相反植被具有顯著的降溫效果，對于緩解城市熱島效應(yīng)具有重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 上海市土地利用空間格局與地表溫度關(guān)系研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)， 2013（2）： 343-350.

[2] 楊英寶，蘇偉忠，江南.基于遙感的城市熱島效應(yīng)研究[J].地理與地理信息科學(xué)，2006（5）.

[3] 覃志豪. 陸地衛(wèi)星 TM6波段范圍內(nèi)地表比輻射率的估計(jì)[J]. 國土資源遙感， 2004， 16（3）： 28-32.

[4] 胡德勇. 利用單窗算法反演Landsat 8 TIRS數(shù)據(jù)地表溫度[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版）， 2017， 42（7）： 869-876.

[5] 孫芹芹， 吳志峰， 譚建軍. 不同土地利用類型的城市熱環(huán)境效應(yīng)研究——以廣州市為例[J]. 國土資源遙感， 2010（4）： 67-70.

[6] 徐心馨， 李小娟， 孟丹. 北京市不同下墊面類型對熱島效應(yīng)及人體舒適度的影響[J]. 首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2013，34（3）： 47-52.

[7] 葉鈺，秦建新，胡順石.長沙市熱島效應(yīng)時(shí)空特征變化研究[J]. 地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)， 2017，19（4）：518-527.

【通聯(lián)編輯：光文玲】